固體電蓄熱技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用
作者：小編
時間：2024-06-21 15:28:19
點擊：
次
當(dāng)前，我國能源結(jié)構(gòu)正處于轉(zhuǎn)型期，電力系統(tǒng)將從單一化向多元化轉(zhuǎn)變，電力輸送將從傳統(tǒng)的“發(fā)、輸、配、用”向新型的“源、網(wǎng)、荷、儲”轉(zhuǎn)變。尤其是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)確立后，分布式能源和分布式儲能的加入，讓原有的電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。與此同時，新能源裝機(jī)比例及用戶側(cè)間歇性負(fù)荷的進(jìn)一步增長，對電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)“源隨荷動”的運行模式亟須向“源荷互動”轉(zhuǎn)變。挖掘負(fù)荷側(cè)的靈活性資源和調(diào)節(jié)潛力，成為提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和保障電力供應(yīng)的重要手段。在此背景下，“虛擬電廠”應(yīng)運而生。虛擬電廠通過分布式能源管理系統(tǒng)將分散安裝的清潔能源、可控負(fù)荷和儲能聚合作為一個特別的電廠參與電網(wǎng)運行。其核心思想就是把各類分散可調(diào)電源、可控負(fù)荷、儲能聚合起來，通過數(shù)字化的手段形成一個虛擬的電廠來做統(tǒng)一的管理和調(diào)度，同時作為聚合主體參與電力市場。固體電蓄熱設(shè)備是一種具有儲能性質(zhì)的電力負(fù)載，是虛擬電廠的重要組成部分，因此，理清固體電蓄熱設(shè)備在虛擬電廠中的技術(shù)特性，對發(fā)掘固體電蓄熱設(shè)備在虛擬電廠中的應(yīng)用場景、推進(jìn)虛擬電廠建設(shè)具有重要意義。儲能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲起來，在需要時再釋放的過程，也就是將能量進(jìn)行時間上的平移過程。所謂虛擬電廠，從廣義上講就是對需求側(cè)響應(yīng)的延伸。傳統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)主要通過對用電負(fù)荷的調(diào)節(jié)實現(xiàn)“削峰”效果，虛擬電廠則是通過接入更多元化的的用戶，通過對這些用戶的集中控制，使其不僅可以調(diào)節(jié)自身的用電負(fù)荷，還可以對外輸出能量，從而做到“削峰”和“填谷”兼顧。從本質(zhì)上講，虛擬電廠就是將現(xiàn)實電廠所生產(chǎn)的能量進(jìn)行了時間和空間上的平移，從而達(dá)到提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的目的。很明顯，儲能是將能量進(jìn)行平移的最有效手段，因此，儲能系統(tǒng)是虛擬電廠不可或缺的組成部分。1.2儲能技術(shù)應(yīng)用面臨的問題就儲能技術(shù)的應(yīng)用情況來看，單獨在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用效果都受到一定條件的制約。在電源側(cè)儲能，不同類型發(fā)電機(jī)組所采用的儲能技術(shù)之間具有很大的差異性，投資也千差萬別。儲能的收益主要來源于可盈利空間不多的傳統(tǒng)電力市場，因此很難形成規(guī)模。在電網(wǎng)側(cè)儲能，雖然更便于協(xié)調(diào)控制，但過高的設(shè)備投資和運行費用也嚴(yán)重制約了儲能技術(shù)的應(yīng)用。在負(fù)荷側(cè)儲能，其靈活的調(diào)節(jié)方式是其主要優(yōu)勢，但長期以來，由于缺少價值體現(xiàn)機(jī)制，僅靠峰谷電價差異難以支撐投資壓力。虛擬電廠的建設(shè)為儲能在負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。虛擬電廠的本質(zhì)是通過聚合負(fù)荷側(cè)的眾多資源實現(xiàn)電力系統(tǒng)的靈活性。它局限于電力的生產(chǎn)和使用。對于負(fù)荷側(cè)而言，其能源需求除了電力，還有熱力等其他能源。因此，負(fù)荷側(cè)更關(guān)注的問題在于如何合理使用能源。正因為如此，綜合能源管理問題成為更廣泛的話題。在綜合能源管理過程中，多能互補是一個重要的元素。大多數(shù)虛擬電廠中的儲能設(shè)備在儲能的過程中伴隨著不同能源之間的相互轉(zhuǎn)換（比如電蓄熱），這便為實現(xiàn)多能互補提供了條件。因此，如果將虛擬電廠與綜合能源管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，不僅可以突破虛擬電廠的局限性，也可以促進(jìn)綜合能源管理系統(tǒng)的數(shù)字化管理水平。固體電蓄熱技術(shù)是將電熱轉(zhuǎn)換、熱能存儲與釋放有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲于固體蓄熱材料中，在需要熱量時通過特定的換熱過程實現(xiàn)熱能釋放的固體電蓄熱方式。一般情況下，大功率固體電蓄熱裝置由配電系統(tǒng)、電熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、固體蓄熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)構(gòu)成。裝置工作時，由配電系統(tǒng)提供電力，電熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給固體蓄熱系統(tǒng)吸收存儲，當(dāng)需要輸出熱能時，熱交換系統(tǒng)通過換熱風(fēng)機(jī)將爐腔內(nèi)的熱空氣送入換熱器，換熱器將熱空氣的熱能傳遞給供熱工質(zhì)并由供熱工質(zhì)帶走。
固體電蓄熱裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2固體電蓄熱技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用特點
與其他儲能技術(shù)相比，固體電蓄熱技術(shù)在應(yīng)用于虛擬電廠時具有以下特點：用戶側(cè)對能源的需求，以電力和熱力兩種方式為主。在能源消費中，熱能需求是終端能源消耗的最主要部分。在清潔能源比例不斷提高的背景下，終端能源消費的清潔化和電氣化水平也將進(jìn)一步提高。電能和熱能既是兩種可以相互轉(zhuǎn)換的能量，在生產(chǎn)過程中又具備一定的耦合關(guān)系。它們之間具有極高的互補性，其傳輸方式和傳輸效率也具有獨特的優(yōu)勢。在眾多能源消費形態(tài)中，電和熱不論在消費總量上還是在互補的可實現(xiàn)程度上都是獨具優(yōu)勢的。固體電蓄熱裝置的技術(shù)本質(zhì)可以歸結(jié)為：電熱轉(zhuǎn)換+熱能存儲。當(dāng)虛擬電廠輸出負(fù)電量時，固體電蓄熱裝置將電轉(zhuǎn)換為熱存儲下來。當(dāng)虛擬電廠輸出正電量時，則通過釋放熱能減少供熱必須消耗的電量。另外，在峰谷電價高差異的情況下，還可以利用儲熱來發(fā)電，以實現(xiàn)降低用能成本的目的。因此，固體電蓄熱裝置具有很強的雙向互動性。通常情況下，儲存機(jī)械能和化學(xué)能，只能用來釋放電能。電蓄熱設(shè)備所儲存的熱能通常可以根據(jù)用戶的具體需求以不同的方式釋放。比如不同參數(shù)的熱空氣、熱水和水蒸汽，甚至可以釋放電力。（4）可實現(xiàn)規(guī)模化建設(shè)所需要的超大功率儲能系統(tǒng)的規(guī)模化是建設(shè)虛擬電廠的必要條件。儲能系統(tǒng)的規(guī)模化有系統(tǒng)規(guī)模化和單個項目規(guī)模化兩層含義，也可以說單個項目規(guī)模化是系統(tǒng)規(guī)模化的前提。對用戶側(cè)儲能設(shè)備而言，通常是在配電網(wǎng)上接入的。就目前配電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r來看，線路容量是制約單個項目規(guī)模化的關(guān)鍵因素。固體電蓄熱技術(shù)經(jīng)歷多年的發(fā)展，其工作電壓已經(jīng)從最初的10千伏提高到110千伏，這就使得固體電蓄熱設(shè)備具備了在容量較大的高壓配電網(wǎng)甚至是電壓更高的輸電線路上的接入能力，可實現(xiàn)規(guī)模化建設(shè)所需要的超大功率。3 固體電蓄熱裝置在虛擬電廠中的應(yīng)用場景固體電蓄熱設(shè)備有許多分散的單一用戶，如賓館、酒店、醫(yī)院、學(xué)校、寫字樓等單位的供熱系統(tǒng)，在這些設(shè)備上都配備了按GB/T42136分布式儲能集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)。具備數(shù)據(jù)采集、實時通信、運行監(jiān)視及操作控制功能。
分布式固體電蓄熱設(shè)備集中控制系統(tǒng)圖
3.2替代燃煤鍋爐的大規(guī)模集中供熱設(shè)備
自上世紀(jì)八十年代以來，我國城市供熱已經(jīng)由單熱源局部供熱模式發(fā)展到多熱源集中供熱模式。城市集中供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三個部分構(gòu)成。在熱源方面以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，集中供熱鍋爐為輔，其他方式為補充。集中供熱鍋爐一般都是容量和參數(shù)都比較低的工業(yè)鍋爐。這些鍋爐燃燒效率比較低，除塵、脫硫脫硝效率也都很低，勢必對城市環(huán)境造成危害。利用固體電蓄熱設(shè)備替代這些燃用化石燃料的鍋爐不僅可以凈化當(dāng)?shù)丨h(huán)境，也可以作為虛擬電廠的一部分參與運營。3.3工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的儲能設(shè)備工業(yè)園區(qū)具有經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)好、能源消耗大、產(chǎn)業(yè)集聚等特點,是構(gòu)建靈活多樣、低碳高效的綜合能源管理體系的理想場景，更是虛擬電廠的重要組成部分。工業(yè)園區(qū)所消耗的能源主要來自于電網(wǎng)、熱網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)。儲氣、儲電、儲熱是建立這三種能源供需平衡關(guān)系的關(guān)鍵因素。圖4.3給出的是三種能源之間實現(xiàn)互補的一種綜合能源系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，固體電蓄熱設(shè)備可以平衡電力和熱力之間的供需平衡關(guān)系。
綜合能源管理系統(tǒng)圖
3.4城市熱電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的儲能設(shè)備
傳統(tǒng)上，電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)是兩個完全獨立的系統(tǒng)，各自獨立調(diào)度。基于電熱互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)（見圖4.4）通過固體電蓄熱裝置將兩個系統(tǒng)聯(lián)接在一起，并通過電熱協(xié)調(diào)調(diào)度中心將電網(wǎng)調(diào)度和熱網(wǎng)調(diào)度聯(lián)系在一起，實現(xiàn)以最佳的方式向用戶提供電能和熱能。基于電熱互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)包括電網(wǎng)單元、熱網(wǎng)單元、電熱轉(zhuǎn)換單元、電能儲存單元、熱能儲存單元、供電單元、供熱單元、電用戶和熱用戶。這種互聯(lián)系統(tǒng)能夠?qū)﹄娔芎蜔崮艿纳a(chǎn)、傳輸、存儲、消費等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)、優(yōu)化，同時實現(xiàn)兩種不同能源的供需平衡。
基于電熱互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)圖
虛擬電廠是一個比較新的概念，儲能作為虛擬電廠的重要組成部分，雖然已有幾十年甚至幾百年的發(fā)展歷史，但種類繁多、優(yōu)缺點各不相同，使用條件也受到很多因素制約，適合大規(guī)模應(yīng)用的儲能技術(shù)少之又少。虛擬電廠的建設(shè)離不開可控的儲能資源，可以預(yù)期在未來不太長的時間里，儲能應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展必將推動虛擬電廠從摸索階段走向成熟。
