基于提高供電能力的儲能系統(tǒng)集成技術(shù)

俞漂方，張孔林，蔡金錠

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 閩侯 350108； 2.福建省電力有限公司技術(shù)中心,福建 福州 350007；3.福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 3530007；)

基于提高供電能力的儲能系統(tǒng)集成技術(shù)

俞漂方1，2，張孔林3，蔡金錠1

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 閩侯 350108； 2.福建省電力有限公司技術(shù)中心,福建 福州 350007；3.福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 3530007；)

本文介紹了一種鋰離子電池儲能系統(tǒng)集成技術(shù)。該技術(shù)用以將電池儲能系統(tǒng)集成于儲能電站內(nèi)，應(yīng)用在農(nóng)村、海島等網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的地區(qū)，提高供電能力。儲能系統(tǒng)作為一種重要的分布式電源，目前在電網(wǎng)削峰填谷、新能源接入、電能質(zhì)量改善和應(yīng)急電源等方面發(fā)揮著積極的作用。

儲能；集成；鋰離子電池；供電能力

1 引言

配電網(wǎng)直接面向用戶，擔負分配電能和服務(wù)客戶的重要任務(wù)。配電網(wǎng)分布廣泛、構(gòu)成復(fù)雜、影響面廣，其供電能力、供電可靠性和供電質(zhì)量對經(jīng)濟社會影響巨大。

農(nóng)村、山區(qū)、海島等配電網(wǎng)末端由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，常常存在季節(jié)性和時段性負荷波動造成的供電能力不足、電能質(zhì)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(wǎng)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(zāi)害，配網(wǎng)故障較平常多，常常失去主網(wǎng)電源，加上受地形限制，配電網(wǎng)搶修工作極為不便，難以短時間恢復(fù)供電，易造成“大面積停電”。

目前應(yīng)對這類問題的主要方法有：繼續(xù)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(shè)無功補償裝置和有載調(diào)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(shè)施以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行全面改造經(jīng)濟上不合算，同時也將進一步減小設(shè)備利用率；而無功補償和有載調(diào)壓只能在一定程度穩(wěn)定節(jié)點電壓，調(diào)節(jié)能力和范圍有限。

針對以上問題本文引入儲能技術(shù)，儲能系統(tǒng)作為一種重要的分布式電源，目前在電網(wǎng)削峰填谷、新能源接入、電能質(zhì)量改善和應(yīng)急電源等方面發(fā)揮著積極的作用[1-2]。根據(jù)用戶在不同時段用電需求及用電特征，儲能系統(tǒng)可以在用電低谷時期充電，并在日間根據(jù)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(nèi)對儲能設(shè)備調(diào)配，達到資源整合和充分利用的目的。因此，儲能技術(shù)的引入，對于改善用電負載率極低的負荷地區(qū)的供電，以及提高特殊時段內(nèi)特別負荷的電能質(zhì)量和供電可靠性，具有極大的意義。

隨著現(xiàn)代社會日益增長的能源需求和環(huán)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(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展[3]。雖然在許多方面分布式發(fā)電系統(tǒng)有著無可比擬的優(yōu)勢，但其大量入網(wǎng)，帶來的問題也不可忽視，通常表現(xiàn)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(tǒng)由于可以存儲大量的能量，則可以控制分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率。儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來越重要。

2 儲能系統(tǒng)集成技術(shù)

儲能系統(tǒng)是將能量轉(zhuǎn)換裝置與儲能電池組配套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)的系統(tǒng)，主要由儲能單元、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲能變流器系統(tǒng)(PCS)、測控單元、后臺監(jiān)控單元、開關(guān)設(shè)備等組成，后臺監(jiān)控單元與配電網(wǎng)調(diào)度通信，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度及運行控制[4]，如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)原理圖

2.1 儲能單元技術(shù)

目前，儲能系統(tǒng)的發(fā)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(xué)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(dǎo)儲能等。而應(yīng)用最多的為化學(xué)儲能，如鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。根據(jù)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(nèi)。隨著鋰離子電池單位容量價格持續(xù)下降，已逐漸成為主流。

表1 鋰離子電池與鉛酸電池的對比

國內(nèi)外針對電池儲能系統(tǒng)的研究，尤其是大容量鋰電池儲能系統(tǒng)，還處在初步研究和試驗階段。其中，從2008年11月起，美國A123 Systems公司與AES公司合作，2009年在其電網(wǎng)中安裝多個柜式儲能系統(tǒng)，主要作用是為電力系統(tǒng)提供多種輔助服務(wù)，并于2011年9月開發(fā)出2MW的柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)。我國對鋰離子電池的應(yīng)用開發(fā)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(fā)研制工作，在國內(nèi)各單位的共同努力下，取得了一定的成果?？傊_發(fā)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(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是市場發(fā)展的要求。

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，以及人們對于高功率，高頻率，低電壓電源系統(tǒng)的需求，在實際應(yīng)用中，一臺集中式的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)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(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)這種滿足參數(shù)的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，從而使電源的成本加大，不能實現(xiàn)資源合理利用。在實際應(yīng)用中，往往將一定相同或相似規(guī)格的電源模塊，按照積木式的方式串聯(lián)或者并聯(lián)起來，然后通過相應(yīng)的銜接方式，形成模塊化電源系統(tǒng)，使整個電源系統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)

雙向儲能變流器系統(tǒng)(PCS)是與儲能電池組配套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)的產(chǎn)品。儲能變流器系統(tǒng)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(fā)展及性能的提高以及計算機技術(shù)的發(fā)展，使得高電壓、大功率PCS裝置的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。將PEBB(power electronic building block)技術(shù)應(yīng)用到變流器中，構(gòu)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(jié)構(gòu)。限于功率器件的電壓耐量和高壓實用條件的矛盾，不同設(shè)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(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的電壓等級和滿足各種不同的應(yīng)用需求。大容量儲能系統(tǒng)PCS裝置要求能匹配不同的儲能類型接入，滿足電網(wǎng)多種應(yīng)用需求，具備并網(wǎng)及離網(wǎng)運行以及并/離網(wǎng)自動切換功能，并網(wǎng)模式下，要求逆變器具有高的輸出功率因數(shù)，低的進網(wǎng)電流總諧波畸變率，并具備孤島保護功能；在離網(wǎng)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(yīng)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(jié)構(gòu)和兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)。一級變換拓撲結(jié)構(gòu)主要由交流側(cè)LCL濾波器、雙向AC/DC變流器、直流側(cè)CL濾波器組成。其優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高，整體系統(tǒng)損耗小，控制系統(tǒng)簡單，易于和上級監(jiān)控系統(tǒng)接口并實現(xiàn)各種高級控制策略；缺點是電池側(cè)接入電池電壓范圍窄，增加電池串聯(lián)成組難度，交流側(cè)或直流側(cè)出現(xiàn)故障時，電池側(cè)會短時承受沖擊電流，降低電池使用壽命。

圖2 PCS一級變換拓撲結(jié)構(gòu)圖

兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)主要由交流側(cè)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(yōu)點是直流側(cè)不需要復(fù)雜的LC濾波器，電池側(cè)接入電池電壓范圍寬，降低了電池串聯(lián)成組難度，交流側(cè)或直流側(cè)出現(xiàn)故障時，因存在DC/DC電路環(huán)節(jié)，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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜簡單，能量轉(zhuǎn)換效率稍低、整體系統(tǒng)損耗稍大，控制系統(tǒng)復(fù)雜。

為了趕上世界儲能技術(shù)的發(fā)展步伐，目前我國正在積極研發(fā)各種先進的PSC裝置電路拓撲及控制技術(shù)研究。華北電力大學(xué)開展了基于兩級變換拓撲的PSC裝置控制技術(shù)研究，并應(yīng)用到超級電容儲能系統(tǒng)中；清華大學(xué)開展了基于公共直流母線鏈式儲能系統(tǒng)的電路拓撲和控制方法研究；同濟大學(xué)開展了應(yīng)用于儲能系統(tǒng)中的雙向DC/DC控制技術(shù)研究；華中科技大學(xué)開展了PSC裝置的單機拓撲及系統(tǒng)拓撲研究，并同時進行了單機控制技術(shù)及多機并聯(lián)運行控制技術(shù)的研究。

圖3 PCS兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.3 儲能系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

儲能電池管理系統(tǒng)用以滿足儲能系統(tǒng)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(shù)據(jù)，計算系統(tǒng)的SOC；保護功能，系統(tǒng)異常時，發(fā)送指令給PCS進行相應(yīng)的保護動作；熱管理，根據(jù)電池的溫度或溫差開啟或關(guān)閉系統(tǒng)的散熱風機；記錄系統(tǒng)的概要數(shù)據(jù)，報警信息以及歷史數(shù)據(jù)等。儲能系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與變流監(jiān)控系統(tǒng)、電池監(jiān)控系統(tǒng)、儲能監(jiān)控系統(tǒng)之間可靠的通信。

監(jiān)控與保護技術(shù)方面，國內(nèi)在抽水蓄能的電站監(jiān)控方面已經(jīng)做得比較成熟，相關(guān)的標準規(guī)范等也比較齊全，而化學(xué)儲能電站的監(jiān)控在國內(nèi)還很少，尚未形成統(tǒng)一的標準規(guī)范等。國內(nèi)外雖然已經(jīng)有MW級別大規(guī)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(wǎng)末端儲能電站監(jiān)控及保護方面的研究尚在探索中。

3 儲能系統(tǒng)的工作流程

含雙向逆變器的儲能系統(tǒng)，既能工作在充電狀態(tài)，即電網(wǎng)在用電低峰時向儲能系統(tǒng)進行充電，也可工作在放電狀態(tài)，即用電高峰時儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送電能，起到對電網(wǎng)削峰填谷、改善電能質(zhì)量以及提供應(yīng)急電源等作用。隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，在未來新能源必將成為電網(wǎng)的重要組成部分，儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，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(tǒng)的工作流程如圖4所示，儲能系統(tǒng)充電時，變壓器將電網(wǎng)高壓交流電降壓為低壓交流電，輸出到變流器交流側(cè)，變流器將低壓交流電整流為直流電，從直流側(cè)輸出給儲能電池組，儲能電池組再將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲在電池當中；儲能系統(tǒng)放電時，儲能電池組將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電，輸入到變流器直流側(cè)，變流器將直流電逆變?yōu)榈蛪航涣麟?，從交流?cè)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(wǎng)。

圖4 儲能系統(tǒng)的工作流程圖

4 儲能系統(tǒng)運行工作模式

儲能系統(tǒng)存在兩種典型的運行模式：正常情況下儲能系統(tǒng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為并網(wǎng)模式，在該模式下，儲能系統(tǒng)可以根據(jù)上級配電網(wǎng)調(diào)度指令或者以接入點電壓為控制目標，發(fā)出有功和無功功率，起到削峰填谷和穩(wěn)定節(jié)點電壓水平的作用；當檢測到電網(wǎng)故障不滿足要求時，儲能系統(tǒng)將及時與電網(wǎng)斷開而獨立運行，稱為離網(wǎng)模式，起到應(yīng)急電源的作用。離網(wǎng)運行時，對儲能系統(tǒng)與配電網(wǎng)其他設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制，儲能系統(tǒng)將和部分負荷組成單個或多個微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)獨立運行。通過集中監(jiān)控系統(tǒng)對斷路器進行投切，還可實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)并離網(wǎng)的快速切換。

4.1 并網(wǎng)控制理論

根據(jù)有功和無功指令，PCS按照PQ控制策略實現(xiàn)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(zhuǎn)坐標系中的直流分量，實現(xiàn)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(tǒng)的功率輸出，提高供電系統(tǒng)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(tǒng)功率吸收，降低供電系統(tǒng)末端電壓。因此，通過合理控制策略可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)解決供電系統(tǒng)末端電壓支撐不足的問題。

4.2 離網(wǎng)控制理論

儲能系統(tǒng)獨立給負荷供電或儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)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(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)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(lián)PCS提供標準微網(wǎng)電壓相位參考信號，通過參考信號可以實現(xiàn)多臺并聯(lián)PCS輸出相同的電壓頻率和相位；根據(jù)采集負荷總電流以及各臺PCS支路電流信號，調(diào)整每臺PCS輸出電壓幅值，實現(xiàn)對各臺PCS均流控制。

5 結(jié)語

儲能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是近年來國內(nèi)外的研究熱點之一，許多發(fā)達國家都十分重視，在大容量電力儲能技術(shù)的基礎(chǔ)上，對其在配電網(wǎng)削峰填谷、提高供電可靠性、緩建輸配電線路等方面的應(yīng)用開展多方面的研究工作，并實施了相應(yīng)的示范工程。國內(nèi)多所高校和科研院所等也相繼開展了儲能系統(tǒng)及其提高配電網(wǎng)供電能力的相關(guān)研究。中國電科院在儲能系統(tǒng)用于分布式電源及微電網(wǎng)的容量配置、系統(tǒng)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(tǒng)平滑風電出力波動開展了大量的試驗研究，為儲能系統(tǒng)提高配電網(wǎng)末端供電能力的研究奠定了很好的理論和實踐基礎(chǔ)。國網(wǎng)電科院對儲能系統(tǒng)接入及并離網(wǎng)運行控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究；北京交通大學(xué)在電動汽車儲能技術(shù)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(xué)、浙江大學(xué)等在飛輪儲能技術(shù)方面進行了研究都建立了相應(yīng)的儲能技術(shù)實驗室，在儲能變流器控制技術(shù)方面做了些研究。隨著新能源的普及與發(fā)展，儲能系統(tǒng)的作用將日益顯現(xiàn)。

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Integrated Technology of Energy Storing System Based on Enhancing the Power Supply Capacity

YUPiao-fang1,2,ZHANGKong-lin3,GAIJin-ding1

(1.College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University,Minhou 350108,China;2.Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Techrology Centre,Fuzhou 350007,China3.Fujian Electric Power Science and Research Institute of Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 353007,China;)

This paper introduces an integration technology of Lithium-ion battery energy storing system.This technology integrating the battery energy storing system in a power station can be applied to a weak grid structure area such as rural or island to enhance the power supply capacity.As an important distributed generation energy storing system currently plays an active role in the peak load shifting,new energy accessing,power quality improving and emergency power and so on.Key words：energy storing;integration;Lithium-ion battery;power supply capacity

1004-289X(2016)05-0001-04

TM71

B