儲能式站用直流電源

歐陽建，劉忠祥，鄧志敏

（深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東 深圳518101）

引言

直流電源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、各類變電站和其它使用直流設(shè)備的場合，給信號設(shè)備、保護、自動裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分、合閘操作提供不間斷直流電源。直流系統(tǒng)的主要部件包括充電機、蓄電池、直流監(jiān)控、絕緣監(jiān)測儀、電池巡檢儀、降壓硅鏈（可選），其中蓄電池起著舉足輕重的作用。

國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)擁有幾萬座變電站，雖然單個變電站所用的蓄電池能量很小，但幾萬座變電站加起來的蓄電池能量就相當可觀。這么多的蓄電池處于備用狀態(tài)，無疑是對能量的一種巨大浪費。另一方面，變電站房屋的屋頂和空地比較適合鋪設(shè)光伏太陽板、風機等，可以消納新能源產(chǎn)生的電力，但由于光伏、風力發(fā)電的隨機波動性，必須配備儲能電池，剛好可以利用直流系統(tǒng)中的電池。變電站自身設(shè)備盡量采用光伏、風力等新能源產(chǎn)生的電力，逐步實現(xiàn)建設(shè)綠色、節(jié)能的變電站。

另外，直流系統(tǒng)中的蓄電池在浮充狀態(tài)下的健康狀態(tài)很難監(jiān)測，到了交流失電時往往頂不上。由于蓄電池問題導致的變電站事故不在少數(shù)。如果能讓蓄電池定期或不定期地放電，就能發(fā)現(xiàn)蓄電池脫離直流母線、開路、短路、單體嚴重劣化等問題，從而提前采取相應(yīng)措施排除隱患。

下面分別對幾種系統(tǒng)進行方案介紹，一組充電機一組電池的直流系統(tǒng)，簡稱一充一電系統(tǒng)；同理，兩組充電機兩組電池的直流系統(tǒng)，簡稱兩充兩電系統(tǒng)。

1 方案簡介

1.1 儲能式站用電源方案一

如圖1，在現(xiàn)有一充一電直流電源基礎(chǔ)上，增加一套有源逆變模塊。需要給蓄電池充電時，有源逆變模塊處于待機狀態(tài)；需要蓄電池放電時，通過監(jiān)控調(diào)低充電模塊電壓，有源逆變模塊將蓄電池的能量回饋到380V 交流側(cè)。

若只有一組電池，電池不要全容量放電（可放50%）。若考慮全容量放電，為保證后備電源的可靠性，可增加一組蓄電池。

圖1 儲能式電源系統(tǒng)方案一

1.2 儲能式站用電源方案二

如圖2，在現(xiàn)有一充一電直流電源基礎(chǔ)上，增加一組蓄電池和有源逆變；兩組220/110Vdc 蓄電池，容量為500Ah～1000Ah。運行時一組作為直流后備電源，另一組作為儲能充放電，兩組輪換，確保直流電源的可靠性。增加另一組容量更大的蓄電池，做儲能用，電壓為500～800Vdc，配備PCS。10kV 側(cè)交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側(cè)交流負荷用電和為直流系統(tǒng)提供充電電源，大幅提高直流系統(tǒng)可靠性。

1.3 儲能式站用電源方案三

如圖3，在現(xiàn)有兩充兩電直流電源基礎(chǔ)上，增加一組蓄電池和兩套有源逆變；三組220/110Vdc 蓄電池，容量為500Ah～1000Ah。運行時其中兩組作為直流后備電源，另一組作儲能充放電，三組輪換，確保直流電源的可靠性。增加另一組容量更大的蓄電池，做儲能用，電壓為500～800Vdc，配備PCS。10kV 側(cè)交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側(cè)交流負荷用電和為直流系統(tǒng)提供充電電源，大幅提高直流系統(tǒng)可靠性。

圖2 儲能式電源系統(tǒng)方案二

圖3 儲能式電源系統(tǒng)方案三

2 電池選擇

作為直流電源系統(tǒng)中的核心部件，蓄電池由最初的開口式鉛酸電池、鎳鎘電池逐步被閥控式免維護電池替代，大大降低了蓄電池維護的工作量，提升了直流電源工作的可靠性。但是閥控式鉛酸蓄電池仍然存在體積和重量大、重金屬污染等問題，近些年也在試點應(yīng)用磷酸鐵鋰電池，它比鉛酸電池的體積小、重量輕，且不含重金屬。

閥控式免維護鉛酸蓄電池在100%深度放電情況下的循環(huán)次數(shù)約為300～500 次，而磷酸鐵鋰電池在同樣的放電條件下循環(huán)次數(shù)可達3000 次以上。因此，電池的選擇要根據(jù)儲能式電源系統(tǒng)的主要目標來定。若是側(cè)重平抑電網(wǎng)波動并獲取峰谷電價差，則基本上每天要進行一次充放電，宜選用磷酸鐵鋰電池；若是側(cè)重通過充放電來監(jiān)測電池好壞，則不需要頻繁充放電，放電深度也不用高于50%，這種情況從經(jīng)濟性考慮仍然選用閥控式免維護鉛酸蓄電池。

表1 上海市非居民用戶電價表（分時）

3 儲能式電源價值分析

3.1 提升系統(tǒng)可靠性

（1）10kV 側(cè)交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側(cè)重要交流負荷用電和為直流系統(tǒng)提供充電電源。大幅提高直流系統(tǒng)可靠性和增加直流系統(tǒng)容量。

（2）在站用直流電源的蓄電池放電過程中，可發(fā)現(xiàn)蓄電池開路、短路、落后單體、容量不足等問題，提前對電池缺陷進行排查和維護。把現(xiàn)行離線運維改為在線運維。

3.2 節(jié)能環(huán)保

（1）采用磷酸鐵鋰電池，不含重金屬，比鉛酸蓄電池更環(huán)保。

（2）利用變電站屋頂、空地安裝太陽能光伏板和風機，充分利用新能源，供變電站內(nèi)設(shè)備使用。同時儲能系統(tǒng)可以有效平抑光伏、風能發(fā)電的波動性，從而推進綠色變電站建設(shè)，實現(xiàn)變電站低能耗甚至零能耗。

3.3 輔助服務(wù)

（1）不同季節(jié)、不同時段，電網(wǎng)負荷的波動很大，增加調(diào)峰、調(diào)頻電廠容易造成整體效率低下；抽水蓄能電站雖然效率較高，但又受限于地理條件。

（2）大量的變電站采用儲能式電源系統(tǒng)，可有效平抑電網(wǎng)波動。

考慮220V/500Ah 的蓄電池，其儲存的能量為110KWh；

深圳地區(qū)3 百多座變電站，全部蓄電池儲能達30MWh；

廣東地區(qū)3 千多座變電站，全部蓄電池儲能達300MWh；

全國4 萬多座變電站，全部蓄電池儲能達4GWh。

4 收益計算

本案例以上海地區(qū)某工業(yè)用電大戶的儲能式站用電源項目進行收益計算。該用電大戶自建變電站，考慮儲能與站用電源結(jié)合起來，采用儲能式站用電源方案三。對電源系統(tǒng)進行改造，同時考慮增加1MWh 的儲能，提升站用電源可靠性的同時，具備一定的經(jīng)濟效益。

上海地區(qū)非居民用電采用三時段計費：

兩部制非夏季：

峰時段（8-11 時、18-21 時），

平時段（6-8 時、11-18 時、21-22 時），

谷時段（22 時-次日6 時）。

兩部制夏季：

峰時段（8-11 時、13-15 時，18-21 時），

平時段（6-8 時、11-13 時、15-18 時，21-22 時），

谷時段（22 時-次日6 時）。

經(jīng)濟收益：

（1）峰谷套利：以上海地區(qū)峰谷差價約0.88 元每度電計算，1MWh 如果全部用于削峰填谷，電池按5000 次充放電循環(huán)，可獲益376 萬。

（2）降低變壓器容量費：有了儲能系統(tǒng)，可降低兩部制電價中的基本電費部分。向供電局申請變壓器的最大需量可調(diào)低，而實際負荷超出最大需量時，由儲能電池提供不足的部分。上海地區(qū)基本電費單價是42 元/kVA，假如變壓器容量最大需量減少300kVA，則每月可節(jié)約基本電費支出1.26 萬元，一年節(jié)約15.12 萬元，十年節(jié)約181 萬元。

圖4

電池的循環(huán)次數(shù)為5000 次，按照一天充放電一次，該電池可運行13.6 年，表格中的收益同樣是電池整個生命周期的收益。

由表2 中可知：總利潤為3，733，682.33。

5 結(jié)束語

通過對站用直流電源系統(tǒng)進行改造（增加有源逆變等裝置），同時調(diào)整直流監(jiān)控的控制策略，就可以實現(xiàn)對直流蓄電池健康狀態(tài)進行在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題提前預警，對提高直流電源的可靠性具有良好的作用。同時，結(jié)合變電站屋頂、空地等安裝的光伏、風能發(fā)電，可以讓變電站自身設(shè)備消納新能源，建設(shè)節(jié)能變電站。對部分峰谷差價較大的地區(qū)，以某個用電大戶為例進行了儲能式站用電源項目的收益估算，表明該模式下具備投資價值，其它地區(qū)項目也可以參考。

表2