電池儲能在體育場館供電系統中的應用

李 辰

(商丘師范學院體育學院,河南 商丘 476000)

隨著國家經濟的持續增長,生產生活對電力系統的依賴愈發強烈。 電力企業順應時代發展,通過引進先進技術、升級設備、完善安全督查、制定應急預案等方式,保障日常供電、輸電、用電安全穩定。 近年來,多個重大國際體育賽事在中國舉行,全民健身需求和熱情持續高漲,體育場館數量及使用頻次相繼增加。 體育場館供電系統不僅要滿足日常運動員及使用者的用電需求,而且要在設備故障、惡劣天氣等突發狀況下做好應急保供工作。 本文作者探究電池儲能系統在體育場館供電系統中的價值及應用方向,以確保供電系統的可靠性。

1 體育場館日常供電需求分析

供電系統作為基礎性設備,通常需在體育場館設計之初做好部署,并在體育場館投入運營后滿足以下使用需求。 其一,日常運營中,體育場館供電需求通常涉及燈光、廣播、空調、監控等設備的電力支持,要求即使在城市用電高峰或場館耗電激增的情況下,也能保障基礎設備的正常運行,因此供電系統充沛的儲能是保障體育賽事或群眾鍛煉需求的基礎。 其二,隨著體育事業的發展,電視直播、網絡直播需求增加,特別是針對大型體育賽事,體育場館的網絡、通信質量也在考驗供電系統的能力。 其三,作為人流量較大的場所,體育場館需做好緊急狀態下的安全保障工作,特別是在火災、意外停電等突發狀況下,需要依靠充足的儲備電量來保障應急照明需求,并妥善做好人員疏導工作。 由此可見,體育場館的供電系統需要滿足運行穩定、電量充足、靈活切換的使用要求,以支持體育事業的高質量發展。

2 電池儲能系統種類及應用場景

《體育建筑設計規范》《體育建筑電氣設計規范》對體育場館的供電系統提出了明確要求,中斷供電將造成極其嚴重的損失。 因而,重要場所的電力系統通常配備3 路電源,其中2 路分別來自不同的變電站,當任一電源發生故障時,另外不同變電站的電源能繼續正常供電。 《供配電系統設計規范》中提出,對于特別重要的場所,還應增配應急電源,以雙重電源保障電力供應。

目前,應急供電電源主要包括外置發電機和內置儲能設備兩種。 外置發電機通常為柴油發電機,這類設備由于工作原理的限制,無法在電力中斷后無間隔切換,時間差會造成供電系統存在空檔期。 而且,柴油發電機通常體積大、油耗多、噪音大,工作中產生尾氣排放,不符合當前綠色環保的發展潮流,因而柴油發電機僅適合作為應急狀況下的備選方案。 內置儲能設備主要包含儲能單元和控制模塊,可以通過調整能量配比達到功率轉換的目的。 通常情況下,這類設備需要提前接入主電路,當供電系統正常運行時,電網能為內置儲能設備進行充電;一旦供電中斷,內置儲能設備能夠在約100 ms 內完成供電切換,幾乎實現無縫供電。 此外,電池儲能在電網供電正常情況下不運行,當系統監測到低電壓時,電池儲能系統可切換供電方式,滿足高峰用電需求;當時點處于用電低谷時,電池可通過市電或其他方式完成充電,以保障高峰時期的用電需求。

當前,內置儲能設備常見形式為飛輪儲能和電池儲能兩種。 飛輪儲能系統是將電能轉換為動能加以儲存,但此系統存在體積大、放電時長短、維護難等問題。 電池儲能系統憑借體積小、啟動快、無噪音和成本低等特點,逐漸成為公共場所重要電力保供系統。 電池儲能系統通常由電池及并聯變流器構成,涉及能量轉換、電量儲存及釋放。 根據電池儲能系統的應用場景不同,可分為發電端、輸出端及配電端。 發電端電池儲能主要作為應急電源使用;輸出端電池儲能主要將儲存的電能輸出給需要的端口;配電端電池儲能是在實現電池儲能的前提下,根據用電需求調整輸電量及方向。

3 電池儲能用于體育場館供電系統的優勢

電池儲能的深入研究為公共場所提供了持續穩定的電能保障,電池儲能憑借自身優勢在各類體育場館中得到廣泛應用。 分析體育場館電池儲能供電系統,其應用優勢主要體現在以下3 個方面。 其一,相比其他應急保障系統,電池儲能可實現長時間穩壓穩流的電能供應,能在需要時做到迅速啟停,是電力保供的首要選擇。 其二,電池儲能系統體積小、靈活性高,可根據體育場館實際情況實現自由組裝及拆卸。在實際情況中,部分體育場館在設計初期并未考慮大型賽事承辦需求,后期可能存在擴建、改造需求,電池儲能系統各模塊之間可自由增減,并能接入光伏、風力等發電系統,借助清潔能源減少用電支出。 其三,近年來中國電池生產技術逐漸成熟,與先進國家的距離逐漸縮小,甚至在某些領域已處于領先水平。 因而,電池儲能的采購、維修及更換的成本降低,經濟方面的便利也加快了電池儲能系統在體育場館中的應用。 其四,電池儲能使用過程節能環保。 相比于傳統鉛酸電池,磷酸鐵鋰鋰離子電池不但容量大、質量輕、具備大倍率快充功能,而且使用壽命長、維護成本低,可實現高達3 000 次的充放電。

4 電池儲能用于體育場館供電系統的體現

4.1 基于光伏發電的電池儲能供電系統改造

在滿足體育場館不同時段用電需求的基礎上,基于光伏發電的電池儲能技術契合國家“雙碳”發展目標,有利于實現綠色環保供電改造。 體育場館占地面積較大,為光伏發電設備安裝留有充足的空間。 從體育場館用量規律來看,非賽事期間負荷小,白天耗電量低,時段分明的差異化用電需求對于引入光伏技術而言較為困難。

其一,對部分設備進行直流系統改造,如可將照明燈具更改為直流供電的LED 燈,并配套建設相關直流供電系統,以減少光伏設施接入后電池供電時的能源轉換損失,最大限度保障供電效率。 其二,在體育場館屋頂及空曠區域安裝光伏設施,并匯入直流供電系統,先保障日常照明需求,再將剩余的電能用于交流供電系統。 在用電需求較少的時段,光伏發電儲存的電能還能為充電設施供電。 其三,由于光伏發電對天氣有著較強的依賴性,電池儲能系統可在白天將多余的光伏電能儲存,用于夜間照明或其他用電需求。 對原有交流供電系統進行交直流混合改造,并將光伏發電與電池儲能接入,體育場館由原來的電能消耗者轉變為生產者、消耗者、存儲者三重身份。 在解決大面積光伏設施引入后電量消耗問題上,可采用光儲直柔策略,將多余的電量交由電動汽車消耗,也解決了場館新能源汽車充電的問題。

張永明等分析了體育場館不同時段的電量消耗情況,認為賽事期間最大負荷為1.87 MW,日耗電量為20.1 MW·h,接入240 kW 光伏設施后,高峰用電壓力依然較大,最大負荷并未改變,用電量降為18.2 MW·h;而在接入1.8 MW·h 電池儲能系統后,最大負荷降為1.29 MW,電力峰谷差降低。非賽事期間最大負荷為0.4 MW,當接入240 kW 光伏設施和220 kW·h 電池儲能系統后,最大負荷僅為0.15 MW,電力峰谷差降低。 通過具體實例分析,驗證了光伏改造的可能性。

4.2 基于不間斷電源(UPS)的電池儲能系統

不間斷電源(UPS)是一種以逆變器為主要部件的恒壓恒頻電池儲能設備,可與市政電網并行供電。 UPS 電源由電池、整流器和逆變器等組件構成,其中整流器是提供穩壓電流的根本,當電網突然中斷時,UPS 電源可利用電池儲能繼續供電。 體育場館在舉辦重要賽事時,通常會配備UPS 電源車,這樣不僅可在市區內完成保供工作,而且能執行跨市、跨省供電任務,使用場所更加廣泛化。 當舉辦大型體育賽事時,場館的照明、計時系統、轉播技術等都需要在斷電時做到無間隙供電,確保中斷時長控制在毫秒級別,而搭載了電池的UPS 離線狀況下切換時間少于10 ms,在線狀態可實現無切換時間。 而且,同一體育場館僅在舉辦賽事時有高強度的用電壓力,甚至部分場館會在賽事結束后棄用,使用UPS 電源既能實現靈活的供電要求,又能減少固定供電系統的建設成本。 基于在線交互的動態UPS,可改善傳統UPS 供電效率低的問題,轉換效率可達97%。 同時,動態UPS 的體積小,不需要專用空調,特別適合大功率供電要求。 在使用功率達到500 kV·A 時,動態UPS 是最佳的選擇。

4.3 基于應急供電系統(EPS)的電池儲能系統

應急供電系統(EPS)由電池、整流器和逆變器等組成,能將電池儲存的直流電轉換為交流電,為體育場館提供持久穩定的電力供應。 同時,電源互投裝置能在市政供電故障或不穩定狀態下自動實現電源切換,無需工作人員值守。 電網與EPS 電源的轉換間隔時長為0.10～0.25 s,隨著技術的升級,出現轉換時長為0.2 ms 的EPS 電源。 此外,EPS 抗沖擊、抗過載能力強,可以實現遠程及聯動控制,還能在濕熱、灰塵、震動等惡劣環境下使用。 同時,多路輸出功能避免了因單一電路故障造成的損失。 然而,EPS 需要定期充放電,電池使用壽命短,且供電持續時長小于8 h,若想增加充放電量,只能增加EPS 體積,會造成體積增大、便捷性下降。 此時,可采用EPS 與柴油機聯動的方法,不僅可以避免出現電力空檔期的問題,而且能延長電能供應時長,穩定保障體育場館的用電需求。

5 結語

電池儲能具有組裝方便、供電穩定、節能環保的特點,在供電系統中應用廣泛。 特別是隨著電池性能的優化,電池儲能可與市政電網實現靈活切換,并發揮削峰填谷作用,保障供電高效穩定。 電池儲能在體育場館供電系統中的應用,滿足了不同用電負荷下的保供需求。 隨著儲能技術的發展,電池切換時間逐漸縮短,甚至可實現零切換,為場館舉辦重大活動提供完備的電力保障。