孔令怡1，廖麗瑩1，張海武2，趙家萬3
(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)對接入點(diǎn)的有功功率和無功功率進(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。介紹了電池儲能系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)和國外的應(yīng)用情況，并對它在電力系統(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)缺乏有效地大量儲存電能的手段，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)定問題。大功率逆變器的出現(xiàn)為儲能電源和各種可再生能源與交流電網(wǎng)之間提供了一個理想的接口。從長遠(yuǎn)的角度看，由各種類型的電源和逆變器組成的儲能系統(tǒng)可以直接連接在配電網(wǎng)中用戶負(fù)荷附近，構(gòu)成分布式電力系統(tǒng)，通過其快速響應(yīng)特性，迅速吸收用戶負(fù)荷的變化，從根本上解決電力系統(tǒng)的控制問題。
可用在電力系統(tǒng)中的儲能電源種類繁多，比較常見的有超導(dǎo)儲能(SMES)、電池儲能(BESS)、飛輪儲能、超級電容器儲能、抽水儲能、壓縮空氣儲能等。在各種類型的儲能電源當(dāng)中，電池儲能系統(tǒng)是一種比較適合電力系統(tǒng)使用的儲能電源，具有技術(shù)相對成熟、容量大、安全可靠、無污染、噪聲低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。
2、電池儲能系統(tǒng)的基本原理
電池儲能系統(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，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。電池儲能系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。
圖2中電池儲能系統(tǒng)等效為一個理想的電壓源，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)注入無功功率時(shí)，便可以控制U1>US，這時(shí)電池儲能系統(tǒng)的電壓幅值高于系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓幅值，所以無功功率由電池儲能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反之亦然?？梢?，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整換流器來控制電池儲能系統(tǒng)的電壓幅值U1和相角H，便可以實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)與接入的電力系統(tǒng)之間的有功功率和無功功率的交換。
3、電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的目的
電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗旧砜梢钥焖俚膶尤朦c(diǎn)的有功功率和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以可以用來提高系統(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，我們對電池儲能系統(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)把電池儲能系統(tǒng)接在發(fā)電側(cè)
我們一般是把電池儲能系統(tǒng)接在發(fā)電機(jī)端，升壓變電站的出口處。圖3是單擊無窮大系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)升壓變壓器出口處接入電池儲能系統(tǒng)的示意圖。
圖3中Us為電池儲能系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓，Uo為無窮大母線電壓。
當(dāng)電池儲能系統(tǒng)接在這個位置時(shí)，它主要用來提高發(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)在受到各種擾動時(shí)，輸出的狀態(tài)量更加的穩(wěn)定。
(2)、把電池儲能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)
當(dāng)用戶側(cè)對電能質(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)就需要把電池儲能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)。圖4是電池儲能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè)的示意圖。
圖4中US為電池儲能系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓，U0為無窮大母線電壓，M為等效的動態(tài)負(fù)荷，即感應(yīng)電動機(jī)的等效模型，SL為等效的靜態(tài)負(fù)荷。動態(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，一般動態(tài)負(fù)荷占比較大的比例。
當(dāng)電池儲能系統(tǒng)接在這個位置時(shí)，由于它可以迅速的調(diào)節(jié)接入點(diǎn)的有功功率和無功功率，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時(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、電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
電池儲能系統(tǒng)是近年來國外儲能系統(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公司展開了對硫化鈉電池作為儲能物質(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電池儲能系統(tǒng)；1997年和1999年先后建立了兩座6000kW，48000kWh的電池儲能系統(tǒng)。
美國對電池儲能系統(tǒng)的研究起步較晚，但因?yàn)樵诿绹拇蟪鞘行聰U(kuò)建輸配電系統(tǒng)成本極高，以及具有高度自動化生產(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)行在四個象限的BESS引起了市場的廣泛興趣，因此研究速度迅速。美國電力公司于2002年9月研制了北美第一臺容量為500KW采用NAS電池的BESS。美國阿拉斯加電網(wǎng)于2004年安裝了一臺峰值可達(dá)2617mW的采用鎳鎘蓄電池的BESS，將來可繼續(xù)對其進(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500kW的采用NAS電池的BESS59個，總?cè)萘窟_(dá)88mW。
德國很早就對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)了儲能測試設(shè)備，1981年完成了大規(guī)模鉛酸蓄電池儲能電池組，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，我國的電力系統(tǒng)建設(shè)正處于高速發(fā)展的階段，供電緊張、有、無功儲備不足、輸電效率低等問題開始出現(xiàn)。同時(shí)，隨著高精度生產(chǎn)工業(yè)的崛起，奧運(yùn)會的臨近，對負(fù)荷側(cè)的供電質(zhì)量提出了更高的要求。這些都為電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展提供了更廣闊的空間。
電池儲能系統(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，電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將越來越廣泛。
參考文獻(xiàn)
[1]姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償-結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[2]羅承廉，紀(jì)勇，劉遵義.靜止同步補(bǔ)償器的原理與實(shí)現(xiàn)[J].北京：中國電力出社，2005.
[3]粟時(shí)平，劉桂英.靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù)[J].北京：中國電力出版社，2006.
[4]費(fèi)萬民，張艷莉，呂征宇.大容量靜止無功發(fā)生器與電池儲能的集成[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(10)：41-44.
[5]崔艷華，孟凡明.釩電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].電源技術(shù)，2005，29(11)：776-780.
[6]王振文，劉文華.鈉硫電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2006，13：41-46.
[7]鞠萍，馬大強(qiáng).電力系統(tǒng)負(fù)荷建模[M].水利電力出版社，1995.
