摘要：储能系统具有能量存储、快速响应、精确功率跟踪等特性，在电网领域应用备受业界关注。近年来，储能产业政策持续出炉，目标集中在可再生能源并网和电网侧，政策红利明显，储能产业在密集政策的推动下迅速发展。本文基于电池储能技术的应用，探讨电力系统中大规模储能电站系统的设备选型方案，以实现绿色用能、提升电网建设和运行水平。
关键词：储能系统；电池储能；电力系统；大规模储能电站
1、引言
储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力等部门的重视。电力系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，不仅更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段，储能技术也被视为电网运行过程中“采—发—输—配—用—储”六大环节中的重要组成部分。
近两年，随着电池储能技术的不断改进，电池储能系统的制造成本和维护成本不断下降、储能设备容量及寿命不断提高，电池储能将得到大规模的应用，成为全球储能产业新的发展趋势。
电池储能系统一般包括储能电池、储能变流器及其控制系统。
2、储能电池选型
2.1电池选型原则：
电力系统大规模储能电站电池选型应兼顾如下几个方面因素：
1）配置灵活，安装建设方便
2）循环寿命长，高安全性、可靠性
3）具有良好的快速响应、充放电能力及较高的充放电转换效率；
4）具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；
5）成本适合。
6）符合环境保护的要求，在电池生产、使用、回收过程中不产生对环境的破坏和污染。
2.2 主要电池类型比较
针对电力系统中主流锂电池、铅酸电池、液流电池、镍氢电池等进行综合对比，结果如下：
1）锂电池能量比为130-200 Wh•kg-1，功率比200-315 MW•kg-1，充放电效率90-95%，常温循环寿命5-15 年，自放电1-2%/月，单位成本1500-2000元/kWh，应用等级为几MW至几十MW级以上，技术成熟，安全，对环境无污染；
2）铅酸电池能量比为30-50 Wh•kg-1，功率比150-350 MW•kg-1，充放电效率60-75%，常温循环寿命5-15 年，自放电2-5%/月，单位成本700-1200元/kWh，应用等级为几MW至几十MW级以上，技术成熟，安全，有毒性物质；
3）液流电池能量比为80-130 Wh•kg-1，功率比50-140 MW•kg-1，充放电效率60-75%，常温循环寿命15-20年，无自放电，单位成本3500-4500元/kWh，应用等级为几MW至几十MW级以上，技术成熟，安全，对环境无污染；
4）镍氢电池能量比为80-90 Wh•kg-1，功率比160-230 MW•kg-1，充放电效率55-65%，常温循环寿命12-20年，自放电25-35%/月，单位成本1300-2500元/kWh，应用等级为几MW，技术成熟，安全，对环境无污染；
2.3 储能电池选型建议
从储能技术经济性来看，锂离子电池综合性质较好，应用较为广泛，有较强的竞争力。钠硫电池和钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，成本昂贵。从运营和维护成本来看，钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营的成本，锂电池和铅炭维护成本较低。铅炭电池成本较低，但不宜深充深放，循环寿命较低。
从度电成本来看，目前铅炭电池度电成本约0.4-0.6元/度，磷酸铁锂电池为0.25-0.45元。
规模化应用电网侧储能电池有两种主流锂离子：磷酸铁锂电池及三元锂电池。
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研究表明，磷酸铁锂具有成本低、循环寿命长、耐高温、安全性高、无污染的特点，另一方面，三元电池尽管能量密度高、低温性能好，但循环寿命一般且存在安全性问题，采用电池管理系统解决三元锂电池的安全问题在实际应用中并没有取得令人满意的结果。
考虑到电网侧储能系统对于安全性的高要求，相较于三元锂电池，磷酸铁锂电池在安全性问题上有着极大优势，更适用于电力储能场合。除技术适用性上的考虑外，综合考虑磷酸铁锂的产能、价格下降趋势，MW级大规模储能电站推荐采用磷酸铁锂电池。
3、储能逆变器选型
储能变流器是构成电池储能系统的一个重要组成部分。储能变流器的功能和性能，对于整个电池储能系统的功能实现和性能优劣，以及系统的安全性，可靠性具有决定性的影响。
目前大规模应用的储能变流器主要有250kW、500kW、630kW、1000kW级以上几种规格。主要特点如下：
1）250kW储能变流器成熟稳定，内置隔离变压器，全新T型三电平拓扑，最高效率在97.5%左右，主要用于工商业，低压直接并网；
2）500kW储能变流器成熟稳定，自身不带隔离变压器，全新T型三电平拓扑，转换效率高，最大效率高达99%；
3）630kW储能变流器，自身不带隔离变压器，转换效率高，全新T型三电平拓扑，最大效率高达99%，单位功率密度大。
3）1000kW级以上储能变流器，目前尚处于试验及试运行阶段，没有大规模应用案例。
目前应用最广泛的大规模储能电站用储能变流器采用单机容量500kW及630kW较多。该类产品在多机并联、黑启动、电网调频等方面都具有成熟的应用案例。
4、储能管理系统
储能管理系统主要有电池管理系统（BMS）、变流器（PCS）系统、站端监控系统（EMS）构成。通过采集电池组、PCS的实时数据，实现储能系统的实时监测和控制，满足电网调峰调频需求和电网安全稳定运行需要。
4.1电池管理系统（BMS）
BMS即电池管理系统，用来管理电池，以便电池能够维持更好的状态，稳定工作。每套电池管理系统包含电池监测电路（CSC）、从电池管理单元（SBMU）、主电池管理单元（MBMU）、高压线路控制单元、储能柜预充电（并联）线路、高压检测单元、热管理单元、电流检测单元、急停系统、以及电池监控系统（PC）等。本管理系统用于检测电池柜内单体电池电压、温度及单柜总电流，计算电池柜电池SOC，存储相关电池柜制造信息、版本信息及必要的运行历史数据，电池管理系统各单元通过CAN总线进行实时通讯，各级传送电池柜电池运行状态及报警信息给上一级管理系统，同时各级实时接收上级管理系统所下发的操作指令。管理系统可自动进行高压及热管理，统筹整个电池柜电池自动平衡功能，必要时，根据计算对SOC自动进行校准。
4.2 变流器（PCS）系统
变流器（PCS）实现的直流与交流能量的双向转化，从而控制储能电池的充电、放电、并控制其速率，从而实现与调度端的互动，实现相应的高级应用功能。
4.3 站端监控系统（EMS）
站端监控系统（EMS）的应用功能主要包括综合监控系统、数据统计分析、全站功率控制、故障报警保护等，并充分利用升压站监控系统配置的远动装置与调度通信。
5 大规模储能电站的发展前景及存在的问题
5.1 发展前景
大规模储能电站建成后能够提高电网调峰能力，延缓输电网升级增容，能够提升电力系统灵活性，助力系统稳定运行，能够有效保护利用电力设备，促进可再生能源应用。中国电力市场化改革持续深入推进，配售电放开、构建灵活价格机制和辅助服务市场试点建设等为储能打开了市场化应用的空间。
5.2 存在的问题
由于储能电站在我国还处于一个初步发展阶段，成熟的建设及运行经验较少，对相关的安全措施和防护措施还缺乏一个较全面深入的研究，因此对生产运行当中所面临的安全和卫生问题的研究还存在一定的不足，从而或多或少的产生事故隐患和发生生产事故，所以我们需借鉴国外的先进管理模式，结合我国自身发展特点，逐步增强当前储能电站安全生产和运行的防范工作。
参考文献：
[1]GB50148-2014.电化学储能电站设计规范
[2]史正军 李勇琦 MW级电池储能站在电网中的应用 科技风 2010（10）252~253
[3]许守平 李相俊 惠东 大规模电化学储能系统发展现状及示范应用综述电力建设 2013（7）
论文作者:吴义敏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/22
标签：储能论文; 电池论文; 变流器论文; 管理系统论文; 电网论文; 成本论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第13期论文;