電池儲能技術在電力系統中的應用

張明勛，叢 鵬，劉光輝

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

0 引 言

目前，我國電網結構復雜性不斷提升，峰谷值問題、供電穩定性問題以及可再生能源接入并網問題等日益凸顯。為保證電力系統運行穩定，電能質量可靠，儲能技術得到了推廣應用。它在發電和用電負荷間起到解藕與緩沖作用，維持系統發電與用電負荷基本平衡，以滿足用戶高質量用電的需求[1]。

1 儲能技術概述

1.1 儲能技術的提出

隨著社會經濟的快速發展，電網綜合負荷增加且結構日益復雜，面臨的挑戰主要有：電力負荷峰谷差較大；可再生能源和分布式發電系統的并網，對電力系統的穩定性提出了更高要求[2]；用戶對電能質量的要求提高；電力系統需具備一定的自恢復能力，在大電網事故后可以快速恢復正常運行；電力系統提出節能減排和降低損耗等要求。

上述各種問題交錯影響，整個電力系統面臨著復雜的運行環境，如何有效應對各種新挑戰成為現代電力企業發展必須關注的問題。因此，本文主要從儲能技術的運用和發展角度展開分析，實現用戶側管理需求，消除峰谷差，支持可再生能源的利用與發展，切實改善電能質量。

1.2 儲能技術類型

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

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

表1 儲能技術類型

2 電力系統電池儲能技術及其性能分析

2.1 電池儲能技術原理

電池儲能技術（BESS）是將電能存儲在蓄電池內，是一種成熟的儲能方法，具有經濟、潔能、高效以及壽命長等諸多優勢。基于我國電力系統的發展，BESS的應用前景廣闊。電池儲能的基本構成如圖1所示，主要包括電池系統、功率轉換系統以及控制系統。控制系統包括PID控制、反饋線性化控制、自適應控制以及智能控制等[3]。

圖1 電池儲能系統結構示意圖

2.2 幾種典型儲能電池性能

電化學電池包括鋰離子、鎳氫、鉛酸、鈉硫以及液流等多種形式，具體性能數據如表2所示。

結合表2可知，鋰離子電池和鎳氫電池最具發展前景，尤其是鋰離子電池，重量小，體積小，能量密度高，且綜合循環效率高。從國內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展前景，不僅性能優越，而且價格相對較低，可實現完全可逆，適合大型儲能系統，可用于削峰填谷、接入可再生能源以及調節電能質量等方面。

3 實例探析電池儲能技術在電力系統中的應用

基于分析可知，鋰離子電池儲能在電力系統中的運用前景廣闊，下文將圍繞某調峰調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調峰調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、能量轉換、電池管理以及監控系統組成，將2段10 kV電纜接入110 kV電網變電站的2段母線，提供調頻、調壓以及孤島運行等功能。

3.2 電池儲能系統組成

本項目為兆瓦級儲能電站，電池數量超過3萬只，需以串并結合的方式成組，極易出現環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據

能量轉換系統采用拓撲結構，防止因電池組并聯引起不可控環流。能量轉換系統包括分組接入單級式能量轉換系統和分組接入雙級式能量轉換系統2種。分組接入單級式能量轉換系統拓撲結構如圖2所示。

（2）電站采用基于IEC 61850的監控系統，全站信息點共約45萬。監測內容包括電池單體的電壓、溫度以及告警信號等，監控數據量大且要求高。IEC 61850模型中的邏輯設備和邏輯節點如圖3所示。

3.3 儲能電站應用策略

3.3.1 協調策略

本鋰離子電池儲能電站接入區域電網的110 kV變電站，具有削峰填谷、孤島運行、系統調頻以及調壓等功能。因此，需協調控制上述功能，具體協調內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換系統拓撲

圖3 IEC 61850的邏輯設備和邏輯節點

圖4 各運行模式協調策略

3.3.2 示范工程運行情況

儲能電站投入運行以來，主要運行結果如表3所示。相關數據的統計結果顯示，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 論

隨著我國電力事業的發展，人們對儲能產業提出了更高要求，為其帶來了巨大的發展機遇。因此，需將儲能技術的研發作為重點來抓，加大資金投入，不斷提高儲能系統的運用性能[5]。以電池儲能技術的研究為例，需進一步加強對電池、能量轉換系統以及大功率器件的獨立研究，靈活應對不同的應用場景，促使我國儲能產業健康持續發展。