【電氣工程及其自動(dòng)化】大容量電池儲能技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

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1、 ○ A 基礎(chǔ)理論 ● B 應(yīng)用研究 ○ C 調(diào)查報(bào)告 ○ D 其他 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 大容量電池儲能技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 二級學(xué)院 ： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) ： 電氣工程及其自動(dòng)化 完成日期 ： 2015年5月25日 目錄 1 緒論 1 1.1 儲能技術(shù)的背景 1 1.2 大容量儲能技術(shù)介紹 1 大容量電池儲能

2、系統(tǒng)介紹 2 1.4 大容量電池儲能的發(fā)展現(xiàn)狀 2 2 電力系統(tǒng)中常用的蓄電池種類 3 2.1 鉛蓄電池 4 2.2 鎳氫電池 4 2.3 鋰離子電池 4 2.4 液流電池 5 2.5 鈉硫電池 5 3 大容量電池管理系統(tǒng) 5 電壓檢測模塊 6 電流檢測模塊 6 溫度檢測模塊 7 4 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 8 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 8 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 8 包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 9 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在儲能系統(tǒng)中的作用 9 5 大容量電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10 發(fā)電領(lǐng)域 10 輸配電領(lǐng)域 11 用戶端 11 輔助服

3、務(wù)領(lǐng)域 12 新能源并網(wǎng)領(lǐng)域 13 6 大容量電池儲能技術(shù)示范工程 13 深圳寶清儲能電站 13 國家風(fēng)光儲輸示范工程 14 7 發(fā)展前景 14 參考文獻(xiàn) 15 致 謝 大容量電池儲能技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘 要：本論文首先介紹儲能技術(shù)，然后引入儲能技術(shù)中的電池儲能技術(shù)，再分析大容量電池的選型和構(gòu)成，著重分析大容量電池儲能系統(tǒng)中的電氣構(gòu)成部分，包括電池接連方式、電力電子裝置和電池管理系統(tǒng)等。最后，詳細(xì)介紹大容量電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是其在新能源發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：儲能；電池；電氣構(gòu)成；新能源 The large capacity b

4、attery energy storage technology and its application in the electric power system Abstract：This paper introduce energy storage technology first, then energy storage technology of battery energy storage technology are introduced, and analysis of selection and composition of the large capacity bat

5、tery, emphatically analyzed the electrical components of the large capacity battery energy storage system , including the way of battery connections, power electronics and battery management system, etc. Finally, introduced the large capacity battery energy storage technology application in electric

6、 power system, especially its application in the field of new energy resource generation. Key word：storage;battery;electric composition;new energy resources 1緒論 儲能技術(shù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行過程“采—發(fā)—輸—配—用—儲”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平衡負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)

7、整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。儲能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。 1.1儲能技術(shù)的背景 我國在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)構(gòu)建過程中，對儲能系統(tǒng)的需求不斷增大。首先，隨著社會總用電量的不斷增加，電力消耗的晝夜峰谷差在日益增大。其次，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的輸出功率受自然環(huán)境的影響，會產(chǎn)生隨機(jī)的、間歇性的波動(dòng)。隨著風(fēng)能等可再生能源在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，其并網(wǎng)穩(wěn)定性問題已成為風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的關(guān)鍵問題。再次，越來越多具有高度自動(dòng)化生產(chǎn)線的工業(yè)企業(yè)和涉及信息、安全領(lǐng)域的用戶對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出更高的要求[1]。 在電力系統(tǒng)中，運(yùn)用儲能技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)用戶

8、需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷，降低供電成本，同時(shí)可以促進(jìn)可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 1.2大容量儲能技術(shù)介紹 電能可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、勢能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲，到目前為止，人們已經(jīng)開發(fā)了多種形式的儲能系統(tǒng)，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲能四大類型。其中物理儲能包括抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能；電磁儲能包括超導(dǎo)、超級電容和高能密度電容儲能；電化學(xué)儲能包括鉛酸，鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能；相變儲能包括冰蓄冷儲能等,儲能技術(shù)詳細(xì)參數(shù)請見表1-1。 抽水蓄能是最為成熟、成本最低的儲能技術(shù)，具有一系列的技術(shù)優(yōu)勢，但是抽水蓄能電站的選址受到地

9、理、地質(zhì)、水源等條件的限制，其運(yùn)行會造成水質(zhì)變化、生態(tài)環(huán)境改變等問題。壓縮空氣儲能技術(shù)能夠進(jìn)行電網(wǎng)級應(yīng)用，但是該技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率低，對化石燃料高度依賴，對地理?xiàng)l件要求非常高。飛輪儲能是利用互逆式雙向電機(jī)（電動(dòng)/發(fā)電機(jī)）實(shí)現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種儲能技術(shù)，具有功率密度高、壽命長、對環(huán)境溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，但是其自放電現(xiàn)象使得飛輪儲能系統(tǒng)在能量型應(yīng)用時(shí)價(jià)格過于昂貴。超導(dǎo)儲能技術(shù)響應(yīng)速度快、能夠提供短時(shí)大功率，但目前高溫超導(dǎo)線材料技術(shù)還不成熟，日常維護(hù)成本高，交流損耗大，安全穩(wěn)定性低，仍處于要就階段，成本還需進(jìn)一步降低[2]。 表1-1 大容量儲能技術(shù)相關(guān)參數(shù) 系統(tǒng) 能量和

10、功率密度 壽命與循環(huán)壽命 對環(huán)境影響 瓦小時(shí)/千克（升） 瓦/千克（升） 壽命（年） 循環(huán)次數(shù) 抽水蓄能 0.5~1.5 0.5~1.5 40~60 破壞生態(tài)環(huán)境 壓縮空氣蓄能 30~60 3~6 20~40 燃燒排放污染物 鉛酸電池 30~50 50~80 5~15 500~1000 有毒 鎳氫電池 50~75 60~150 10~20 2000~2500 鈉硫電池 150~240 150~250 10~15 2500 鋰電池 75~200 200~500 5~15 1000~10000 全液流釩

11、電池 10~30 16~33 5~10 12000 超導(dǎo)儲能 0.5~5 0.2~2.5 20以上 100000 強(qiáng)磁場 飛輪儲能 10~30 20~80 15 2000 電容儲能 0.05~5 2~10 5 5000 產(chǎn)生污染物 超級電容 2.5~1.5 100000 20 100000 燃料電池 800~10000 500~3000 5~15 1000 燃燒排放污染物 低溫儲能 150~250 120~200 20~40 液化過程產(chǎn)生污染物 高溫儲熱 80~200 120~500 5~15

12、 目前，由于工作原理、材料和制造工藝的不同，與物理儲能技術(shù)相比，化學(xué)儲能技術(shù)在使用規(guī)模、便利程度、研發(fā)及發(fā)展?jié)摿Ψ矫娑季哂邢鄬Φ膬?yōu)勢。 1.3大容量電池儲能系統(tǒng)介紹 電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS)在電網(wǎng)中等效為一個(gè)理想的電壓源，它主要由蓄電池組、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）等組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖1-1 BESS結(jié)構(gòu)圖 1.4 大容量電池儲能的發(fā)展現(xiàn)狀 電池儲能技術(shù)在國內(nèi)外均處于快速

13、發(fā)展階段，尤其是MW級的鈉硫電池和鋰離子電池儲能示范系統(tǒng)不斷建設(shè)并投入運(yùn)行，主要在新能源，調(diào)頻等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。國外的電池儲能系統(tǒng)已有運(yùn)行多年的經(jīng)驗(yàn)，其中德國、日本、美國的技術(shù)較為領(lǐng)先。國內(nèi)電池儲能系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國際先進(jìn)水平有一定差距，材料、工藝和集成等核心技術(shù)有待進(jìn)一步突破，但是已經(jīng)陸續(xù)有小項(xiàng)目方面的嘗試，技術(shù)正在穩(wěn)步發(fā)展當(dāng)中。 種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域 鉛蓄電池 安全性好、單體電池容量較大、大電流性能及循環(huán)性能良好，循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益較高，電池可100%回收 充電速度慢、比能量、比功率偏低、大電流脈沖充放電性能差 它被廣泛應(yīng)用于汽車、火車、拖拉機(jī)、摩托車、電動(dòng)車以及通訊

14、、電站、電力輸送、儀器儀表、UPS電源和飛機(jī)、坦克、艦艇、雷達(dá)系統(tǒng)等 鎳氫電池 它是一種新型綠色電池，具有高能量、長壽命、無污染等特點(diǎn) 能量密度較低，充電速度慢 現(xiàn)主要被用作動(dòng)力電池，應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)工具和通信基站等方面 鋰離子電池 鋰離子電池能量密度高，單體能量密度可達(dá)350Wh/L，自放電率低，充電時(shí)間快，易快充快放 鋰電池存在成本較高、集成系統(tǒng)水平與單體電池性能差距較大等問題 已廣泛作為便攜式設(shè)備的電源，也可作為分布式能源發(fā)電、應(yīng)急備用、電能質(zhì)量管理等領(lǐng)域；同時(shí)，在新能源并網(wǎng)、系統(tǒng)調(diào)峰等領(lǐng)域也可作為備選技術(shù)之一 液流電池 電池壽命長，并且?guī)缀醪皇艹浞烹娚疃扔绊?/p>

15、；系統(tǒng)在任何時(shí)點(diǎn)的實(shí)際電量信息科直接準(zhǔn)確獲得；系統(tǒng)功率和容量獨(dú)立，可以靈活配置 系統(tǒng)能量密度低，體積大 典型的為全釩液流電池，其已應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，電網(wǎng)應(yīng)用以及離網(wǎng)電信基站、電站調(diào)峰等領(lǐng)域優(yōu)先考慮的技術(shù)選擇；同時(shí)。在分布式能源發(fā)電領(lǐng)域也可作為備選技術(shù)之一 鈉硫電池 能量密度高；功率特性好；鈉硫電池原材料Na和S在自然界的儲量都非常豐富，價(jià)格低廉；鈉硫電池相對綠色環(huán)保；還有就是循環(huán)次數(shù)高 目前存在較強(qiáng)的技術(shù)壟斷，發(fā)展前景尚不明朗 建議作為系統(tǒng)調(diào)峰、風(fēng)電場配套儲能等領(lǐng)域的備選技術(shù)之一 2電力系統(tǒng)中常用的蓄電池種類 表2-1常用蓄電池性能特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域 目前，具有代表性的、技術(shù)

16、比較成熟的蓄電池技術(shù)主要有：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池。其中鉛酸蓄電池歷史最為悠久，技術(shù)成熟而且成本低，在電力儲能技術(shù)發(fā)展初期應(yīng)用廣泛，但受能量密度和使用壽命的限制以及環(huán)境污染的負(fù)面影響，已有逐漸被取代的趨勢。鎳鎘電池由于會造成重金屬污染而被更具環(huán)保性的鎳氫電池取代，主要應(yīng)用于動(dòng)力電池領(lǐng)域。鋰電池由于受大規(guī)模集成技術(shù)難題的影響，一直沒有實(shí)現(xiàn)大容量的應(yīng)用，但目前這一技術(shù)難題已經(jīng)獲得重大突破，大容量應(yīng)用于儲能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了試運(yùn)行。鈉硫電池作為新興的儲能技術(shù)，具有能量密度高、效率高、環(huán)保、容量大等特點(diǎn)，已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，是最具潛力的儲能技術(shù)之一。液流電池具有

17、容量大、效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源領(lǐng)域和電力系統(tǒng)中。常用蓄電池性能特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域如上表2-1所示。 2.1鉛蓄電池 鉛蓄電池主要由陽極、陰極、電解液稀硫酸（H2SO4）、電池外殼、隔離板及液口栓（或安全閥）、電池蓋等部件組成。其中最為常見的是鉛酸蓄電池，它是由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。目前，性能比較優(yōu)異而且能滿足各種使用要求的新型鉛蓄電池有雙極性鉛蓄電池、超級電池（Pb/C)和鉛布水平電池等。 2.2鎳氫電池 鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，儲

18、氫合金在電位變化時(shí)具有吸氫和釋放氫的功能，它就是利用這種功能實(shí)現(xiàn)充放電。鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，是一種新型綠色電池。它具有高能量、長壽命、無污染等特點(diǎn)，是世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。 2.3鋰離子電池 鋰離子電池實(shí)際上就是一種鋰離子濃度差電池，當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子從電池的正極脫出，經(jīng)過電解液遷移到負(fù)極，并嵌入負(fù)極材料中。同樣，當(dāng)電池對外放電時(shí)，嵌在負(fù)極材料中的鋰離子脫出，又重新嵌入正極。鋰離子電池一般包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正極引線、負(fù)極引線、隔圈、蓋板、安全閥、熱敏電阻器（PTC）和電池殼。其中正極活性物質(zhì)

19、為關(guān)鍵部分，主要是鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等。 氧化還原液流電池，簡稱液流電池，其活性物質(zhì)分別溶解于裝在政府儲液罐的溶液中，通過正極泵和負(fù)極泵推動(dòng)溶液流經(jīng)液流電池堆中隔膜的兩側(cè)，在正負(fù)極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由此實(shí)現(xiàn)電池的充電和放電過程。它由正負(fù)電極、隔膜及和電極圍成的電極室、電解液罐、泵和管路系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示[3]。 圖2-1 氧化還原液流儲能電池原理示意圖 2.5鈉硫電池 鈉硫電池是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次熔融鹽電池。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放與儲存。其具體原理如圖2-2所示。 圖2

20、-2 鈉硫電池充放電原理 3大容量電池管理系統(tǒng) 電池管理系統(tǒng)通過對蓄電池組的各種參數(shù)（單體或模塊電池電壓、溫度、電流等）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量，在此基礎(chǔ)上記性電池荷電（SOC）的實(shí)時(shí)在線估算，同時(shí)實(shí)施必要的控制。電池管理系統(tǒng)通過監(jiān)控和管理蓄電池，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，使電池始終保持在最佳工作狀態(tài)，最大限度延長電池壽命，并將電池信息傳輸給相關(guān)子系統(tǒng)，為系統(tǒng)整體決策提供判斷依據(jù)。 3.1電壓檢測模塊 通過對單體電池電壓準(zhǔn)確檢測來判斷電池組的工作狀態(tài)是否正常，電池組是否滿足需求等，以此為判據(jù)決定大容量儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)，便于監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整算法實(shí)現(xiàn)電力儲能與釋放的最優(yōu)化。主流電池單體電壓測

21、量方法主要有集成芯片法、電阻分壓法、多路開關(guān)切換法，直接測量法。 圖3-1 多路開關(guān)切換法 在電力系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)中多采用多路開關(guān)切換法來進(jìn)行電壓的檢測，，使用這種測量方法實(shí)現(xiàn)電壓測量能夠提高測量精度，通過電路轉(zhuǎn)換避免串聯(lián)電池組的共模電壓干擾。運(yùn)用繼電器開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)單體電壓切入，通過單路信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)電池電壓的提取，利用AD采樣實(shí)現(xiàn)測量，如圖3-1[4]所示。該方法避免電阻分壓法存在的累積誤差，解決了共地問題，但機(jī)械式繼電器存在使用壽命有限，存在著噪聲干擾，響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，目前較多使用AQW214或AQW216光耦繼電器，其具有響應(yīng)速度快，耐壓高的特點(diǎn)。 3.2電流

22、檢測模塊 對大容量儲能電池組中放點(diǎn)電流的準(zhǔn)確測量能夠防止高倍率充放電對電池造成的損壞，充放電電流是瞬時(shí)額定功率的重要參數(shù)，可以計(jì)算能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作效率，通過檢測電流變化量同樣能夠預(yù)估電池剩余容量。多個(gè)串聯(lián)電池組只需要對串聯(lián)總電流測量即可實(shí)現(xiàn)電流的監(jiān)測，在測量過程中需要保證測量的精度，防止深度充放電從而延長使用壽命。 電力系統(tǒng)常用電池管理系統(tǒng)的常用電流檢測模塊是霍爾傳感器測量法模塊。利用霍爾傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為可調(diào)理的電壓信號進(jìn)行測量，這能夠大大方便電路的測量。霍爾傳感器具有拆卸簡單、安裝方便、電氣絕緣性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和工作頻帶寬的特點(diǎn)。如圖3-2[4]所示，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無接觸測量能夠

23、你只外界電磁干擾，同時(shí)隔離大容量儲能電池組與電池管理模塊，保證測量過程不對電池產(chǎn)生影響。 圖3-2 傳感器檢測原理圖 3.3溫度檢測模塊 大容量儲能系統(tǒng)有著大電流充放電的時(shí)候，此時(shí)電流高達(dá)數(shù)百安倍，由于電纜線電阻和電池之間接觸電阻的存在，會產(chǎn)生大量熱量，大量電池密集安裝在密集箱等狹小空間，導(dǎo)致散熱較差，當(dāng)熱量累積時(shí)電池溫度會隨之升高，會導(dǎo)致電池因熱而損壞，甚至爆炸影響自身安全。因此電池管理系統(tǒng)需要增加溫度檢測功能，保證電池正常工作。 圖3-3 DS18B20單總線測溫結(jié)構(gòu)圖 常用溫度測量方法有熱敏電阻測量方法和DS18B20傳感器測量法，利用熱敏

24、電阻測量具有價(jià)格低廉，使用方便的特點(diǎn)，但測量范圍有限，模擬信號容易被干擾，在高溫測量時(shí)其非線性影響測量精度，同時(shí)測量線路繁瑣的缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中不推薦。如圖3-3所示，DS18B20單總線測溫結(jié)構(gòu)具有電路簡單、測量成本低廉、節(jié)省控制芯片I/O資源、有利于總線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20主要包括電源部分、內(nèi)部存儲器部分，在使用中得到轉(zhuǎn)換命令后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在內(nèi)部存儲器中，同時(shí)通過對個(gè)別內(nèi)部存儲器進(jìn)行配置能夠平衡測溫分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系。 除此之外，大容量電池管理系統(tǒng)還包括有熱管理控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和抗干擾模塊等。這些模塊集中起來就可進(jìn)行電池參數(shù)監(jiān)控，將轉(zhuǎn)臺監(jiān)控測量單體電壓、總電壓、電

25、流、溫度、內(nèi)阻等及時(shí)傳送至尚未監(jiān)控平臺，同時(shí)對本系統(tǒng)進(jìn)行熱管理控制，并將故障報(bào)警信號進(jìn)行指示。 4能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 電池儲能系統(tǒng)需要通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與交流電網(wǎng)相連。在電池儲能系統(tǒng)中，PCS是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，既是電池盒負(fù)載之間交換能量的媒介，同時(shí)又是電池充放電的管理單元。儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)既要與電池接口完成充放電管理，又要與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。 4.1能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 目前，低壓小容量的PCS已經(jīng)具有較成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但用于大容量儲能電站的PCS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尚未統(tǒng)一，為了適應(yīng)不同的電壓等級和滿足不同應(yīng)用需求，不同的設(shè)備制造廠家的PCS裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。

26、典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS和包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS。 4.1.1僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 圖4-1 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 如圖4-1所示為通過PWM變換器直接并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常采用電壓型PWM變換器。在這種結(jié)構(gòu)中，PWM變換器的輸出部分接有升壓變壓器，以便其電壓與所并聯(lián)的交流網(wǎng)絡(luò)電壓相匹配，同時(shí)起到將蓄電池儲能系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的電氣隔離作用。蓄電池組充電時(shí)，變換器工作在整流狀態(tài)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將電能儲存在蓄電池中；放電時(shí)變換器工作在逆變器狀態(tài)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并回饋外部電網(wǎng)。 這種PCS結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是適用于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電

27、源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單。其主要缺點(diǎn)有：系統(tǒng)體積大、造價(jià)高；儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性；電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，可在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時(shí)大電流，對電池系統(tǒng)造成較大沖擊。 4.1.2包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 如圖4-2所示的系統(tǒng)中，DC/DC環(huán)節(jié)的主要作用是進(jìn)行升降壓變換，從而避免使用變壓器。蓄電池充電時(shí)，變換器工作在整流狀態(tài)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓，將電能存儲于蓄電池中；蓄電池放電時(shí)，變換器工作在逆變狀態(tài)，直流電經(jīng)DC/DC變換器升壓后轉(zhuǎn)換為交流電，回饋外部電網(wǎng)。 圖4-2 包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS 這種結(jié)構(gòu)的PCS系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)，可

28、對多串并聯(lián)的電池進(jìn)行充放電管理。由于加入了DC/DC環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降，使蓄電池的配置更加靈活。這種結(jié)構(gòu)可用于風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性較強(qiáng)的分布式能源接入，可抑制其直接并網(wǎng)的電壓波動(dòng)。主要缺點(diǎn)有：加入了DC/DC環(huán)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低；大容量PCS的DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系還有待研究。 4.2能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在儲能系統(tǒng)中的作用 在電池儲能系統(tǒng)中，PCS的成本占到整個(gè)系統(tǒng)成本的10%以上，是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，起作用主要有以下幾點(diǎn)： （1）電能質(zhì)量管理，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)電壓狀態(tài)，提供動(dòng)態(tài)有功和無功支持，解決諸多電能質(zhì)量問題，如電壓波動(dòng)、突升、突

29、降等。 （2）削峰填谷。通過控制儲能系統(tǒng)在晚間電價(jià)地的時(shí)候充電，白天電價(jià)高的時(shí)候?yàn)樨?fù)荷供電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的功能。 （3）緊急備用。幫助儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)備用，以及在電網(wǎng)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)緊急備用功能。 （4）儲能系統(tǒng)并網(wǎng)/孤網(wǎng)切換。當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)故障時(shí)，幫助儲能系統(tǒng)切換到孤島運(yùn)行模式，在電網(wǎng)故障消除后，再自動(dòng)并網(wǎng)。 5 大容量電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 電力行業(yè)是大規(guī)模儲能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，大容量電池儲能技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用貫穿整個(gè)發(fā)輸配用過程，主要包括發(fā)電領(lǐng)域、輸配電領(lǐng)域、用戶端、輔助服務(wù)領(lǐng)域、新能源并網(wǎng)領(lǐng)域等。 5.1發(fā)電領(lǐng)域 大容量電池儲能技術(shù)應(yīng)用在發(fā)電端，具有提高機(jī)組效

30、率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。儲能裝置按照日前發(fā)電曲線和調(diào)度中心的實(shí)時(shí)指令進(jìn)行充放電，調(diào)節(jié)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的總輸出，使火電機(jī)組運(yùn)行在接近額定功率運(yùn)行狀態(tài)。這既提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，又減少了動(dòng)態(tài)運(yùn)行對火電機(jī)組的負(fù)面影響，也減少了火電機(jī)組的溫室氣體排放，同時(shí)增強(qiáng)了發(fā)電廠整體的調(diào)峰能力。 輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行的應(yīng)用是指儲能裝置和火電機(jī)組共同按照調(diào)度的要求調(diào)整輸出的大小，盡可能地減小火電機(jī)組輸出的波動(dòng)范圍，盡可能地讓火電機(jī)組在接近經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下工作。一般來說，火電機(jī)組都設(shè)計(jì)成滿發(fā)時(shí)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組的熱效率最高。 由于大容量電池儲能技術(shù)具備快速響應(yīng)特點(diǎn)，，通過應(yīng)用儲能技術(shù)進(jìn)行輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行可以提高火電機(jī)組的效率，減少碳排

31、放。動(dòng)態(tài)運(yùn)行會使機(jī)組部分組件產(chǎn)生蠕變，造成這些設(shè)備受損，提高了發(fā)生故障的可能，即降低了機(jī)組的可靠性。同時(shí)，增加了更換設(shè)備的可能和檢修費(fèi)用，最終降低了整個(gè)機(jī)組的使用壽命。儲能技術(shù)的應(yīng)用可以避免動(dòng)態(tài)運(yùn)行對機(jī)組壽命的損害，減少社保維護(hù)和更換設(shè)備的費(fèi)用，進(jìn)而延緩或減少發(fā)電側(cè)對新建發(fā)電機(jī)組的需求。 5.2輸配電領(lǐng)域 儲能在輸配電領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括4個(gè)方面：無功支持、緩解書店阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容和變電站內(nèi)的直流電源。按照目前的成本，儲能做無功支持和變電站之流電源，相對原有選擇（電容器組、鉛酸電池）價(jià)格較高。儲能在緩解輸電阻塞和延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容兩個(gè)方面的應(yīng)用，相對簡單的擴(kuò)容升級，更加靈活，減少了投

32、資的風(fēng)險(xiǎn)，提高了電力資產(chǎn)的利用率。由于輸配電網(wǎng)的穩(wěn)定決定著整個(gè)電網(wǎng)的可靠性和安全性，所以要求對儲能的可靠性進(jìn)行論證，需要經(jīng)過必要的示范項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)?？傊?，只有成本降低到合理范圍，可靠性經(jīng)過論證后才有可能進(jìn)入該領(lǐng)域。 （1）無功支持：無功支持（也稱電壓支持）是指在輸配電線路上通過注入或吸收無功功率來調(diào)節(jié)線路上的電壓。儲能電池在動(dòng)態(tài)逆變器、通信和控制設(shè)備的輔助下，可以調(diào)整儲能電池系統(tǒng)輸出的無功功率大小，進(jìn)而對輸配電線路的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （2）緩解線路阻塞：儲能電池系統(tǒng)安裝在阻塞線路的上游，當(dāng)線路負(fù)荷超過線路容量，即發(fā)生線路阻塞時(shí)，儲能電池系統(tǒng)充電，將線路不能運(yùn)輸?shù)碾娔艽鎯υ陔姵刂小．?dāng)負(fù)荷低于線

33、路容量時(shí)，電池再向線路放電。輸電線路的容量是固定的，而負(fù)荷是隨時(shí)間有規(guī)律變化的，存在尖峰負(fù)荷。有時(shí)候當(dāng)負(fù)荷增長到一定程度時(shí)，輸電線路的容量會低于尖峰容量，這樣就需要投入資金對線路進(jìn)行擴(kuò)容，提高電力運(yùn)行的邊際成本，儲能電池能夠用于避免線路阻塞引起的相關(guān)成本和費(fèi)用，尤其是在需要擴(kuò)容的幅度不高的情況下。 （3）延緩輸配電擴(kuò)容升級：延緩輸配電擴(kuò)容升級是指利用一定較小容量的儲能電池設(shè)備延緩甚至是免去對原有輸配電設(shè)備的擴(kuò)容，主要應(yīng)用于負(fù)荷接近設(shè)備容量的輸配電系統(tǒng)內(nèi)，通過將儲能電池安裝在原本需要升級的輸配電設(shè)備的下游位置來延緩或者避免擴(kuò)容。 （4）變電站直流電源：變電站直流電源是可以為信號設(shè)備、繼電保護(hù)

34、、自動(dòng)裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，并在外部交流電中斷的情況下，保證由后備電源即蓄電池繼續(xù)提供直流電源的重要設(shè)備。 5.3用戶端 儲能電池在用戶端的應(yīng)用主要集中于用戶分時(shí)電價(jià)管理、容量費(fèi)用管理、電能質(zhì)量管理三個(gè)方面。其中實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)管理和容量費(fèi)用管理功能的實(shí)現(xiàn)依賴于電力市場中存在分時(shí)電價(jià)和容量電價(jià)體系，目前中國的工業(yè)用電中已經(jīng)存在這樣的電價(jià)體系，部分省份的居民用電池也進(jìn)行了嘗試，因此出現(xiàn)了一些儲能應(yīng)用的機(jī)會。 （1）用戶分時(shí)電價(jià)管理：電力系統(tǒng)中的負(fù)荷總量并不是一成不變的，隨著時(shí)間的變化用電量會出現(xiàn)高峰、平段、低谷等現(xiàn)象，電力部門根據(jù)這些特點(diǎn)，將每天24h劃分為高峰、平段

35、、低谷等多個(gè)時(shí)段，對各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，即為分時(shí)電價(jià)。在實(shí)施了分時(shí)電價(jià)的電力市場里，儲能是理想的幫助電力用戶實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)管理的手段。在電價(jià)較低時(shí)給儲能電池系統(tǒng)充電，在電價(jià)較高時(shí)放電，通過電池儲能系統(tǒng)給用電設(shè)備放電來降低整體用電成本，而且不改變用戶的用電習(xí)慣，即使是在電價(jià)最高時(shí)還可以按自己的需求使用電能。 （2）容量費(fèi)用管理：儲能電池設(shè)備是降低容量費(fèi)用的方案之一，用戶根據(jù)自己的用電習(xí)慣，在自身用電負(fù)荷低的時(shí)段對儲能電池設(shè)備進(jìn)行充電，在需要高負(fù)荷時(shí)，利用儲能電池設(shè)備放電，從而降低自己的最高負(fù)荷，達(dá)到減低容量費(fèi)用的目的。 （3）電能質(zhì)量管理：電能質(zhì)量包括電壓變化、電流變

36、化、頻率偏差等各個(gè)方面。應(yīng)急和備用電源系統(tǒng)是儲備電源，主要作用是保證生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)所需電能的電能質(zhì)量問題。一些關(guān)鍵負(fù)荷必須要妥善地設(shè)計(jì)和啟用應(yīng)急備用電源，這些電源通常會獨(dú)立于公共的電力系統(tǒng)或電力網(wǎng)，用來確保供電可靠性和供電質(zhì)量。其中，應(yīng)急電源主要是確保故障發(fā)生時(shí)，負(fù)荷在幾毫秒到幾分鐘的時(shí)間段內(nèi)不會中斷運(yùn)行，直到有穩(wěn)定的電源啟動(dòng)恢復(fù)供電以保證生產(chǎn)設(shè)備的電能要求。 5.4輔助服務(wù)領(lǐng)域 輔助服務(wù)是為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力供應(yīng)質(zhì)量而開展的一種必不可少的服務(wù)，國際上對于輔助服務(wù)所包含的內(nèi)容并沒有統(tǒng)一的界定，但一般包括一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、備用、無功補(bǔ)償和黑啟動(dòng)。 接入電網(wǎng)的儲能電池設(shè)備通過

37、進(jìn)行充放電以及控制充放電的速率的方式，可以達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的目的，主要輔助電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行二次調(diào)頻。電池儲能設(shè)備能運(yùn)行在非滿負(fù)荷狀態(tài)，可以提供本身容量兩倍的調(diào)節(jié)能力（例如，1MW的電池儲能設(shè)備在放電和充電時(shí)可分別上調(diào)和下調(diào)系統(tǒng)頻率1MW,從而調(diào)節(jié)能力為2MW）。因此，電池儲能設(shè)備非常適合提供調(diào)頻服務(wù)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）方式來進(jìn)行二次調(diào)頻相比，電池儲能設(shè)備提供調(diào)頻服務(wù)的最大優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)速率大，可以在幾分鐘甚至幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)在無輸出狀態(tài)以及滿放電狀態(tài)（或充電狀態(tài)）間轉(zhuǎn)換，動(dòng)作正確率高，能避免火電機(jī)組響應(yīng)AGC信號時(shí)出現(xiàn)向相反方向調(diào)節(jié)等錯(cuò)誤動(dòng)作。 5.5新能源并網(wǎng)領(lǐng)域 新能源目

38、前主要是指風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性能源，因?yàn)槠涞牟豢煽匦裕y以對其發(fā)電量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，并且其忽高忽低的功率輸出也令電網(wǎng)很難消納。大容量電池儲能技術(shù)的應(yīng)用可以將新能源電源進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移、固化輸出、控制爬坡率等，目的是把新能源電源變成可調(diào)、可調(diào)度的發(fā)電資源。 就以風(fēng)電為例，大容量電池儲能技術(shù)能在電網(wǎng)負(fù)荷較低的時(shí)候避免“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象，將原本棄掉的風(fēng)電儲存起來，再在電網(wǎng)負(fù)荷高的時(shí)候向電網(wǎng)放電，使新能源的可利用小時(shí)數(shù)增加。大容量電池設(shè)備通過頻繁的充放電進(jìn)行爬坡率控制，一方面可以更多地利用風(fēng)力富裕時(shí)段的風(fēng)力發(fā)電，另一方面，對于其他火電機(jī)組，可減少機(jī)組因調(diào)峰操作造成的磨損、壽命減少以及維護(hù)成本，減少電網(wǎng)的

39、調(diào)頻、調(diào)峰壓力。 6大容量電池儲能技術(shù)示范工程 近年來，我國也對大容量電池儲能作了積極的嘗試，在一些大城市里，電池儲能系統(tǒng)已經(jīng)作為功率補(bǔ)償投入了運(yùn)行，在新能源發(fā)電方面也已做出了國家級的示范工程。 6.1深圳寶清儲能電站 為推動(dòng)電池儲能在電網(wǎng)中的規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)中國兆瓦級電池儲能電站“零”的突破，南方電網(wǎng)與2009年11月啟動(dòng)“10MW級電池儲能電站關(guān)鍵技術(shù)研究及試點(diǎn)”工作，建成并投運(yùn)了一座調(diào)峰調(diào)頻鋰離子電池儲能電站----深圳寶清電池儲能電站。該儲能電站工程規(guī)模為4MW/16MWh,首個(gè)兆瓦級儲能分系統(tǒng)已于2011年1月成功并網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)壓、孤島運(yùn)行等多種電網(wǎng)

40、應(yīng)用功能。 深圳寶清儲能站位于廣東省深圳市龍崗區(qū)清風(fēng)大道27號，以2回10KV電纜接入110KV碧嶺變電站，儲能站設(shè)計(jì)規(guī)模為10MW，分兩期建設(shè)，第一期按5MW，10個(gè)儲能分系統(tǒng)規(guī)模建設(shè)，全站按示范工程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，總用地面積4100，建有配電樓兩層，占地面積1910，主控通信樓占地面積375。采用的是深圳比亞迪公司和中航鋰電公司的磷酸鐵鋰電池，預(yù)計(jì)使用壽命將超過25年[10]。 6.2國家風(fēng)光儲輸示范工程 新能源的最好利用方式，應(yīng)該是與儲能系統(tǒng)相互配合，這樣既能實(shí)現(xiàn)間歇性發(fā)電系統(tǒng)的可控性，也能提高發(fā)電效率。我國在這一方面也做了積極的嘗試，就這一想法作了一個(gè)重大的國家級科研項(xiàng)目：國家風(fēng)光

41、儲輸示范工程。 國家風(fēng)光儲輸示范工程是2010年由國網(wǎng)牽頭，投資近150多億元，選址在河北省張家口市張北縣的一項(xiàng)集風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、智能輸電于一體的新能源綜合性示范項(xiàng)目，項(xiàng)目包括100MW風(fēng)力發(fā)電、50MW太陽能光伏發(fā)電和20MW化學(xué)儲能項(xiàng)目，目的在于實(shí)驗(yàn)解決新能源并網(wǎng)的一系列難題，引領(lǐng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，對以后新能源大規(guī)模并網(wǎng)具有示范性意義。 項(xiàng)目中儲能電池用來解決可再生能源集中發(fā)電并網(wǎng)問題，主要包括降低長期短期的輸出波動(dòng)、改進(jìn)電能質(zhì)量、作為不可預(yù)期的風(fēng)電突然跌落的備用等。通過統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，統(tǒng)籌調(diào)配風(fēng)、光、儲、發(fā)電資源，利用7組不同組態(tài)的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光

42、伏發(fā)電、儲能以及智能電網(wǎng)數(shù)電的油耗互動(dòng)和智能調(diào)度，進(jìn)而全面提高電網(wǎng)對大規(guī)?？稍偕茉吹慕蛹{能力。在運(yùn)行過程中，該項(xiàng)目的電池儲能設(shè)備基本可以實(shí)現(xiàn)平滑輸出、調(diào)頻、削峰填谷和減少棄風(fēng)等應(yīng)用[11]。 7發(fā)展前景 以電池儲能技術(shù)為代表的新型儲能技術(shù)目前受其經(jīng)濟(jì)性的制約，發(fā)展緩慢，但是其前景巨大。在目前這個(gè)階段，最主要的任務(wù)就是技術(shù)攻關(guān)，在示范運(yùn)行的過程中找出技術(shù)缺陷，然后改進(jìn)，使蓄電池的技術(shù)性能達(dá)到大幅提升，制造工藝不斷改進(jìn)，包括蓄電池回收技術(shù)也將獲得重大改進(jìn)。最終提高蓄電池的循環(huán)壽命和效率，降低其單位造價(jià)，使其適合于商業(yè)化運(yùn)行。 新能源發(fā)電、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車的發(fā)展給大容量電池儲能系

43、統(tǒng)帶來了很大的機(jī)遇。而隨著能源互聯(lián)網(wǎng)[12]概念的提出，家用電池儲能系統(tǒng)也會越來越火，大容量電池儲能技術(shù)將會在以后得到快速的發(fā)展！ 參考文獻(xiàn) [1] [M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012. [2] 蘇偉.化學(xué)儲能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2013. [3] 史正軍.MW級電池儲能站在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，2010：2-3. [4] [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012. [5] 方彤.電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用評價(jià)及發(fā)展建議[J].國網(wǎng)研究院，2011：5-6. [6] 新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)研究綜述[J].電工電能

44、新技術(shù)，2014：4-8. [7] S. Wall. A strategy for low-cost utility connection of battery energy storage systems[J]. Journal of Power Sources, 1997：2-3. [8][J].電氣開關(guān)，2008：2-3. [9][J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2012：5-6. [10] 陸志剛.深圳寶清鋰電池儲能電站關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)方法[J].南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，2013：2-4. [11] [J].國網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲示范，2013：12-16. [12] 杰里米 ﹒里

45、夫金.第三次工業(yè)革命：新經(jīng)濟(jì)模式如何改變世界[M].中信出版社，2012. 致 謝 四年的本科生生活結(jié)束了，我能順利完成本科生階段的學(xué)業(yè)，并能如期完成我的本科學(xué)位論文，這離不開老師、同學(xué)、家人和朋友無私的幫助。在此對曾經(jīng)給予我?guī)椭睦蠋?、同學(xué)、家人和朋友表示衷心的感謝! 首先，我要特別感謝我的導(dǎo)師賈紅芳講師。這四年來，賈老師在學(xué)習(xí)上和生活上給了我很大的指導(dǎo)和幫助。我的本科學(xué)位論文從選題、開題到完成都離不開賈老師的悉心指導(dǎo)和協(xié)助。賈老師不斷的督促和鼓勵(lì)才使我能按時(shí)完成論文。賈老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度和對學(xué)生嚴(yán)格要求的作風(fēng)令人敬佩，使我從中獲益匪淺。同時(shí)，我還要感謝宿舍的舍友們，在生活中給予我熱情的幫助和關(guān)懷。 最后，感謝我的家人給予我學(xué)業(yè)的支持，沒有他們的支持和關(guān)懷就沒有我的今天。 再次真誠的感謝所有幫助過我的人!