移動(dòng)式儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景探析

江卓， 夏向陽(yáng)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

當(dāng)前新能源發(fā)電、微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)等應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中也出現(xiàn)了很多新問題，要重點(diǎn)解決電力系統(tǒng)振蕩后穩(wěn)定性問題，提高電能質(zhì)量與供電可靠性，確保工業(yè)用戶用電成本有效降低。移動(dòng)式儲(chǔ)能電站雖然容量不大，但卻擁有位置靈活、反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，可以用于應(yīng)急電源，在穩(wěn)定電網(wǎng)等方面應(yīng)用潛力巨大。

1 移動(dòng)式儲(chǔ)能電站特點(diǎn)分析

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在輸變電、電網(wǎng)發(fā)電上應(yīng)用價(jià)值很大，其中固定式儲(chǔ)備電站容量通常很大，典型功率基本上超過(guò)了1 MW，可運(yùn)行數(shù)小時(shí)，在發(fā)電、輸電和變電等環(huán)節(jié)應(yīng)用[1]。在接入發(fā)電時(shí)能夠顯著提升大規(guī)模風(fēng)、光發(fā)電安全并網(wǎng)運(yùn)行能力；在接入輸電側(cè)，可以讓電能得到高效利用，為輸電過(guò)程穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)，減少資金上的投入。變電側(cè)主要具備削峰填谷的作用，避免負(fù)荷失衡，讓供電環(huán)節(jié)不會(huì)發(fā)生峰谷差現(xiàn)象。由于系統(tǒng)涉及儲(chǔ)能電池、電能管理和功率轉(zhuǎn)換等部分，并在能量管理系統(tǒng)中有效調(diào)度控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，容量通常很小，具有位置靈活、移動(dòng)方便和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝操作也很簡(jiǎn)單，能夠快速響應(yīng)，在可靠性與安全性上有保障。圖1所示為移動(dòng)式儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)和微電網(wǎng)示意圖。配電網(wǎng)末端能夠保證供電穩(wěn)定性與可靠性，在微電網(wǎng)中移動(dòng)式儲(chǔ)能電站可以與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，保證電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定[2]。移動(dòng)式儲(chǔ)能電站還具備應(yīng)急電源功能，為重要負(fù)荷備用電源。

圖1 移動(dòng)式儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)和微電網(wǎng)示意圖

2 移動(dòng)式儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)分類

移動(dòng)式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)詳見圖2，該系統(tǒng)利用特定裝置或物理介質(zhì)以多種方式儲(chǔ)存各種形式能量?，F(xiàn)階段大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用水平還不能達(dá)到電力系統(tǒng)需求，而適合新能源接入應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及電化學(xué)儲(chǔ)能等。其中抽水蓄能技術(shù)較為成熟，其他儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，而鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展速度很快，發(fā)展?jié)摿^大，應(yīng)用前景也很廣闊[3]。對(duì)移動(dòng)式儲(chǔ)能電站來(lái)說(shuō)，常用儲(chǔ)能方法包括鉛酸電池、鉛碳電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池和飛輪儲(chǔ)能等。移動(dòng)式鋰電池技術(shù)的發(fā)展能有效帶動(dòng)其他領(lǐng)域技術(shù)更新與升級(jí)。

圖2 移動(dòng)式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.2 電池管理系統(tǒng)

當(dāng)前在大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中采用鋰離子電池為儲(chǔ)能載體，突出問題是電池成組設(shè)計(jì)后，相比于電池單體在安全性能、使用壽命上有所降低，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)電池燃燒或爆炸等情況，其原因是電池性能方面差異非常顯著[4]。特別是單個(gè)電池在性能上不同，容量小的電池充電時(shí)極易發(fā)生過(guò)充的現(xiàn)象，放電中也產(chǎn)生過(guò)放問題，對(duì)電池造成嚴(yán)重破壞。單體鋰電池過(guò)充/放電，將大幅提高內(nèi)阻，系統(tǒng)安全與壽命都會(huì)受到影響。小容量電池最先出現(xiàn)損壞，會(huì)降低容量并增大內(nèi)阻，長(zhǎng)期使用中會(huì)造成全部電池在性能上越來(lái)越差。一般來(lái)說(shuō)電池通過(guò)上萬(wàn)個(gè)單體電池串并形成，能滿足系統(tǒng)容量方面的要求，通常情況下要達(dá)到100 kW/15 min。系統(tǒng)中串聯(lián)了64個(gè)電池模塊，各電池模塊有8個(gè)電池單體，電壓最高為900 V。為提高整組電池效果，既要維持單體電池電性能不變，同時(shí)必須注意加大電池管控力度，確保大容量電池組始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要設(shè)置電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度、電池荷電、電池健康等，以提高蓄電池充放電過(guò)程中的安全性。發(fā)生問題時(shí)能報(bào)警，便于及時(shí)采取處理措施，優(yōu)化控制蓄電池運(yùn)行，提高其安全性、可靠性和穩(wěn)定性。電池管理系統(tǒng)直接影響著儲(chǔ)能效果，關(guān)系著整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。

2.3 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在電池儲(chǔ)能載體與電網(wǎng)交互過(guò)程中，離不開儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行控制，讓能量在儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)。圖3為移動(dòng)式儲(chǔ)能電站電源系統(tǒng)構(gòu)成，在能量流動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)可以對(duì)其控制，同時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、有/無(wú)功功率之間的交換也處于控制之中，可以進(jìn)行整流或逆變等方式運(yùn)行。在整流運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)在電網(wǎng)中完成電能交換后，可以滿足儲(chǔ)能電池充電要求，逆變條件時(shí)電網(wǎng)可以接收系統(tǒng)的電能，滿足電網(wǎng)供電需求[5]。系統(tǒng)結(jié)合電網(wǎng)反饋狀態(tài)要求，有針對(duì)性地改變有功或無(wú)功功率的傳輸。在系統(tǒng)通過(guò)對(duì)直流母線端與電池組的連接，調(diào)節(jié)VSC調(diào)制比m與功角差δ，讓VSC四象限運(yùn)行不受影響，實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功之間的正常交互，這樣PCC點(diǎn)電壓和頻率也始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 移動(dòng)式儲(chǔ)能電站電源系統(tǒng)

2.4 能量管理系統(tǒng)

在移動(dòng)式儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)能量管理系統(tǒng)，能夠提高監(jiān)測(cè)與控制的效果，實(shí)現(xiàn)保護(hù)目標(biāo)，特別是能夠讓儲(chǔ)能電池、電池管理與功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到控制，確保相關(guān)參數(shù)可以及時(shí)優(yōu)化與調(diào)節(jié)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，在對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可以發(fā)揮控制與報(bào)警等功能，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確研判，提高對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)各方面情況的監(jiān)控效果，同時(shí)根據(jù)電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等采用最優(yōu)運(yùn)行算法[6]。對(duì)電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)與優(yōu)化，讓移動(dòng)式儲(chǔ)能電站始終保持良好運(yùn)行狀態(tài)。若現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生故障，能量管理系統(tǒng)能夠?qū)ζ鋵?shí)現(xiàn)故障診斷。系統(tǒng)為分層分布式，主要包括間隔層和站控層，前者包括保護(hù)、測(cè)控、規(guī)約轉(zhuǎn)換器等部分，后者主要包括監(jiān)控主機(jī)、工程師站、遠(yuǎn)動(dòng)、高級(jí)策略控制器等部分，兩者通過(guò)千兆以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

3 移動(dòng)式儲(chǔ)能電站市場(chǎng)前景分析

隨著儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用策略越來(lái)越成熟，并在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)大幅度降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)目標(biāo)，有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)[7]。未來(lái)儲(chǔ)能電站市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)速度將在10%以上，預(yù)計(jì)到2026年市場(chǎng)規(guī)模能夠達(dá)到2800億元。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中，公共活動(dòng)也日益多樣化，電力部門要重視做到“現(xiàn)場(chǎng)保電”工作，需求方面也更多。政府、銀行和電力等部門均配置固定式UPS供電保障機(jī)房，而臨時(shí)會(huì)議場(chǎng)所、搶險(xiǎn)、救災(zāi)、賽事等，為了滿足其不間斷供電保障需求，若是采取固定式UPS，不僅成本較高，也很難真正滿足移動(dòng)保電要求，這讓移動(dòng)式儲(chǔ)能電站有了廣闊應(yīng)用前景。

移動(dòng)式儲(chǔ)能電站是一種新型儲(chǔ)能車載化應(yīng)用，現(xiàn)階段還缺少具體標(biāo)準(zhǔn)，且工信部尚無(wú)申報(bào)車輛公告目錄，這對(duì)移動(dòng)式儲(chǔ)能電站發(fā)展造成了一定限制。而作為儲(chǔ)能的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，不包含鉛酸蓄電池、鉛碳電池、鋰離子電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能組，能夠用于移動(dòng)式儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能，市場(chǎng)前景也很好。飛輪儲(chǔ)能最初被應(yīng)用于航天中，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能可轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；在飛輪慣性下可帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。與傳統(tǒng)電池技術(shù)不一樣，飛輪儲(chǔ)能具有短時(shí)、高頻次以及大功率放電等優(yōu)勢(shì)，不僅能夠快速響應(yīng)，可靠性與安全性較強(qiáng)，也延長(zhǎng)了使用壽命，能夠滿足低碳、節(jié)能和環(huán)保等要求。

近幾年發(fā)展起來(lái)的鋰離子電池儲(chǔ)能不僅能量密度較高，生產(chǎn)成本也很低，使用壽命較長(zhǎng)，已經(jīng)在大數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)以及通信等應(yīng)急備用電源中應(yīng)用非常廣泛。在線路檢修過(guò)程中，可以發(fā)揮臨時(shí)供電保障作用，也適用于山區(qū)、城市商業(yè)區(qū)等調(diào)整用電負(fù)荷峰谷。當(dāng)前電動(dòng)汽車非常流行，移動(dòng)式儲(chǔ)能電站也能滿足其充電要求[8]。隨著其標(biāo)準(zhǔn)的逐步制定，各項(xiàng)要求與規(guī)范也日益明確，在工信部公告目錄開放后，將進(jìn)一步豐富移動(dòng)式儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能分類，大幅度提高其容量，滿足各種社會(huì)活動(dòng)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)對(duì)可再生能源越來(lái)越重視，其是推動(dòng)綠色低碳發(fā)展、提高生態(tài)文明建設(shè)效果的有效途徑。面對(duì)嚴(yán)峻的“雙碳”形勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等新能源發(fā)展越來(lái)越快，而移動(dòng)式儲(chǔ)能車站不僅機(jī)動(dòng)靈活、響應(yīng)迅速，也能夠方便操作與維護(hù)，將在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。因此，要結(jié)合移動(dòng)式儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀，深入分析其未來(lái)應(yīng)用前景，調(diào)整其開發(fā)方向，確保在電力保障、應(yīng)急通訊、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事指揮、野外勘探等方面發(fā)揮更大作用。