石 凱

(北京金茂綠建科技有限公司，北京 100012)

0 引 言

峰谷時段負(fù)荷功率相差大，峰谷時段電費(fèi)單價相差大，電能耗占總能耗比例高。近年來電力負(fù)荷峰谷差日益增大，給發(fā)電和調(diào)度帶來困難。從建設(shè)成本和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，通過新增發(fā)輸配電設(shè)備來滿足高峰負(fù)荷的需求變得越來越困難。白天用能高的時間段儲能系統(tǒng)放出電量，晚上用能低的時間段對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電。利用儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，減小負(fù)荷峰谷差，緩解相應(yīng)的電源和電網(wǎng)建設(shè)，可以最大限度地保障城市電能應(yīng)用得穩(wěn)定性。

目前，大容量儲能技術(shù)主要有物理儲能(抽水儲能、壓縮空氣儲能等)、超導(dǎo)電磁儲能和電化學(xué)儲能(鋰離子電池、鉛碳電池等)等。

物理儲能適合建造大規(guī)模的儲能電站，受地形限制較大，是百兆瓦以上儲能技術(shù)的首選。

超導(dǎo)電磁儲能利用超導(dǎo)體制成線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能量形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，不具備大規(guī)模推廣的條件。

電化學(xué)儲能以鉛碳電池和鋰離子電池技術(shù)為主要應(yīng)用方向，是目前技術(shù)發(fā)展最快的儲能技術(shù)。鉛碳電池是一種集超級電容器和鉛酸電池優(yōu)勢為一體的電池技術(shù)，電池安全性高，在混合動力電動汽車和大規(guī)模儲能系統(tǒng)中擁有廣闊應(yīng)用前景。但是其負(fù)極含有重金屬鉛，會對環(huán)境造成污染。鋰離子電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低和充放電壽命長等優(yōu)點(diǎn)，受益于新能源汽車政策推動，目前鋰離子電池的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)有了很大程度的提高，而且不受地形影響，是目前儲能電站的首選技術(shù)路線。

1 儲能系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目信息

1.1 項(xiàng)目總體情況

項(xiàng)目位于北京市西城區(qū)某寫字樓B2層。寫字樓總建筑面積約5萬平米，主要用于辦公租賃,一樓有少量快餐店和商場。由兩臺2 000 kVA變壓器提供電力，配套500 kVA柴油發(fā)電機(jī)作備用電源，執(zhí)行北京工商業(yè)電價見表1，年用電量約600萬kWh。

表1 北京西城區(qū)工商業(yè)電價

根據(jù)用電特點(diǎn)和可用空間情況，于2018年由資方投資建設(shè)儲能電站。總投資380萬，占地面積約100平米，每天額定充放電量為2 000度，電站整體布局如圖1所示，內(nèi)部實(shí)景如圖2所示。

圖1 電站布局平面圖

圖2 電站內(nèi)部實(shí)景圖

儲能電站設(shè)計額定功率為250 kW，容量為2 000 kWh，電能量存儲介質(zhì)為1260塊鉛碳電池，單體電池規(guī)格為2 V/1000 Ah，如圖3所示，由2臺250 kW儲能變流器完成交直流變換，如圖4所示，最后通過2臺隔離變壓器接入寫字樓配電室供電母線，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行為寫字樓提供電力。

圖3 鉛碳電池

圖4 儲能變流器

儲能系統(tǒng)在谷段和平段時由電網(wǎng)向電池充電，在峰段時向?qū)懽謽秦?fù)荷放電，如下是儲能系統(tǒng)功率-時間工作曲線，為了保證電池使用壽命在平段時會給電池補(bǔ)電1小時，在7月和8月尖峰時段時，電池會在平段補(bǔ)電2小時。電池的兩種充放電曲線如圖5所示。

圖5

1.2 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)和社會效益

儲能電站正式投運(yùn)一年多的時間里，充電量累計已達(dá)85萬kWh，放電量累計已達(dá)70萬kWh，僅考慮峰谷套利運(yùn)行模式，已經(jīng)為投資方帶來超過60萬的經(jīng)濟(jì)收益。

電站參與的華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)，除了能獲取調(diào)峰服務(wù)補(bǔ)貼外，還提高了華北區(qū)域可再生能源消納水平，參與輔助服務(wù)期間累計提高可再生能源消納量242 000 kWh，折合節(jié)煤量約80.7 t，二氧化碳減排209.7 t，實(shí)現(xiàn)了電站的社會效益。

降低了寫字樓20%的峰值用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了寫字樓供電最大12.5%的動態(tài)擴(kuò)容。減少了備用柴油發(fā)電機(jī)使用時間，減輕了對環(huán)境的污染和降低了運(yùn)營成本。

2 其他應(yīng)用方案探索

2.1 寫字樓間儲能電站共享

儲能電站在公共建筑場景應(yīng)用由于用電的峰谷價差大，能夠?yàn)闃I(yè)主帶來較大的經(jīng)濟(jì)價值，但有些公共建筑自身用電特性滿足建設(shè)儲能電站，但是沒有足夠的空間用來存放儲能電池和儲能設(shè)備，有些建筑有多余的空間但是用電特性不滿足，所以基于該現(xiàn)狀可以在臨近的建筑間采用共享儲能電站的業(yè)務(wù)模式。資方投資建設(shè)儲能電站，多個寫字樓業(yè)主按照一定的分成比例享受收益儲能電站本體建在空間充足的樓宇內(nèi)，或者是樓宇外的空地中，通過線纜將儲能電站與用電負(fù)荷進(jìn)行連接，不同的用戶采用不用的回路。同時在用戶負(fù)荷側(cè)安裝相應(yīng)的終端設(shè)備，實(shí)時檢測用電負(fù)荷特性，從而來控制電站的充電放電，以及充放電的功率值。

共享儲能電站不再受建設(shè)電站的空間、用戶側(cè)負(fù)荷約束，很大程度上提高了儲能電站的調(diào)峰能力和收益，構(gòu)建了電站投資方與用戶之間的市場化交易機(jī)制。

2.2 綜合能源服務(wù)模式

與傳統(tǒng)能源供應(yīng)相比，綜合能源服務(wù)更加多元化，涵蓋了電力、冷熱及燃?xì)獾榷喾N能源。綜合能源服務(wù)模式有效促進(jìn)了各能源的協(xié)調(diào)配合，同時也更有利于實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和高清潔性能源的發(fā)展。西方發(fā)達(dá)國家的綜合能源服務(wù)發(fā)展也很迅速，投入規(guī)模也很大，同時實(shí)現(xiàn)了智能用電管理和智能通信調(diào)控，避免了能源的不必要浪費(fèi)，可以使年用電量下降超過10%。

由于該寫字樓建成時間較長，能源供應(yīng)較為單一，綜合能源服務(wù)可以涵蓋多項(xiàng)內(nèi)容，主要有如下幾點(diǎn)：

供冷供熱機(jī)房的高效化提升，該部分用電量占到了整個建筑用電的60%，機(jī)房的管理水平很大程度上影響了整個寫字樓的耗能水平，通過應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)控制策略，安裝更加優(yōu)化的冷卻水系統(tǒng)設(shè)備，可以使機(jī)房效率提高25%，實(shí)現(xiàn)建筑耗能降低15%。

BIPV光伏發(fā)電的應(yīng)用，綠色能源是我國長期發(fā)展目標(biāo)，對于既有建筑和新建建筑BIPV都有很大的市場空間和很強(qiáng)的應(yīng)用價值。BIPV系統(tǒng)主要借助光伏發(fā)電原理為建筑提供日常運(yùn)行中所需電能，光伏發(fā)電功率輸出主要集中在上午9點(diǎn)到下午4點(diǎn)之間，該特性與城市耗能的第一個峰段(北京為10點(diǎn)到15點(diǎn))是一致的，所以光伏發(fā)電不僅能夠降低了建筑能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，還能夠有效降低峰段電能供應(yīng)壓力。