孔令怡1，廖麗瑩1，張海武2，趙家萬3
(1.廣西大學電氣工程學院，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，能夠同時對接入點的有功功率和無功功率進行調(diào)節(jié)，為高壓輸電系統(tǒng)提供快速的響應容量，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、特點和國外的應用情況，并對它在電力系統(tǒng)中的不同應用進行了綜述。
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)中用戶負荷附近，構成分布式電力系統(tǒng)，通過其快速響應特性，迅速吸收用戶負荷的變化，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，具有技術相對成熟、容量大、安全可靠、無污染、噪聲低、環(huán)境適應性強、便于安裝等優(yōu)點。
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，其基本結構如圖1所示。
電池組部分一般采用技術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、運行效率上有較明顯優(yōu)勢，所以鈉硫電池的應用更廣泛。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，當我們需要向系統(tǒng)注入有功功率時，便可以控制H>D，這時電池儲能系統(tǒng)的電壓相角超前于系統(tǒng)接入點的電壓相角，所以有功功率由電池儲能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反之亦然。當我們需要向系統(tǒng)注入無功功率時，便可以控制U1>US，這時電池儲能系統(tǒng)的電壓幅值高于系統(tǒng)接入點的電壓幅值，所以無功功率由電池儲能系統(tǒng)流入系統(tǒng)；反之亦然。可見，適當?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用，因為它本身可以快速的對接入點的有功功率和無功功率進行調(diào)節(jié)，所以可以用來提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、提高供電的質(zhì)量，當其容量足夠大時，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
我們一般是把電池儲能系統(tǒng)接在發(fā)電機端，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)的接入點電壓，Uo為無窮大母線電壓。
當電池儲能系統(tǒng)接在這個位置時，它主要用來提高發(fā)電機的穩(wěn)定運行能力。當發(fā)電機受到擾動時，它可以迅速的吸收不平橫的功率流，緩解轉子的振蕩，使發(fā)電機在受到各種擾動時，輸出的狀態(tài)量更加的穩(wěn)定。
(2)、把電池儲能系統(tǒng)接在負荷側
當用戶側對電能質(zhì)量和電壓波形要求較高時，例如電子芯片制造業(yè)，這時就需要把電池儲能系統(tǒng)接在負荷側。圖4是電池儲能系統(tǒng)接在負荷側的示意圖。
圖4中US為電池儲能系統(tǒng)的接入點電壓，U0為無窮大母線電壓，M為等效的動態(tài)負荷，即感應電動機的等效模型，SL為等效的靜態(tài)負荷。動態(tài)負荷與靜態(tài)負荷的比例依照不同的負荷情況并不相同，在工業(yè)負荷中，一般動態(tài)負荷占比較大的比例。
當電池儲能系統(tǒng)接在這個位置時，由于它可以迅速的調(diào)節(jié)接入點的有功功率和無功功率，當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，它可以快速的穩(wěn)定功率，平穩(wěn)負荷的母線電壓，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)中的應用和研究的熱點之一。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，但因為在美國的大城市新擴建輸配電系統(tǒng)成本極高，以及具有高度自動化生產(chǎn)的工業(yè)區(qū)或信息技術中心都需要有高可靠性、高質(zhì)量的電能供應，因此能運行在四個象限的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2617mW的采用鎳鎘蓄電池的BESS，將來可繼續(xù)對其進行擴充，容量最大可達到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，總容量達88mW。
德國很早就對BESS在電力系統(tǒng)中的應用進行了研究，1979年研制生產(chǎn)了儲能測試設備，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)。
由該電池組構成的電池儲能系統(tǒng)，總容量為17mW，配備有兩組815mW電力轉換器。該系統(tǒng)已于1987年投入商業(yè)運行，用于電力系統(tǒng)尖峰負荷轉移及頻率控制。
5、結論
近年來，我國的電力系統(tǒng)建設正處于高速發(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，隨著高精度生產(chǎn)工業(yè)的崛起，奧運會的臨近，對負荷側的供電質(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)中應用可以提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、提高供電的質(zhì)量，甚至可以達到調(diào)峰的目的。而隨著大功率逆變器技術的不斷成熟，電池技術的不斷發(fā)展，電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用前景將越來越廣泛。
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