新型污水泵站用钠离子电池的研制

污水泵站对水务公司的正常运营至关重要，它确保将客户所在区域的废水转移到处理厂进行处理。本文介绍了对污水泵站运行过程中能量需求进行表征的动机、方法和结果，以及针对所讨论的悉尼污水泵站，确定可再生能源发电和储存系统怎样才能最大程度地自发/自用电并提高能源韧性的过程。

 

 

本文探讨的是智能钠存储解决方（S⁴）项目的一部分。该项目耗资105万美元，由澳大利亚可再生能源署助，旨在开发用于可再生能源存储的新型低成本钠离子电池技术，所用技术经在多个应用中得到展示。为确保钠离子电池单元和模块的设计能满足应用需求，并为污水泵站提供所需的能源和力，必须透彻地对这种终端应用进行表征，这一点至关重要。

 

导言

 

将清洁水和废水泵送至整个供水网络是一项耗电密集型的活动，约占悉尼水务公司每年约400千兆瓦能耗量的41%。可再生能源发电和存储技术（特别是太能光伏和电池型存储技术）成本的迅速下降为实施这些技术以降低电网能耗和提高能源韧性提供了许多新机会。

 

作为能源战略计划的一部分，悉尼水务公司已将污水泵站（SPS）确定为需要采用整体能源管理解决方案，以提高能源韧性的运营区域。污水泵站是悉尼水务公司（Sydney Water）运营的一个主要组成部分，该公司整个管网中配备的685座污水泵站，确保废水从社区安全高效地输送到处理厂进行处理。

 

大多数污水泵站作为一个大型管网的一部分会间歇地运行，并在所有外部工况下都必须能够正常工作。对于悉尼水务公司来说，特别重要的是，要确保污水泵站即便在极端事件发生，如出现丛林火灾（这在该管网的外围部分经常发生）、恶劣的天气条件、以及在供电网故障期间，也能运行自如。在污水泵站点进行现场可再生能源发电和储能可能是实现这一目标的可行解决方案。

 

该方案的第二个好处是有望解决因电网紧急维修而造成的相关的安全隐患和成本，或启用备用发电机，以便在电网中断期间维持污水泵站的运行。因此，用于污水泵站的可再生能源发电和储存系统有两种以能源为重的运行模式：在极端条件下维持运行的能源韧性模式；在标准运行条件下降低电力成本、最大程度利用自发电/耗电的模式。

 

全面了解污水泵站对能源和电力的需求，对于开发适合污水泵站用途并满足其运行需求的电池式可再生能源发电和存储系统至关重要。保证系统正常运行所需的关键参数是峰值功率、连续功率和日能耗。此外，应确定污水泵站现场设备的电能质量扰动水平，以确保其在可接受的范围内，且不会干扰污水泵站的运行。

 

本文描述了用于表征悉尼污水泵站SP0055电气性能的方法。该泵站附带的公共设施区块位于Bondi海滩附近（图1）。该污水泵站被选为可再生能源发电和新型钠离子电池储能系统的试验台，悉尼水务公司拥有许多污水泵站资产，该污水泵站很有代表性。

 

图1：SP0055污水泵站的位置

 

实验

 

采用了几种相互补充的方法来描述污水泵装置的特征、电能质量扰动和总的电力、能量运行要求。对所得的结果进行了整理和交叉引用，以确保数据采集方法的一致性。

 

现场考察

 

对现场进行了全面调查，以确定SP0055现场所用的装置和辅助设备。SP0055建于1927年，采用了“干井”式设计。这种设计的特点是外部有一只湿井，用于收集来自周围住宅和商业建筑的污水。内部的干井内放置着主泵。当污水坑中的水位达到预定值时，水位传感器启动泵，当污水水位低于预定的最低水位时，第二只水位传感器关闭泵。污水泵站配置的总体布局如图2所示。

 

SP0055泵站包含两只带软起动器、功率为6.9千瓦的主容积泵、一只带直接启动（DOL）起动器的1.1千瓦污水泵、一只1.5千瓦通风扇、现场照明、电源插座以及一个数据采集与监视控制系统。

 

图2：SP0055污水泵站总体分布图

 

得到了现场电气原理图，并通现场检查验证了其准确性。图3所示为SP0055现场设备安装简化示意图。

 

图3：SP0055的简化电气原理图

 

SCADA数据获取

 

悉尼水务公司在所有远程站点均安装了一套SCADA系统，以便对工厂和备进行监控。SCADA系统来自施耐德，可以从安装在SP0055泵站的公用电表获取30分钟的电力和能源数据。其它可从SCADA系统获取包括泵开/关状态详细信息在内的附加信息。

 

高速数据获取

 

在SP0055泵站临时安装了Hioki PW3198电能质量分析仪[Hioki（2012年）]，以捕捉电能质量扰动、泵启动瞬态和高精度日常能耗数据。该装置的安装见图3所示。由于现场为低电压（线路中性点230V），电压由仪器直接测得。电流则用100A钳位电流传感器测得。

 

讨论及结果分析

 

S4 项目的四大优势

• 可量产的钠离子电池（SIB）化学和结构，成本低、易于制造；

• 适用于钠离子电池单元的模块化和可扩展封装系统，配有集成的能量管理系统（EMS），其中包含在现场构建理想的能量发生、储存和消耗的智能算法；

• 在悉尼水务公司SP0055泵站现场演示钠离子电池模块和EMS；

• 在工业合作伙伴现场进行钠离子电池生产的产能和能力。

SIB有许多优点，在钠离子电池的体积和重量大不是很大问题的应用中，可作为锂离子电池有效替代。最重要的是，制造SIB的原材料比锂离子电池（LIB）要便宜得多，不需要昂贵的、开采会对境造成损害的钴或镍。SIB的单元架构制造过程与LIB基本相似。这意味着为制造LIB而开发的设备和专业知识可以用于SIB，这对于证明SIB可作为LIB的可行替代技术非常重要。

 

S4项目的目标是在可再生能源存储应用如SP0055泵站中部署SIB。了解应用需求，以便定制相应的电池架构、模型和EMS至关重要。本文对SP0055泵站的综合表征，为获得S4项目前三个优势的设计和开发提供了关键数据。

 

SP0055泵站上安装的电表系统记录了从2012年1月9日～2017年8月31日、共1826天、每天半小时的运营数据。这些数据被用于生成现场能耗的长期趋势分析。此外，还收集了Hioki PW3198在2017年10月11日～2017年10月16日期间的高速数据。

 

日常能耗

 

在设计可再生能源发电和储存系统时，预计的每日能耗对于评估至关重要，因为用于估算每日能耗的假设可能会对计算出的能够恰当服务运行要求的资产需求产生重大影响。图4中，可以看出悉尼水务SCADA系统在1826天中所积累的日常能耗数据，图5中的柱状图为总日能耗。可以看出，每天7～8 kWh的能耗形成了显著的聚集。统计分析表明，在所分析的95%的天数中，SP0055泵站每天的能耗不超过13.95 kWh，50%的天数每天的能耗不超过7.98千瓦时。

 

 

影响日能耗的因素

 

我们进行了一项调查，以确定SP0055泵站在包括恶劣天气在内的不同天气条件下运行时，能耗是否上升。如果污水泵站对能源的需求与天气事件有关，则必须采用较高百分比的能耗数字来计算能源存储需求，以确保系统保留足够的能源，使SP0055泵站能够在能源韧性模式下运行。因为在恶劣天气，太阳能光伏电池的发电量会减少，电网供应的可靠性也受到影响。图6所示为SP0055泵站的日能耗以及由气象局（BOM）玫瑰湾自动气象站（AWS）报告的日降雨量，该气象局距离SP0055泵站大约1.7km [气象局（2017年）]。

 

 

从图6可以看出，SP0055泵站的能耗峰值集中在夏季月份，这与邻近的公共设施区由于Bondi Beach利用率的增加而给系统带来了额外的负荷是相符的。这与图7中气象局玫瑰湾自动气象站数据所示的现场日晒峰值一致。这一关联与期望相符，因为泵送需求的增加与太阳能光伏发电能力的增加是一致的。

 

瞬时功耗

 

估算系统功耗的一种简单方法是，将SP0055泵站中所有设备的标称功率需求相加并将其作为设计参数。但这可能会造成对功耗估计过高，最终导致可再生能源发电和储存系统过于昂贵、超过需求、利用不足。为了绘制更符合SP0055泵站运行功率要求的性能曲线，从悉尼水务公司网络运行部门获得了现场水泵的控制策略。如实验部分所述，SP0055泵站的主要工作由两台6.9kw主泵负责承担。它们被设置为一次只能运行一台。这一控制方案通过分析主泵开/关状态的SCADA系统数据得到了证实。

 

 

从Hioki数据集中可以得到，泵启动期间的最大瞬时峰值功率总计为23千瓦，在泵运行期间，则为9.5千瓦。图8为其中一台主泵启动的瞬态特性。在高速数据分析期间，没有记录到带DOL起动器（污水泵和通风扇）的设备存在瞬态，但这些起动器的功耗曲线很容易理解。要表征DOL起动器的特性，有一种富有启发的思路是：当所附电机旋转到工作转速时，它们通常会消耗6～8倍于额定电流的电流，因此，带有DOL起动器的部件可能具有与主泵相似的峰值瞬态幅值。

 

图8：SP0055主泵启动的瞬态电流

 

电表记录的最大平均半小时功率为4.31千瓦（图9）。这与在较低测量频率下工作的电表一致，并且与Hioki设备相比，在较长时间内的功耗趋向了平均水平。这也与在非常低的负载循环下运行的泵一致，因为运行一只主泵15分钟的半小时平均功率约为4.5千瓦。

 

图9：SP0055泵站在 2012年～2017年间的日电力需求。每一行代表一天的数据，较暗的区域显示了许多天的数据重叠的地方，让常规情况下全天的电源需求直观可见。

 

系统对瞬时峰值功率和连续功率的要求，对于确定组件规格（如光伏和存储逆变器）和确保储能系统在瞬态事件中不受损坏至关重要。此外，如果规格确定失当，逆变器或电池管理系统可能会关闭，以防止损坏。如果超过额定功率，将是系统设计的一个缺陷。

 

影响功耗的因素

 

影响整个现场功耗的一个关键因素是污水处理厂的同时运行。如图3所示，如果所有设备同时使用，则有可能产生较大的功耗，然而，即使是较小的意外负载也会极大地改变系统的功耗。图6数据中出现的每日能耗峰值主要是由于现场运行，包括正在使用的电动工具。在设计满足现场需要的可再生能源发电和储存系统时，将现场功耗的这种不确定性纳入考虑至关重要。

 

可再生能源发电和储存系统

 

本文提供的深入系统和历史数据分析可用于制定符合SP0055泵站现场能源和电力要求的可再生能源发电和储存系统规范。

 

这种系统的一个关键考虑因素是安装可再生能源发电和储存装置的主要目是什么。可采用多种运营模式，包括：峰、自发自耗、不间断供电、频率和辅助服务以及需求管理等。每种模式都有特定的发电和存储需求，并以特定方式使用可得资源以优化模式性能。

 

能源安全、韧性以及自发自耗能力已被确定为SP0055泵站所需的关键运行模式。这使得设计决策能够根据这些特定的模式定制系统配置和构成，从而形成一个更高效、更具成本效益的系统。

 

SP0055泵站可再生能源发电和储存系统的限制因素为太阳能光伏板提供了安装空间。SP0055泵站位于公共长廊上，因此安装太阳能光伏电池板的唯一可用空间是在SP0055屋顶上（在其它场地，如果有可用的土地，则可能安装于SPS相邻的独立太阳能光伏电池板）。图10显示了屋顶区域的大致大小，包括存在的障碍物。当考虑到所有障碍物和通道要求时，可用屋顶面积约为35m2。这使得在最佳倾斜角度下使用340瓦光伏电池板时，最大可能发电容量约为7千瓦。

 

 

然而，SP0055泵站所在区域的地方议会法规将倾斜角限制在最佳值的一半以下，这将降低整体发电能力。根据图7所示的数据，在阳光最好的夏季，最大理论发电量为63.61kWh，在最恶劣的阴雨天气，最大理论发电量为1.69kWh。从分析的数据来看，一周中有三天的发电量会低于运营需求。

 

但在所分析的五年数据中，这是一个异常情况。在以完全孤岛运行模式（即完全离网）配置SP0055泵站前，需要进行彻底的风险分析，因为最低日发电能量明显低于平均日需求电量。在完全离网配置中，所连接的能量储存必须足以弥补发电系统的能量短缺，并且需要包括足够的储备，以便在发电能力下降的几天内维持能源供应。

 

理论上的最大发电容量也适用于作为自发/自耗系统运行，根据该系统，SP0055站点将优先由已安装的太阳能光伏发电，其次是由太阳能光伏发电的现场储能，以及仅当这两种电源都不能满足要求时，由电网供电。这种运行模式将大大减少电网用电量，从而降低现场用电成本。仅在这种运行模式下，估计储能容量为10 kWh即可实现性能最大化和资本投资最小化。

 

如导言所述，能源韧性是SP0055可再生能源发电和储存系统的关键目标运行模式，可通过适当选择逆变器和储能资产来实现。大多数太阳能光伏和储能逆变器仅与电网相连，这意味着它们仅在电网供电时运行。这是为了将局部孤岛的风险降至最低。在电网中断的情况下，光伏/储能系统可以将能量反馈到本地网络，从而重新为系统供电并避免安全隐患。选择能够在孤岛模式下安全运行的逆变器和保护设备，将允许在电网断电时不间断地运行SP0055泵站，从而提供能源韧性。

 

对于SP0055泵站，电网中断并非常见现象（在分析的5年数据中没有记录到中断），2016年澳大利亚和新西兰记录的平均停电时间为99分钟[伊顿（2016年）]。因此，额外的7 kWh储能将提供最低储备容量，以满足平均停电时间内现场的最大电力需求。因此，为该运行模式选择实际容量高于7 kWh，是考虑了诸多风险因素，包括：长时间停电的可能性、停电期间的能源需求、停电期间的预期发电能力，将外部发电机运至现场的成本/时间范围、SP0055泵站井的可用存储时间以及其它各种因素。

 

通过使用智能控制算法来分配不同数量的可用储能池，以供自发电/消耗和能量恢复应用，这两种运行模式可以同时实现。这种“价值叠加”是可再生能源发电和储存系统的关键优势之一，为广泛的应用提供了引人注目的技术和资金便利。

 

未完待续

 

 

作者：Jonathan Knott、Danny Sutanto、Kashem.Muttaqi、Duane Robinson、Sean Elphick、Shi Xue Dou、Heriberto Bustamante和Ruben Muller。