電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

孔令怡1，廖麗瑩1，張海武2，趙家萬(wàn)3

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004；2.德清縣供電局，德清313200；3.遵義供電局，遵義市563000)

摘要：電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)是一種新興的FACTS器件。具有控制有功功率流的能力，能夠同時(shí)對(duì)接入點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，為高壓輸電系統(tǒng)提供快速的響應(yīng)容量，有效提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量。介紹了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)和國(guó)外的應(yīng)用情況，并對(duì)它在電力系統(tǒng)中的不同應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1引言

迄今為止，由于電力系統(tǒng)缺乏有效地大量?jī)?chǔ)存電能的手段，發(fā)電、輸電、配電與用電必須同時(shí)完成，這就要求系統(tǒng)始終處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)中，瞬間的不平衡就可能導(dǎo)致安全穩(wěn)定問(wèn)題。大功率逆變器的出現(xiàn)為儲(chǔ)能電源和各種可再生能源與交流電網(wǎng)之間提供了一個(gè)理想的接口。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，由各種類(lèi)型的電源和逆變器組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以直接連接在配電網(wǎng)中用戶(hù)負(fù)荷附近，構(gòu)成分布式電力系統(tǒng)，通過(guò)其快速響應(yīng)特性，迅速吸收用戶(hù)負(fù)荷的變化，從根本上解決電力系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

可用在電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電源種類(lèi)繁多，比較常見(jiàn)的有超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)、電池儲(chǔ)能(BESS)、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。在各種類(lèi)型的儲(chǔ)能電源當(dāng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種比較適合電力系統(tǒng)使用的儲(chǔ)能電源，具有技術(shù)相對(duì)成熟、容量大、安全可靠、無(wú)污染、噪聲低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。

2電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有電池組和變流器兩部分組成，其變流器主要是基于電壓源型變流器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電池組部分一般采用技術(shù)比較成熟的鈉硫電池或鉛酸電池，其中鈉硫電池在能量密度、使用壽命、運(yùn)行效率上有較明顯優(yōu)勢(shì)，所以鈉硫電池的應(yīng)用更廣泛。鈉硫電池與鉛酸電池特性參數(shù)比較如表1所示。

變流器的實(shí)質(zhì)是大容量的電壓逆變器，它是連接儲(chǔ)能電池和接入電網(wǎng)之間的接口電路，實(shí)現(xiàn)了電池直流能量和交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

圖2中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等效為一個(gè)理想的電壓源，其電壓的幅值為U1，電壓相角為H；串聯(lián)的R、L代表總的功率損耗、線路損耗等；電池儲(chǔ)能系統(tǒng)注入電力系統(tǒng)的電流的幅值為IL，電流相角為U；電力系統(tǒng)的接入點(diǎn)的電壓幅值為US，電壓相角為D。

在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電壓幅值U1和電壓相角H都是可以控制的，當(dāng)我們需要向系統(tǒng)注入有功功率時(shí)，便可以控制H>D，這時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓相角超前于系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓相角，所以有功功率由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反之亦然。當(dāng)我們需要向系統(tǒng)注入無(wú)功功率時(shí)，便可以控制U1>US，這時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓幅值高于系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓幅值，所以無(wú)功功率由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反之亦然?？梢?jiàn)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整換流器來(lái)控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓幅值U1和相角H，便可以實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與接入的電力系統(tǒng)之間的有功功率和無(wú)功功率的交換。

3電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的目的

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗旧砜梢钥焖俚膶?duì)接入點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以可以用來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、提高供電的質(zhì)量，當(dāng)其容量足夠大時(shí)，甚至可以發(fā)揮電力調(diào)峰的作用。

現(xiàn)階段，我們對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，根據(jù)接入電力系統(tǒng)的位置的不同，主要有兩種：

(1)把電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在發(fā)電側(cè)

我們一般是把電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在發(fā)電機(jī)端，升壓變電站的出口處。圖3是單擊無(wú)窮大系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)升壓變壓器出口處接入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的示意圖。

圖3中Us為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓，Uo為無(wú)窮大母線電壓。

當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在這個(gè)位置時(shí)，它主要用來(lái)提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。當(dāng)發(fā)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，它可以迅速的吸收不平橫的功率流，緩解轉(zhuǎn)子的振蕩，使發(fā)電機(jī)在受到各種擾動(dòng)時(shí)，輸出的狀態(tài)量更加的穩(wěn)定。

(2)把電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)

當(dāng)用戶(hù)側(cè)對(duì)電能質(zhì)量和電壓波形要求較高時(shí)，例如電子芯片制造業(yè)，這時(shí)就需要把電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)。圖4是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)的示意圖。

圖4中US為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓，U0為無(wú)窮大母線電壓，M為等效的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，即感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效模型，SL為等效的靜態(tài)負(fù)荷。動(dòng)態(tài)負(fù)荷與靜態(tài)負(fù)荷的比例依照不同的負(fù)荷情況并不相同，在工業(yè)負(fù)荷中，一般動(dòng)態(tài)負(fù)荷占比較大的比例。

當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接在這個(gè)位置時(shí)，由于它可以迅速的調(diào)節(jié)接入點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，它可以快速的穩(wěn)定功率，平穩(wěn)負(fù)荷的母線電壓，能很好地穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，保證用戶(hù)電壓波形的光滑性，從而能有效地提高供電的電能質(zhì)量。

4電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是近年來(lái)國(guó)外儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)之一。1983年起日本東京電氣公司聯(lián)合NGK公司展開(kāi)了對(duì)硫化鈉電池作為儲(chǔ)能物質(zhì)的研究。1992年12月在川崎建立了原理試驗(yàn)性質(zhì)的50kW，400kWh的NAS電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；1997年和1999年先后建立了兩座6000kW，48000kWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

美國(guó)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究起步較晚，但因?yàn)樵诿绹?guó)的大城市新擴(kuò)建輸配電系統(tǒng)成本極高，以及具有高度自動(dòng)化生產(chǎn)的工業(yè)區(qū)或信息技術(shù)中心都需要有高可靠性、高質(zhì)量的電能供應(yīng)，因此能運(yùn)行在四個(gè)象限的BESS引起了市場(chǎng)的廣泛興趣，因此研究速度迅速。美國(guó)電力公司于2002年9月研制了北美第一臺(tái)容量為500KW采用NAS電池的BESS。美國(guó)阿拉斯加電網(wǎng)于2004年安裝了一臺(tái)峰值可達(dá)2617mW的采用鎳鎘蓄電池的BESS，將來(lái)可繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充，容量最大可達(dá)到40mW。截止到2004年12月，全世界大約已建造超過(guò)500kW的采用NAS電池的BESS59個(gè)，總?cè)萘窟_(dá)88mW。

德國(guó)很早就對(duì)BESS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，1979年研制生產(chǎn)了儲(chǔ)能測(cè)試設(shè)備，1981年完成了大規(guī)模鉛酸蓄電池儲(chǔ)能電池組，電池電壓24V，電流660A，功率1518kW，效率84%。電池組共有7080只電池組成，每路有590只電池串聯(lián)、而后成12路并聯(lián)。

由該電池組構(gòu)成的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，總?cè)萘繛?7mW，配備有兩組815mW電力轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)已于1987年投入商業(yè)運(yùn)行，用于電力系統(tǒng)尖峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移及頻率控制。

5結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)的電力系統(tǒng)建設(shè)正處于高速發(fā)展的階段，供電緊張、有、無(wú)功儲(chǔ)備不足、輸電效率低等問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)。同時(shí)，隨著高精度生產(chǎn)工業(yè)的崛起，奧運(yùn)會(huì)的臨近，對(duì)負(fù)荷側(cè)的供電質(zhì)量提出了更高的要求。這些都為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展提供了更廣闊的空間。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、提高供電的質(zhì)量，甚至可以達(dá)到調(diào)峰的目的。而隨著大功率逆變器技術(shù)的不斷成熟，電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將越來(lái)越廣泛。

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