供電能力的儲能系統集成技術探析范文

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《電氣開關雜志》2016年第5期

摘要:

本文介紹了一種鋰離子電池儲能系統集成技術。該技術用以將電池儲能系統集成于儲能電站內，應用在農村、海島等網架結構薄弱的地區，提高供電能力。儲能系統作為一種重要的分布式電源，目前在電網削峰填谷、新能源接入、電能質量改善和應急電源等方面發揮著積極的作用。

關鍵詞:

儲能;集成;鋰離子電池;供電能力

1引言

配電網直接面向用戶，擔負分配電能和服務客戶的重要任務。配電網分布廣泛、構成復雜、影響面廣，其供電能力、供電可靠性和供電質量對經濟社會影響巨大。農村、山區、海島等配電網末端由于網架結構薄弱，常常存在季節性和時段性負荷波動造成的供電能力不足、電能質量較差、供電可靠性低的問題。以我國東南沿海的福建省為例，閩東南沿海有大量海島，位于配網末端的用戶由于受地形等地理條件限制，供電可靠性較低，且每逢臺風、凍雨等自然災害，配網故障較平常多，常常失去主網電源，加上受地形限制，配電網搶修工作極為不便，難以短時間恢復供電，易造成“大面積停電”。目前應對這類問題的主要方法有:繼續加大改造力度，增加電源點，縮短供電半徑，提高供電可靠性;裝設無功補償裝置和有載調壓裝置等。但這些措施在實際操作上也存在很多問題。首先，負載率低的用戶負荷廣泛存在，對供電設施以及網架結構進行全面改造經濟上不合算，同時也將進一步減小設備利用率;而無功補償和有載調壓只能在一定程度穩定節點電壓，調節能力和范圍有限。針對以上問題本文引入儲能技術，儲能系統作為一種重要的分布式電源，目前在電網削峰填谷、新能源接入、電能質量改善和應急電源等方面發揮著積極的作用［1－2］。根據用戶在不同時段用電需求及用電特征，儲能系統可以在用電低谷時期充電，并在日間根據用戶負荷的實時需求進行放電，作為供電電源增大就地的供電能力，并在不同空間和時間內對儲能設備調配，達到資源整合和充分利用的目的。因此，儲能技術的引入，對于改善用電負載率極低的負荷地區的供電，以及提高特殊時段內特別負荷的電能質量和供電可靠性，具有極大的意義。隨著現代社會日益增長的能源需求和環境污染的加劇，人們在解決問題的同時，促進了可再生能源分布式發電系統的快速發展［3］。雖然在許多方面分布式發電系統有著無可比擬的優勢，但其大量入網，帶來的問題也不可忽視，通常表現為電壓偏差、電壓波動、諧波和直流偏磁、故障電流和孤島運行。而采用儲能系統由于可以存儲大量的能量，則可以控制分布式發電系統輸出的有功功率。儲能系統作為分布式發電系統必要的能量緩沖環節，其作用越來越重要。

2儲能系統集成技術

儲能系統是將能量轉換裝置與儲能電池組配套，連接于電池組與電網之間，把電網電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網的系統，主要由儲能單元、電池管理系統(BMS)、儲能變流器系統(PCS)、測控單元、后臺監控單元、開關設備等組成，后臺監控單元與配電網調度通信，實現對儲能系統的優化調度及運行控制［4］，如圖1所示。

2.1儲能單元技術

目前，儲能系統的發展趨勢是大容量、高效率、長壽命、低成本、高可靠性以及智能化。目前使用的儲能類型有:物理儲能，包括飛輪儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能;化學儲能，包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、超級電容器;電磁儲能，包括超導儲能等。而應用最多的為化學儲能，如鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。根據表1綜合比較鋰離子電池和鉛酸電池各方面特點，鋰離子電池的能量密度大、功率密度大、壽命為鉛酸的十倍以上，雖鉛酸電池的成本更低，但相同的容量條件下，鋰離子電池的重量更輕，體積更小，更有利于集成在儲能電站內。隨著鋰離子電池單位容量價格持續下降，已逐漸成為主流。國內外針對電池儲能系統的研究，尤其是大容量鋰電池儲能系統，還處在初步研究和試驗階段。其中，從2008年11月起，美國A123Systems公司與AES公司合作，2009年在其電網中安裝多個柜式儲能系統，主要作用是為電力系統提供多種輔助服務，并于2011年9月開發出2MW的柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統。我國對鋰離子電池的應用開發也十分重視，早在80年代初期，就開始了對鋰離子電池的開發研制工作，在國內各單位的共同努力下，取得了一定的成果?？傊?，開發適用于儲能要求的低成本、長壽命專用儲能電池，既是電池產業可持續發展的需要，也是市場發展的要求。隨著電源技術的發展，以及人們對于高功率，高頻率，低電壓電源系統的需求，在實際應用中，一臺集中式的直流穩壓電源系統的輸出功率，電流，電壓等往往不能滿足負載需求，為了滿足這種負載需求，需要重新開發、設計、生產這種滿足參數的直流穩壓電源系統，從而使電源的成本加大，不能實現資源合理利用。在實際應用中，往往將一定相同或相似規格的電源模塊，按照積木式的方式串聯或者并聯起來，然后通過相應的銜接方式，形成模塊化電源系統，使整個電源系統的輸出功率、電壓、電流得到擴展，達到負載需求。

2.2雙向儲能變流器系統技術

雙向儲能變流器系統(PCS)是與儲能電池組配套，連接于電池組與電網之間，把電網電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網的產品。儲能變流器系統包括微型斷路器、電流互感器、隔離變壓器、儲能變流器這4個部分。進入20世紀90年代，新型大功率電力電子器件的發展及性能的提高以及計算機技術的發展，使得高電壓、大功率PCS裝置的生產及應用成為現實。將PEBB(powerelectronicbuildingblock)技術應用到變流器中，構造基于PEBB模塊的變流器，可以克服上述一系列缺點，使變流器的可靠性有很大的提高。目前高壓大容量PCS裝置不像低壓小容量PCS裝置那樣具有較成熟的一致性的主電路拓撲結構。限于功率器件的電壓耐量和高壓實用條件的矛盾，不同設備制造廠家的PCS裝置采用不同的功率器件和不同的主電路拓撲結構，以適應不同的電壓等級和滿足各種不同的應用需求。大容量儲能系統PCS裝置要求能匹配不同的儲能類型接入，滿足電網多種應用需求，具備并網及離網運行以及并/離網自動切換功能，并網模式下，要求逆變器具有高的輸出功率因數，低的進網電流總諧波畸變率，并具備孤島保護功能;在離網模式下要求對于不同負載有良好的輸出外特性;此外，模式間的切換過程應過渡平滑，不能有電壓、電流沖擊。PCS裝置可采用一級變換拓撲結構和兩級變換拓撲結構。一級變換拓撲結構主要由交流側LCL濾波器、雙向AC/DC變流器、直流側CL濾波器組成。其優點是電路結構簡單，能量轉換效率高，整體系統損耗小，控制系統簡單，易于和上級監控系統接口并實現各種高級控制策略;缺點是電池側接入電池電壓范圍窄，增加電池串聯成組難度，交流側或直流側出現故障時，電池側會短時承受沖擊電流，降低電池使用壽命。兩級變換拓撲結構主要由交流側LCL濾波器、雙向AC/DC變流器、直流電容、雙向DC/DC變流器組成。其優點是直流側不需要復雜的LC濾波器，電池側接入電池電壓范圍寬，降低了電池串聯成組難度，交流側或直流側出現故障時，因存在DC/DC電路環節，可有效保護電池，避免電池承受沖擊電流，延長電池使用壽命;缺點是電路結構相對復雜簡單，能量轉換效率稍低、整體系統損耗稍大，控制系統復雜。為了趕上世界儲能技術的發展步伐，目前我國正在積極研發各種先進的PSC裝置電路拓撲及控制技術研究。華北電力大學開展了基于兩級變換拓撲的PSC裝置控制技術研究，并應用到超級電容儲能系統中;清華大學開展了基于公共直流母線鏈式儲能系統的電路拓撲和控制方法研究;同濟大學開展了應用于儲能系統中的雙向DC/DC控制技術研究;華中科技大學開展了PSC裝置的單機拓撲及系統拓撲研究，并同時進行了單機控制技術及多機并聯運行控制技術的研究。

2.3儲能系統監控技術

儲能電池管理系統用以滿足儲能系統要求的工作電壓、輸出功率、容量、運行周期等要求具有多種功能:檢測功能，檢測電池堆的充放電電流和電池堆電壓;計算功能，接收電池柜的SOC數據，計算系統的SOC;保護功能，系統異常時，發送指令給PCS進行相應的保護動作;熱管理，根據電池的溫度或溫差開啟或關閉系統的散熱風機;記錄系統的概要數據，報警信息以及歷史數據等。儲能系統監控實現電池管理系統與變流監控系統、電池監控系統、儲能監控系統之間可靠的通信。監控與保護技術方面，國內在抽水蓄能的電站監控方面已經做得比較成熟，相關的標準規范等也比較齊全，而化學儲能電站的監控在國內還很少，尚未形成統一的標準規范等。國內外雖然已經有MW級別大規模鋰電池、液流電池等儲能電站示范工程投入試用，但在配電網末端儲能電站監控及保護方面的研究尚在探索中。

3儲能系統的工作流程

含雙向逆變器的儲能系統，既能工作在充電狀態，即電網在用電低峰時向儲能系統進行充電，也可工作在放電狀態，即用電高峰時儲能系統向電網輸送電能，起到對電網削峰填谷、改善電能質量以及提供應急電源等作用。隨著電網技術的不斷發展，新能源的優勢日益顯現，在未來新能源必將成為電網的重要組成部分，儲能系統作為分布式發電系統必要的能量緩沖環節，平滑功率曲線，尤其是對于風電等間歇性可再生能源的接納問題，其作用越來越重要。儲能系統的工作流程如圖4所示，儲能系統充電時，變壓器將電網高壓交流電降壓為低壓交流電，輸出到變流器交流側，變流器將低壓交流電整流為直流電，從直流側輸出給儲能電池組，儲能電池組再將其轉化為化學能存儲在電池當中;儲能系統放電時，儲能電池組將化學能轉化為直流電，輸入到變流器直流側，變流器將直流電逆變為低壓交流電，從交流側輸出到變壓器，變壓器將低壓交流電升壓為高壓交流電并入電網。

4儲能系統運行工作模式

儲能系統存在兩種典型的運行模式:正常情況下儲能系統與常規配電網并網運行，稱為并網模式，在該模式下，儲能系統可以根據上級配電網調度指令或者以接入點電壓為控制目標，發出有功和無功功率，起到削峰填谷和穩定節點電壓水平的作用;當檢測到電網故障不滿足要求時，儲能系統將及時與電網斷開而獨立運行，稱為離網模式，起到應急電源的作用。離網運行時，對儲能系統與配電網其他設備進行協調控制，儲能系統將和部分負荷組成單個或多個微電網脫離大電網獨立運行。通過集中監控系統對斷路器進行投切，還可實現對儲能系統并離網的快速切換。

4.1并網控制理論

根據有功和無功指令，PCS按照PQ控制策略實現有功、無功功率控制，通過坐標變換將三相靜止坐標系中的基波正弦變量變換成為同步旋轉坐標系中的直流分量，實現整流器輸入有功和無功的解耦控制。當電壓低于正常電壓范圍時，通過提高儲能系統的功率輸出，提高供電系統末端電壓;反之，當電壓高于正常電壓范圍，通過加大儲能系統功率吸收，降低供電系統末端電壓。因此，通過合理控制策略可以實現儲能系統解決供電系統末端電壓支撐不足的問題。

4.2離網控制理論

儲能系統獨立給負荷供電或儲能系統在微網中做主電源運行時，要為負荷提供電壓和頻率支撐，維持微網電壓和頻率的穩定，一般采取定電壓和定頻率控制策略(V/F控制)。集中控制器為多臺并聯PCS提供標準微網電壓相位參考信號，通過參考信號可以實現多臺并聯PCS輸出相同的電壓頻率和相位;根據采集負荷總電流以及各臺PCS支路電流信號，調整每臺PCS輸出電壓幅值，實現對各臺PCS均流控制。

5結語

儲能技術及其在電力系統中的應用是近年來國內外的研究熱點之一，許多發達國家都十分重視，在大容量電力儲能技術的基礎上，對其在配電網削峰填谷、提高供電可靠性、緩建輸配電線路等方面的應用開展多方面的研究工作，并實施了相應的示范工程。國內多所高校和科研院所等也相繼開展了儲能系統及其提高配電網供電能力的相關研究。中國電科院在儲能系統用于分布式電源及微電網的容量配置、系統集成及運行控制等方面做了大量的研究工作;此外，在張北儲能試驗基地，針對儲能系統平滑風電出力波動開展了大量的試驗研究，為儲能系統提高配電網末端供電能力的研究奠定了很好的理論和實踐基礎。國網電科院對儲能系統接入及并離網運行控制技術關鍵技術進行了深入研究;北京交通大學在電動汽車儲能技術及電池的充放電管理方面取得了一定的成果;華中科技大學、浙江大學等在飛輪儲能技術方面進行了研究都建立了相應的儲能技術實驗室，在儲能變流器控制技術方面做了些研究。隨著新能源的普及與發展，儲能系統的作用將日益顯現。

參考文獻：

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作者:俞漂方 張孔林 蔡金錠 單位:福州大學電氣工程與自動化學院 福建省電力有限公司技術中心 福建省電力有限公司電力科學研究院