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能源监控安稳获长远收益
系统严防以免後院失火
[作者 陳念舜]   2020年03月24日 星期二 浏览人次: [2754]

目前台湾用电大户为了配合在2025年前完成安装再生能源「自发自用」,同时维持电源稳定,并可藉此??入电网,节约契约用电量,进而创造长期稳定的收益,自行导入储能设备几成为最隹选择。又逢近年来南韩发生多起储能系统起火事件,「他山之石,可以为错」,足见选择合适电池与能源管理系统的重要性,更值得相关厂商提早曲突徙薪,以免後院失火。


因应未来大量再生能源发电开始被并联於配电系统之後,可能造成末端电压上升,而超过运转电压限制的要求。在2019年通过的《再生能源发展条例》中也规定,未来台湾用电大户若选择自建储能设备者,必须确保电池可储能2小时以上,并且在10年内维持一定的水准,才能真正有助於工厂稳定供电。可见大型储能技术将成为未来储能应用的重点,估计约有300家用电大户受到影响,并带动约600亿元投资,创造1.05GW的装置容量。


其不仅可用於发电系统削峰填谷、负载调配、能量管理,简化发电计画,均衡负载、减少备转容量需求等;待并接入输配电系统中,还能管理电力品质、提高再生能源渗透率、供电稳定性与可靠度,缓解输配电壅塞,递延设备投资;或在用户端需求面可作为不间断电源,以稳定供电、管理容量费用,亦可搭配再生能源发电设备或分时电价,提供负载追踪与升降载服务(Ramping Support),降低用电支出。当再生能源发电中止或过剩时,还能搭配智慧电网及辅助服务,确保发电曲线的平滑与可控性,免於「弃风弃光」窘境。


慎用电池与调度能力 攸关储能系统优劣关键

然而,随着储能系统(Energy Storage System;ESS)技术已从应急转向经济需求,若有意组装大型电网级MW储能系统业者,不能只从小型动力电池系统思考,後者光是为了均衡单一电池系统循环充放电的一致性,就是个令人头痛的课题。反观大型储能系统,更像是一个系统同时存放电的行为,必须有效整合储能电池本体与应用技术紧密双向沟通联系,才能累积相当多实用的大数据,来解决所有应用的问题。



图1 : 随着扩增电力调节系统PCS、电池管理系统BMS、电力管理系统EMS等,造成考验国内外业者系统调度及管理能力的关键,真正储能成本总和可能比电池还贵。(摄影/陈念舜)
图1 : 随着扩增电力调节系统PCS、电池管理系统BMS、电力管理系统EMS等,造成考验国内外业者系统调度及管理能力的关键,真正储能成本总和可能比电池还贵。(摄影/陈念舜)

基於两者应用场景不同,结构并非完全一样,使用者首要须将动力电池与储能电池有效区隔。前者主要用於汽车充电,能量密度为关键因素;後者更注重安全性和延长寿命,最好免维修,现在还要能用於快速调峰调频以安全??入电网,而增加许多功率调节(变流)器。


因此,扩增电力调节系统(Power Conditioning System;PCS)、电池管理系统(Battery Management System;BMS)、电力管理系统(Energy Management System;EMS)之间的通讯协议,以及相关叁数、软体程序、晶片运算能力等,都导致采集资料和传输量变得更为复杂,造成考验国内外业者系统调度及管理能力的关键,真正储能成本总和可能比电池本身还贵。


尤其PCS位居连接电池组与电网应用的关键系统,也是储能功率调节的执行设备,更须在监控与调度系统的调配下,实施有效和安全的储放电管理,以整合与协调多方资源来并联和适应既有电网的基础架构维持稳定性,或形成微电网「孤岛运作」。


南韩储能系统大火 促从电池与管理层面防患未然

举例来说,近年来南韩电化学储能装机量,虽然始终处於国际领先地位,但这2年来就发生多达23起ESS储能电站起火事故,却引发市场高度疑虑,其危害程度高於电动汽车自燃或爆炸,甚至可能损及产业的发展进程。



图2 : 南韩官方於2019年宣布储能系统火灾原因调查结果为综合管理不足,包含从人员安装不细心到管理疏忽、环境影响,以及BMS失效到PCS的标准问题。(source: res.heraldm.com)
图2 : 南韩官方於2019年宣布储能系统火灾原因调查结果为综合管理不足,包含从人员安装不细心到管理疏忽、环境影响,以及BMS失效到PCS的标准问题。(source: res.heraldm.com)

根据2019年南韩工信部公布的调查结果为综合管理不足,包含针对PCS、ESS系统设计制造,以及人员安装和施工、使用管理过程中疏忽,可能受到电气和环境因素影响的原因如下:


一、电池系统缺陷;


二、应对绝缘检测的保护系统不隹;


三、完成储能电站建设後的管理和维护不足;


四、从PCS到ESS系统之间的综合管理不良。


除了从使用环境和性能要求而言,储能用锂电池的性能要求理应比动力电池还要高,分为能量型、功率型不等。未来国际储能领域的锂电池若能因此,逐步由LG化学、三星SDI、Tesla等企业采用活性大而易燃的三元电池,转型为安全性和成本更隹的磷酸铁锂电池,即可为其他电池业者提供发展机会。


且因为EMS、PCS、BMS系统可能皆属不同公司产品、标准,一旦失效或无法有效整合,妥善协调与电池保护系统操作顺序,将影响後续售服维护人员共享彼此资讯。若在PCS排除故障後未检查电池状态的情况下重启,就可能造成系统於AC交流与DC直流侧冲突起火。


亚力杨梅厂投入太阳能 精进能量调度管理能力

亚力电机公司研究开发处协理兼绿能处处长方志行进一步指出,随着台电的电网负载越来越重,还要纳入再生能源後的改压工程已势在必行,才能同时提升可承受容量与降低电流;又可确保在改压、配电过程中不致断电,主动侦测与承受传输电压/电流改变,所以相关元件也因此必须提高耐压等级,在出现事故时切断,而不必等到负载出问题了才被动跳脱。亚力电机虽然可在??线终端单元(FTU)的基础上监控、量测电力,但涉及後端的SCADA、EMS系统尚在发展中。


下一阶段发展便是透入储能系统,虽然长期以来不乏业者积极投入,却因为成本居高不下,至今能形成商业模式,真正获利者仍是少数。台电也希??透过由企业自建5MW以下储能系统,并补助提供自动频率控制(AFC)调频辅助服务,以吸引相关业者投入,并自负盈亏和维持稳定频率来分摊负载,提高系统可靠度。有别於动力电池要求有足够系数比,以承受瞬间大电力;储能电池则系数较小,在ESS内部管控即可,仅涉及成本设计。


如今全球PCS不仅须具备AC/DC转换功能,且正朝向储能专用型产品持续发展,还须同时处理电力或车辆刹车系统产生回生电源。关键在於透过EMS负责电池与PCS之间的能量管理系统,能否经过BMS侦测以了解电池状态和外在环境、负载,防止电池串联过多或平衡电流的能力有限,恐导致电芯过热,出现老化等异状;并容许PCS管控,提升系统可靠度,而避免火灾。


亚力电机也在2018年11月率先於该公司杨梅厂投入一套100kWPCS + 200kWH ESS储能系统,并於2019年初正式启用运转,藉此执行削峰填谷、降低契约容量等运转实绩,先行建立此相关技术能量与实务经验;研发同仁亦可在实际应用过程中,不断精进能量调度控制策略来修正演算机制,已有效将厂区契约用电量由720kW下修至680kW。



图3 : 亚力电机在2018年11月率先投入一套100kWPCS + 200kWH ESS储能系统,并於2019年初正式启用运转。(source:亚力电机)
图3 : 亚力电机在2018年11月率先投入一套100kWPCS + 200kWH ESS储能系统,并於2019年初正式启用运转。(source:亚力电机)

举例来说,当EMS演算与有效下达控制命令後,透过ESS多次的放电提供需量来避免产生负载超约罚款;同时在系统运行中不断收集有效数据建立模型,後续将可整合负载预测、整合太阳能发电系统,进行多源(市电、光电、储能)智慧电力系统管控与调度;再经过电力管理系统(PMS)整合内部BMS及PCS系统与云端负载需量介面讯息,呈现智慧调度系统整体资讯,当系统失效时,控制单元将持续作业。


弘讯并购EEI 完善电力系统管控资源

成立於台湾的弘讯科技在2015年以宁波弘讯科技为名,於上海证券交易所主板挂牌上市後,成为台商在大陆首家上市的工业自动化公司,并同步启动「工业4.0」与「国际化」双成长战略,於2016年完成并购义大利超过40年历史(1978)的知名工业自动化品牌EEI,为公司长远发展奠定稳固基础。


於2019年宣布启动台湾竹北营运总部建设计画後,除了原有塑胶成型机自动化发展,再增加两项经营主轴:


一、先进制造,包括自动化关键元件与系统整合,以及建立工业云平台;


二、新能源,包含洁净能源、微型电网、储能系统与工厂能源管理。


其中为了建构「微型电网与储能系统」,须仰赖储能、能量转换、用电监控等多方面技术整合,足以决定今後再生能源产业走向,成为当前举世聚焦的科技重点。弘讯则利用EEI多年来专注於电力电子技术核心,包含发电、电力转换与逆变技术,在工业控制、升降缆车、物理研究和新能源等领域的多元客制化技术方案深获肯定。


由於全面掌握相关的储能、快速充放电系统,以及电网平衡、电力管理系统与物理医疗、研究设备等特殊电源技术解决方案,可依客户需求设计制造,满足再生能源系统要求20年产品生命周期,相较於Siemens、ABB等国际大厂,EEI更具有小而美优势。


在获得弘讯集团并购入主,除了有助於EEI开发大中华市场,再经由产品标准化、系统化方案聚焦新能源领域,深耕其相关应用。目前弘讯已在台湾推动EEI能源物联网方案,未来随着竹北总部启用,还会将EEI设备引进台湾制造,透过在台采购零组件、组装半成品(SKD),提升关键部件自制率,期盼让台湾成为分散式微型电网验证与展示基地。


新厂规划也会落实新能源的相关应用,立基於EEI太阳能、储能电能调节系统等再生能源设备,再搭载物联网、云平台技术等数据搜集及储存,结合可视化互动介面,打造能源管理系统(EMS)。期待透过活用能耗、发电等数据分析,合理化厂内能源分配,促使工厂能源使用效率最隹化。


接着还会善用EEI先进能源技术,精准提供台湾制造的再生能源储存快充系统化解决方案,符合ISO 50001能源管理规范;另以竹北厂工厂智慧电网为范本,策略结盟有志於相关能源服务业者,协力促进台湾产业进一步升级。进而立足台湾,辐射东南亚市场,透过异地系统方案验证、改进、再完善,携手能源服务业者持续精进与升级。最终架构技术在义(大利)、决策在台、市场在(东南)亚的供输体系,完善集团在全球布局。


例如目前在台湾正积极推动的再生能源产业,便存在高压电力转换系统(PCS)的技术缺囗,而EEI在欧洲该领域则与Siemens、ABB齐名,该公司PCS的特色便在於弹性配置(Flexible Configurations),堆叠多样模组,包含变流器(AFE)、电池充/放电器(Battery Charger/ Discharger);再通过直流链DC Link,联结(Coupling)多路输入埠(Multiple Input/ Ports Availability),最後统一转换输出。



图4 : 弘讯目前也在台湾结合杰明新能源公司,推动EEI能源物联网方案。(摄影/陈念舜)
图4 : 弘讯目前也在台湾结合杰明新能源公司,推动EEI能源物联网方案。(摄影/陈念舜)

该公司还可依客户实际需求,搭配「混合系统(Hybrid System)」,包含:太阳能PV,透过MPTT独立模组监测不同日照量或污损,弥补因此造成太阳能板转换效率差异所造成的功率损失,稳定反??电网能量;加上储能电池BESS,利用不同串接技术及电池种类,达到最大容量;以及利用PCS,调配平衡不同功率因数下的脉冲;以及柴油发电机(DG),当失去日照或电池放空後,避免瞬间电流冲击电网,而须抑制或追补频率,具备在孤岛运作下的垂降控制(Droop Control)、「黑启动(Blackstart)」功能。


同时加入辅助服务其他相关应用,系对於储能系统要求严苛,必须在24小时内分秒不歇,负载追随,或针对再生能源的弹性升降载支持(Load Following/Ramping Support for Renewables)及频率反应(Frequency Response)等,由於储电系统即非常适用於抑制风力或太阳光电系统的变化性,而被大量应用,其中频率反应与电网调节服务非常相似,但必须在毫秒到小於3分钟内的时间内快速反应。


EEI两大产品系列分为:一、电网支持,电压、频率调节 Voltage/Frequency Regulation;二、需量控管,能量移转 Power Shifting (Peak Shaving),750kW系列变流器更适用於AFC快速调频服务需求。


总结

随着储能系统技术逐步落实安全与可靠性之後,各种储能的特性使之可提供某些电网服务,实现不同的应用服务需求,是过去单纯发展抽蓄水力、燃气涡轮机组或柴油发电机等备援机制所无法企及的利基市场。


国际知名的市场分析机构皆一致看好储能应用未来市场规模的扩大与多元性,主力市场会在电网调节及应用、再生能源补偿等。接下来还有赖於商业模式成形,以完善系统管控资源,结合自建再生能源系统,确保前後阶段均衡获利、分散风险。


尤其台湾地形破碎,又有诸多离岛、高山部落须自行管理供电,若导入大量再生能源将有助於提升电力系统供电品质与可靠度;进而形成微电网技术为基础,扩大再生能源利用,推动储能技术成熟而降低成本,将更有机会改善再生能源,做为离岛供电解决方案选项之一。


**刊头图:(source:img.technews.tw)


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