儲能式站用直流電源

歐陽建，劉忠祥，鄧志敏

（深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東 深圳518101）

引言

直流電源系統廣泛應用于發電廠、各類變電站和其它使用直流設備的場合，給信號設備、保護、自動裝置、事故照明、應急電源及斷路器分、合閘操作提供不間斷直流電源。直流系統的主要部件包括充電機、蓄電池、直流監控、絕緣監測儀、電池巡檢儀、降壓硅鏈（可選），其中蓄電池起著舉足輕重的作用。

國家電網、南方電網擁有幾萬座變電站，雖然單個變電站所用的蓄電池能量很小，但幾萬座變電站加起來的蓄電池能量就相當可觀。這么多的蓄電池處于備用狀態，無疑是對能量的一種巨大浪費。另一方面，變電站房屋的屋頂和空地比較適合鋪設光伏太陽板、風機等，可以消納新能源產生的電力，但由于光伏、風力發電的隨機波動性，必須配備儲能電池，剛好可以利用直流系統中的電池。變電站自身設備盡量采用光伏、風力等新能源產生的電力，逐步實現建設綠色、節能的變電站。

另外，直流系統中的蓄電池在浮充狀態下的健康狀態很難監測，到了交流失電時往往頂不上。由于蓄電池問題導致的變電站事故不在少數。如果能讓蓄電池定期或不定期地放電，就能發現蓄電池脫離直流母線、開路、短路、單體嚴重劣化等問題，從而提前采取相應措施排除隱患。

下面分別對幾種系統進行方案介紹，一組充電機一組電池的直流系統，簡稱一充一電系統；同理，兩組充電機兩組電池的直流系統，簡稱兩充兩電系統。

1 方案簡介

1.1 儲能式站用電源方案一

如圖1，在現有一充一電直流電源基礎上，增加一套有源逆變模塊。需要給蓄電池充電時，有源逆變模塊處于待機狀態；需要蓄電池放電時，通過監控調低充電模塊電壓，有源逆變模塊將蓄電池的能量回饋到380V 交流側。

若只有一組電池，電池不要全容量放電（可放50%）。若考慮全容量放電，為保證后備電源的可靠性，可增加一組蓄電池。

圖1 儲能式電源系統方案一

1.2 儲能式站用電源方案二

如圖2，在現有一充一電直流電源基礎上，增加一組蓄電池和有源逆變；兩組220/110Vdc 蓄電池，容量為500Ah～1000Ah。運行時一組作為直流后備電源，另一組作為儲能充放電，兩組輪換，確保直流電源的可靠性。增加另一組容量更大的蓄電池，做儲能用，電壓為500～800Vdc，配備PCS。10kV 側交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側交流負荷用電和為直流系統提供充電電源，大幅提高直流系統可靠性。

1.3 儲能式站用電源方案三

如圖3，在現有兩充兩電直流電源基礎上，增加一組蓄電池和兩套有源逆變；三組220/110Vdc 蓄電池，容量為500Ah～1000Ah。運行時其中兩組作為直流后備電源，另一組作儲能充放電，三組輪換，確保直流電源的可靠性。增加另一組容量更大的蓄電池，做儲能用，電壓為500～800Vdc，配備PCS。10kV 側交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側交流負荷用電和為直流系統提供充電電源，大幅提高直流系統可靠性。

圖2 儲能式電源系統方案二

圖3 儲能式電源系統方案三

2 電池選擇

作為直流電源系統中的核心部件，蓄電池由最初的開口式鉛酸電池、鎳鎘電池逐步被閥控式免維護電池替代，大大降低了蓄電池維護的工作量，提升了直流電源工作的可靠性。但是閥控式鉛酸蓄電池仍然存在體積和重量大、重金屬污染等問題，近些年也在試點應用磷酸鐵鋰電池，它比鉛酸電池的體積小、重量輕，且不含重金屬。

閥控式免維護鉛酸蓄電池在100%深度放電情況下的循環次數約為300～500 次，而磷酸鐵鋰電池在同樣的放電條件下循環次數可達3000 次以上。因此，電池的選擇要根據儲能式電源系統的主要目標來定。若是側重平抑電網波動并獲取峰谷電價差，則基本上每天要進行一次充放電，宜選用磷酸鐵鋰電池；若是側重通過充放電來監測電池好壞，則不需要頻繁充放電，放電深度也不用高于50%，這種情況從經濟性考慮仍然選用閥控式免維護鉛酸蓄電池。

表1 上海市非居民用戶電價表（分時）

3 儲能式電源價值分析

3.1 提升系統可靠性

（1）10kV 側交流停電時，大容量儲能電池可提供全站低壓側重要交流負荷用電和為直流系統提供充電電源。大幅提高直流系統可靠性和增加直流系統容量。

（2）在站用直流電源的蓄電池放電過程中，可發現蓄電池開路、短路、落后單體、容量不足等問題，提前對電池缺陷進行排查和維護。把現行離線運維改為在線運維。

3.2 節能環保

（1）采用磷酸鐵鋰電池，不含重金屬，比鉛酸蓄電池更環保。

（2）利用變電站屋頂、空地安裝太陽能光伏板和風機，充分利用新能源，供變電站內設備使用。同時儲能系統可以有效平抑光伏、風能發電的波動性，從而推進綠色變電站建設，實現變電站低能耗甚至零能耗。

3.3 輔助服務

（1）不同季節、不同時段，電網負荷的波動很大，增加調峰、調頻電廠容易造成整體效率低下；抽水蓄能電站雖然效率較高，但又受限于地理條件。

（2）大量的變電站采用儲能式電源系統，可有效平抑電網波動。

考慮220V/500Ah 的蓄電池，其儲存的能量為110KWh；

深圳地區3 百多座變電站，全部蓄電池儲能達30MWh；

廣東地區3 千多座變電站，全部蓄電池儲能達300MWh；

全國4 萬多座變電站，全部蓄電池儲能達4GWh。

4 收益計算

本案例以上海地區某工業用電大戶的儲能式站用電源項目進行收益計算。該用電大戶自建變電站，考慮儲能與站用電源結合起來，采用儲能式站用電源方案三。對電源系統進行改造，同時考慮增加1MWh 的儲能，提升站用電源可靠性的同時，具備一定的經濟效益。

上海地區非居民用電采用三時段計費：

兩部制非夏季：

峰時段（8-11 時、18-21 時），

平時段（6-8 時、11-18 時、21-22 時），

谷時段（22 時-次日6 時）。

兩部制夏季：

峰時段（8-11 時、13-15 時，18-21 時），

平時段（6-8 時、11-13 時、15-18 時，21-22 時），

谷時段（22 時-次日6 時）。

經濟收益：

（1）峰谷套利：以上海地區峰谷差價約0.88 元每度電計算，1MWh 如果全部用于削峰填谷，電池按5000 次充放電循環，可獲益376 萬。

（2）降低變壓器容量費：有了儲能系統，可降低兩部制電價中的基本電費部分。向供電局申請變壓器的最大需量可調低，而實際負荷超出最大需量時，由儲能電池提供不足的部分。上海地區基本電費單價是42 元/kVA，假如變壓器容量最大需量減少300kVA，則每月可節約基本電費支出1.26 萬元，一年節約15.12 萬元，十年節約181 萬元。

圖4

電池的循環次數為5000 次，按照一天充放電一次，該電池可運行13.6 年，表格中的收益同樣是電池整個生命周期的收益。

由表2 中可知：總利潤為3，733，682.33。

5 結束語

通過對站用直流電源系統進行改造（增加有源逆變等裝置），同時調整直流監控的控制策略，就可以實現對直流蓄電池健康狀態進行在線監測，發現問題提前預警，對提高直流電源的可靠性具有良好的作用。同時，結合變電站屋頂、空地等安裝的光伏、風能發電，可以讓變電站自身設備消納新能源，建設節能變電站。對部分峰谷差價較大的地區，以某個用電大戶為例進行了儲能式站用電源項目的收益估算，表明該模式下具備投資價值，其它地區項目也可以參考。

表2