電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

張明勛，叢 鵬，劉光輝

（1.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，西藏 拉薩 850000；3.國網(wǎng)西藏電力有限公司拉薩供電公司，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不斷提升，峰谷值問題、供電穩(wěn)定性問題以及可再生能源接入并網(wǎng)問題等日益凸顯。為保證電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定，電能質(zhì)量可靠，儲能技術(shù)得到了推廣應(yīng)用。它在發(fā)電和用電負荷間起到解藕與緩沖作用，維持系統(tǒng)發(fā)電與用電負荷基本平衡，以滿足用戶高質(zhì)量用電的需求[1]。

1 儲能技術(shù)概述

1.1 儲能技術(shù)的提出

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)綜合負荷增加且結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，面臨的挑戰(zhàn)主要有：電力負荷峰谷差較大；可再生能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求[2]；用戶對電能質(zhì)量的要求提高；電力系統(tǒng)需具備一定的自恢復(fù)能力，在大電網(wǎng)事故后可以快速恢復(fù)正常運行；電力系統(tǒng)提出節(jié)能減排和降低損耗等要求。

上述各種問題交錯影響，整個電力系統(tǒng)面臨著復(fù)雜的運行環(huán)境，如何有效應(yīng)對各種新挑戰(zhàn)成為現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展必須關(guān)注的問題。因此，本文主要從儲能技術(shù)的運用和發(fā)展角度展開分析，實現(xiàn)用戶側(cè)管理需求，消除峰谷差，支持可再生能源的利用與發(fā)展，切實改善電能質(zhì)量。

1.2 儲能技術(shù)類型

儲能指的是使用某種介質(zhì)將電能以同種或另外一種電能形式存儲起來，并根據(jù)實際需求將能量以特定形式釋放出來，實現(xiàn)能量的自由存儲和功率的雙向流動。傳統(tǒng)電網(wǎng)“發(fā)、輸、變、配、用”基本同一時間完成，對此必須維持好各環(huán)節(jié)功率平衡，具有“剛性”特點。儲能系統(tǒng)可為電網(wǎng)增加一個儲能環(huán)節(jié)，實現(xiàn)能量的自由存儲和釋放，屬于“柔性”系統(tǒng)，及時吸收多余功率并補償功率缺額，增強電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

根據(jù)不同的能量儲存類型和功能，可將儲能技術(shù)分為以下幾種，具體如表1所示。其中，化學(xué)儲能主要是利用不同的電池儲能，響應(yīng)時間短，效率高，壽命長且應(yīng)用潛力大。

表1 儲能技術(shù)類型

2 電力系統(tǒng)電池儲能技術(shù)及其性能分析

2.1 電池儲能技術(shù)原理

電池儲能技術(shù)（BESS）是將電能存儲在蓄電池內(nèi)，是一種成熟的儲能方法，具有經(jīng)濟、潔能、高效以及壽命長等諸多優(yōu)勢?；谖覈娏ο到y(tǒng)的發(fā)展，BESS的應(yīng)用前景廣闊。電池儲能的基本構(gòu)成如圖1所示，主要包括電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括PID控制、反饋線性化控制、自適應(yīng)控制以及智能控制等[3]。

圖1 電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 幾種典型儲能電池性能

電化學(xué)電池包括鋰離子、鎳氫、鉛酸、鈉硫以及液流等多種形式，具體性能數(shù)據(jù)如表2所示。

結(jié)合表2可知，鋰離子電池和鎳氫電池最具發(fā)展前景，尤其是鋰離子電池，重量小，體積小，能量密度高，且綜合循環(huán)效率高。從國內(nèi)鋰離子電池的使用情況來看[4]，主要有3大主流路線，分別為磷酸鐵鋰體系、三元體系以及鈦酸鋰體系。其中，磷酸鐵鋰電池最有發(fā)展前景，不僅性能優(yōu)越，而且價格相對較低，可實現(xiàn)完全可逆，適合大型儲能系統(tǒng)，可用于削峰填谷、接入可再生能源以及調(diào)節(jié)電能質(zhì)量等方面。

3 實例探析電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于分析可知，鋰離子電池儲能在電力系統(tǒng)中的運用前景廣闊，下文將圍繞某調(diào)峰調(diào)頻鋰離子電池儲能電站展開詳細分析。

3.1 工程概況

本項目為4 MW·h/16 MW·h調(diào)峰調(diào)頻鋰離子電池儲能電站，采用3.456萬只磷酸鐵鋰電池。儲能電站由電池、能量轉(zhuǎn)換、電池管理以及監(jiān)控系統(tǒng)組成，將2段10 kV電纜接入110 kV電網(wǎng)變電站的2段母線，提供調(diào)頻、調(diào)壓以及孤島運行等功能。

3.2 電池儲能系統(tǒng)組成

本項目為兆瓦級儲能電站，電池數(shù)量超過3萬只，需以串并結(jié)合的方式成組，極易出現(xiàn)環(huán)流和充放電不均衡情況，可采用以下處理方法進行解決。

表2 幾種典型儲能電池性能數(shù)據(jù)

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用拓撲結(jié)構(gòu)，防止因電池組并聯(lián)引起不可控環(huán)流。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括分組接入單級式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和分組接入雙級式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2種。分組接入單級式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）電站采用基于IEC 61850的監(jiān)控系統(tǒng)，全站信息點共約45萬。監(jiān)測內(nèi)容包括電池單體的電壓、溫度以及告警信號等，監(jiān)控數(shù)據(jù)量大且要求高。IEC 61850模型中的邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點如圖3所示。

3.3 儲能電站應(yīng)用策略

3.3.1 協(xié)調(diào)策略

本鋰離子電池儲能電站接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的110 kV變電站，具有削峰填谷、孤島運行、系統(tǒng)調(diào)頻以及調(diào)壓等功能。因此，需協(xié)調(diào)控制上述功能，具體協(xié)調(diào)內(nèi)容主要包括日常運行和事故運行，具體控制策略如圖4所示。

圖2 分組接入單級式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)拓撲

圖3 IEC 61850的邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點

圖4 各運行模式協(xié)調(diào)策略

3.3.2 示范工程運行情況

儲能電站投入運行以來，主要運行結(jié)果如表3所示。相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，通過使用儲能電站，主變峰谷差降低10%。

表3 儲能電站投入運行效果

4 結(jié) 論

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，人們對儲能產(chǎn)業(yè)提出了更高要求，為其帶來了巨大的發(fā)展機遇。因此，需將儲能技術(shù)的研發(fā)作為重點來抓，加大資金投入，不斷提高儲能系統(tǒng)的運用性能[5]。以電池儲能技術(shù)的研究為例，需進一步加強對電池、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及大功率器件的獨立研究，靈活應(yīng)對不同的應(yīng)用場景，促使我國儲能產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。