基于提高供电能力的储能系统集成技术

俞漂方，张孔林，蔡金锭

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 闽侯 350108； 2.福建省电力有限公司技术中心,福建 福州 350007；3.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 3530007；)

基于提高供电能力的储能系统集成技术

俞漂方1，2，张孔林3，蔡金锭1

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 闽侯 350108； 2.福建省电力有限公司技术中心,福建 福州 350007；3.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 3530007；)

本文介绍了一种锂离子电池储能系统集成技术。该技术用以将电池储能系统集成于储能电站内，应用在农村、海岛等网架结构薄弱的地区，提高供电能力。储能系统作为一种重要的分布式电源，目前在电网削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源等方面发挥着积极的作用。

储能；集成；锂离子电池；供电能力

1 引言

配电网直接面向用户，担负分配电能和服务客户的重要任务。配电网分布广泛、构成复杂、影响面广，其供电能力、供电可靠性和供电质量对经济社会影响巨大。

农村、山区、海岛等配电网末端由于网架结构薄弱，常常存在季节性和时段性负荷波动造成的供电能力不足、电能质量较差、供电可靠性低的问题。以我国东南沿海的福建省为例，闽东南沿海有大量海岛，位于配网末端的用户由于受地形等地理条件限制，供电可靠性较低，且每逢台风、冻雨等自然灾害，配网故障较平常多，常常失去主网电源，加上受地形限制，配电网抢修工作极为不便，难以短时间恢复供电，易造成“大面积停电”。

目前应对这类问题的主要方法有：继续加大改造力度，增加电源点，缩短供电半径，提高供电可靠性；装设无功补偿装置和有载调压装置等。但这些措施在实际操作上也存在很多问题。首先，负载率低的用户负荷广泛存在，对供电设施以及网架结构进行全面改造经济上不合算，同时也将进一步减小设备利用率；而无功补偿和有载调压只能在一定程度稳定节点电压，调节能力和范围有限。

针对以上问题本文引入储能技术，储能系统作为一种重要的分布式电源，目前在电网削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源等方面发挥着积极的作用[1-2]。根据用户在不同时段用电需求及用电特征，储能系统可以在用电低谷时期充电，并在日间根据用户负荷的实时需求进行放电，作为供电电源增大就地的供电能力，并在不同空间和时间内对储能设备调配，达到资源整合和充分利用的目的。因此，储能技术的引入，对于改善用电负载率极低的负荷地区的供电，以及提高特殊时段内特别负荷的电能质量和供电可靠性，具有极大的意义。

随着现代社会日益增长的能源需求和环境污染的加剧，人们在解决问题的同时，促进了可再生能源分布式发电系统的快速发展[3]。虽然在许多方面分布式发电系统有着无可比拟的优势，但其大量入网，带来的问题也不可忽视，通常表现为电压偏差、电压波动、谐波和直流偏磁、故障电流和孤岛运行。而采用储能系统由于可以存储大量的能量，则可以控制分布式发电系统输出的有功功率。储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节，其作用越来越重要。

2 储能系统集成技术

储能系统是将能量转换装置与储能电池组配套，连接于电池组与电网之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的系统，主要由储能单元、电池管理系统(BMS)、储能变流器系统(PCS)、测控单元、后台监控单元、开关设备等组成，后台监控单元与配电网调度通信，实现对储能系统的优化调度及运行控制[4]，如图1所示。

图1 储能系统原理图

2.1 储能单元技术

目前，储能系统的发展趋势是大容量、高效率、长寿命、低成本、高可靠性以及智能化。目前使用的储能类型有：物理储能，包括飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能；化学储能，包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、超级电容器；电磁储能，包括超导储能等。而应用最多的为化学储能，如锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池等。根据表1综合比较锂离子电池和铅酸电池各方面特点，锂离子电池的能量密度大、功率密度大、寿命为铅酸的十倍以上，虽铅酸电池的成本更低，但相同的容量条件下，锂离子电池的重量更轻，体积更小，更有利于集成在储能电站内。随着锂离子电池单位容量价格持续下降，已逐渐成为主流。

表1 锂离子电池与铅酸电池的对比

国内外针对电池储能系统的研究，尤其是大容量锂电池储能系统，还处在初步研究和试验阶段。其中，从2008年11月起，美国A123 Systems公司与AES公司合作，2009年在其电网中安装多个柜式储能系统，主要作用是为电力系统提供多种辅助服务，并于2011年9月开发出2MW的柜式磷酸铁锂电池储能系统。我国对锂离子电池的应用开发也十分重视，早在80年代初期，就开始了对锂离子电池的开发研制工作，在国内各单位的共同努力下，取得了一定的成果。总之，开发适用于储能要求的低成本、长寿命专用储能电池，既是电池产业可持续发展的需要，也是市场发展的要求。

随着电源技术的发展，以及人们对于高功率，高频率，低电压电源系统的需求，在实际应用中，一台集中式的直流稳压电源系统的输出功率，电流，电压等往往不能满足负载需求，为了满足这种负载需求，需要重新开发、设计、生产这种满足参数的直流稳压电源系统，从而使电源的成本加大，不能实现资源合理利用。在实际应用中，往往将一定相同或相似规格的电源模块，按照积木式的方式串联或者并联起来，然后通过相应的衔接方式，形成模块化电源系统，使整个电源系统的输出功率、电压、电流得到扩展，达到负载需求。

2.2 双向储能变流器系统技术

双向储能变流器系统(PCS)是与储能电池组配套，连接于电池组与电网之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的产品。储能变流器系统包括微型断路器、电流互感器、隔离变压器、储能变流器这4个部分。进入20世纪90年代，新型大功率电力电子器件的发展及性能的提高以及计算机技术的发展，使得高电压、大功率PCS装置的生产及应用成为现实。将PEBB(power electronic building block)技术应用到变流器中，构造基于PEBB模块的变流器，可以克服上述一系列缺点，使变流器的可靠性有很大的提高。目前高压大容量PCS装置不像低压小容量PCS装置那样具有较成熟的一致性的主电路拓扑结构。限于功率器件的电压耐量和高压实用条件的矛盾，不同设备制造厂家的PCS装置采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构，以适应不同的电压等级和满足各种不同的应用需求。大容量储能系统PCS装置要求能匹配不同的储能类型接入，满足电网多种应用需求，具备并网及离网运行以及并/离网自动切换功能，并网模式下，要求逆变器具有高的输出功率因数，低的进网电流总谐波畸变率，并具备孤岛保护功能；在离网模式下要求对于不同负载有良好的输出外特性；此外，模式间的切换过程应过渡平滑，不能有电压、电流冲击。PCS装置可采用一级变换拓扑结构和两级变换拓扑结构。一级变换拓扑结构主要由交流侧LCL滤波器、双向AC/DC变流器、直流侧CL滤波器组成。其优点是电路结构简单，能量转换效率高，整体系统损耗小，控制系统简单，易于和上级监控系统接口并实现各种高级控制策略；缺点是电池侧接入电池电压范围窄，增加电池串联成组难度，交流侧或直流侧出现故障时，电池侧会短时承受冲击电流，降低电池使用寿命。

图2 PCS一级变换拓扑结构图

两级变换拓扑结构主要由交流侧LCL滤波器、双向AC/DC变流器、直流电容、双向DC/DC变流器组成。其优点是直流侧不需要复杂的LC滤波器，电池侧接入电池电压范围宽，降低了电池串联成组难度，交流侧或直流侧出现故障时，因存在DC/DC电路环节，可有效保护电池，避免电池承受冲击电流，延长电池使用寿命；缺点是电路结构相对复杂简单，能量转换效率稍低、整体系统损耗稍大，控制系统复杂。

为了赶上世界储能技术的发展步伐，目前我国正在积极研发各种先进的PSC装置电路拓扑及控制技术研究。华北电力大学开展了基于两级变换拓扑的PSC装置控制技术研究，并应用到超级电容储能系统中；清华大学开展了基于公共直流母线链式储能系统的电路拓扑和控制方法研究；同济大学开展了应用于储能系统中的双向DC/DC控制技术研究；华中科技大学开展了PSC装置的单机拓扑及系统拓扑研究，并同时进行了单机控制技术及多机并联运行控制技术的研究。

图3 PCS两级变换拓扑结构图

2.3 储能系统监控技术

储能电池管理系统用以满足储能系统要求的工作电压、输出功率、容量、运行周期等要求具有多种功能：检测功能，检测电池堆的充放电电流和电池堆电压；计算功能，接收电池柜的SOC数据，计算系统的SOC；保护功能，系统异常时，发送指令给PCS进行相应的保护动作；热管理，根据电池的温度或温差开启或关闭系统的散热风机；记录系统的概要数据，报警信息以及历史数据等。储能系统监控实现电池管理系统与变流监控系统、电池监控系统、储能监控系统之间可靠的通信。

监控与保护技术方面，国内在抽水蓄能的电站监控方面已经做得比较成熟，相关的标准规范等也比较齐全，而化学储能电站的监控在国内还很少，尚未形成统一的标准规范等。国内外虽然已经有MW级别大规模锂电池、液流电池等储能电站示范工程投入试用，但在配电网末端储能电站监控及保护方面的研究尚在探索中。

3 储能系统的工作流程

含双向逆变器的储能系统，既能工作在充电状态，即电网在用电低峰时向储能系统进行充电，也可工作在放电状态，即用电高峰时储能系统向电网输送电能，起到对电网削峰填谷、改善电能质量以及提供应急电源等作用。随着电网技术的不断发展，新能源的优势日益显现，在未来新能源必将成为电网的重要组成部分，储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节，平滑功率曲线，尤其是对于风电等间歇性可再生能源的接纳问题，其作用越来越重要。

储能系统的工作流程如图4所示，储能系统充电时，变压器将电网高压交流电降压为低压交流电，输出到变流器交流侧，变流器将低压交流电整流为直流电，从直流侧输出给储能电池组，储能电池组再将其转化为化学能存储在电池当中；储能系统放电时，储能电池组将化学能转化为直流电，输入到变流器直流侧，变流器将直流电逆变为低压交流电，从交流侧输出到变压器，变压器将低压交流电升压为高压交流电并入电网。

图4 储能系统的工作流程图

4 储能系统运行工作模式

储能系统存在两种典型的运行模式：正常情况下储能系统与常规配电网并网运行，称为并网模式，在该模式下，储能系统可以根据上级配电网调度指令或者以接入点电压为控制目标，发出有功和无功功率，起到削峰填谷和稳定节点电压水平的作用；当检测到电网故障不满足要求时，储能系统将及时与电网断开而独立运行，称为离网模式，起到应急电源的作用。离网运行时，对储能系统与配电网其他设备进行协调控制，储能系统将和部分负荷组成单个或多个微电网脱离大电网独立运行。通过集中监控系统对断路器进行投切，还可实现对储能系统并离网的快速切换。

4.1 并网控制理论

根据有功和无功指令，PCS按照PQ控制策略实现有功、无功功率控制，通过坐标变换将三相静止坐标系中的基波正弦变量变换成为同步旋转坐标系中的直流分量，实现整流器输入有功和无功的解耦控制。当电压低于正常电压范围时，通过提高储能系统的功率输出，提高供电系统末端电压；反之，当电压高于正常电压范围，通过加大储能系统功率吸收，降低供电系统末端电压。因此，通过合理控制策略可以实现储能系统解决供电系统末端电压支撑不足的问题。

4.2 离网控制理论

储能系统独立给负荷供电或储能系统在微网中做主电源运行时，要为负荷提供电压和频率支撑，维持微网电压和频率的稳定，一般采取定电压和定频率控制策略(V/F控制)。集中控制器为多台并联PCS提供标准微网电压相位参考信号，通过参考信号可以实现多台并联PCS输出相同的电压频率和相位；根据采集负荷总电流以及各台PCS支路电流信号，调整每台PCS输出电压幅值，实现对各台PCS均流控制。

5 结语

储能技术及其在电力系统中的应用是近年来国内外的研究热点之一，许多发达国家都十分重视，在大容量电力储能技术的基础上，对其在配电网削峰填谷、提高供电可靠性、缓建输配电线路等方面的应用开展多方面的研究工作，并实施了相应的示范工程。国内多所高校和科研院所等也相继开展了储能系统及其提高配电网供电能力的相关研究。中国电科院在储能系统用于分布式电源及微电网的容量配置、系统集成及运行控制等方面做了大量的研究工作；此外，在张北储能试验基地，针对储能系统平滑风电出力波动开展了大量的试验研究，为储能系统提高配电网末端供电能力的研究奠定了很好的理论和实践基础。国网电科院对储能系统接入及并离网运行控制技术关键技术进行了深入研究；北京交通大学在电动汽车储能技术及电池的充放电管理方面取得了一定的成果；华中科技大学、浙江大学等在飞轮储能技术方面进行了研究都建立了相应的储能技术实验室，在储能变流器控制技术方面做了些研究。随着新能源的普及与发展，储能系统的作用将日益显现。

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Integrated Technology of Energy Storing System Based on Enhancing the Power Supply Capacity

YUPiao-fang1,2,ZHANGKong-lin3,GAIJin-ding1

(1.College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University,Minhou 350108,China;2.Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Techrology Centre,Fuzhou 350007,China3.Fujian Electric Power Science and Research Institute of Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 353007,China;)

This paper introduces an integration technology of Lithium-ion battery energy storing system.This technology integrating the battery energy storing system in a power station can be applied to a weak grid structure area such as rural or island to enhance the power supply capacity.As an important distributed generation energy storing system currently plays an active role in the peak load shifting,new energy accessing,power quality improving and emergency power and so on.Key words：energy storing;integration;Lithium-ion battery;power supply capacity

1004-289X(2016)05-0001-04

TM71

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