第 33 卷 第 12 期2020 年 12 月
Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity
Vol.33 No.12
Dec.2020
冯浩洋，郭文翀，李健
（广东电网有限责任公司计量中心，广东广州 518049） 摘 要：储能系统提高了发用电的灵活性，实现了用电峰谷的转移，给用户带来了实实在在的经济效益。主要分析了基于低压单级式储能变流器（PCS）的储能系统，通过各种智能算法控制PCS与储能电池，实现电网负荷功率因数控制、储能电池功率管理、电能质量优化监控、系统多种运行模式智能切换等功能，能够完成电力电网与储能电池之间交直流电力互换，实现电力设备和电力系统二者之间电能互通，起到电力系统调峰调频、功率分配优化、电网安全绿稳定运行的作用。 关键词：储能系统；储能变流器；电池管理系统
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1673-0097(2020)12-0008-03
0 引言
电能具有即发即用的特点，电能的供应和需求之间存在时间不完全同步的问题以及空间的分布差异。为了解决上述问题，可以通过储能系统实现电能供给的时空解耦，把一段时期内暂时不用的多余能量通过储能装置收集并储存起来，或运往能量紧缺的地方再使用，使发电用电无须实时平衡。依托用户侧的储能技术，用户可响应电网发布的需求响应，由此带来的负荷峰谷转移，在一定程度上让电网运行得更加稳定、安全、高效［1~3］。
站在需求侧角度来看，储能系统对提高用能经济性大有裨益。储能系统控制储能变流器（Power Conversion System，PCS），可以实现能量的双向流动，观察电能流向可以发现：在谷电价时，电能由电网流向储能电池；在峰电价时，电能由储能电池流向电网或用户。在电能多个主体的互动流动过程中，储能系统的业主利用峰谷差电价赚取收益。站在电网侧角度来看，储能系统可以实现削峰填谷，由于峰负荷的削减，电网可以降低输配电网的增建成本，增加电网安全运行裕度。
实现能量双向流动核心装置的PCS具有控制精度高、速度快、运行稳的优点。若储能系统建设在电网发
电端，对发电系统可以起到调频作用，达到安全、高效、稳定、快准的效果；若储能系统建设在电网输变电端，对输变电系统则能够起到调峰作用，在增强电力电网系统的鲁棒性的同时还可以提高安全性；若储能系统建设在电网配电端，可以改善电能质量，提高电压稳定，提升用户使用舒适度。
储能系统对电力绿新能源的发展、运行、可持续起到了有益的推动作用。针对电力绿新能源的各自特性，如风能的随机性、光伏的间歇性等，储能系统可充分发挥改善电能质量、降低电网线损、增强安全稳定、优化电源结构、减少运行成本等优点，使电力电网能够快速响应电力负荷，真正起到保证电力电网绿、环保、高效、安全、稳定运行的作用［4~5］。
1 一种基于低压单级式PCS的储能系统
基于低压单级式PCS的储能系统主要由几大部分组成：储能变流器、储能电池、配电柜、变压器、电池管理系统和监控系统（见图1）。电力电网使用储能系统可以削峰填谷，平滑电力功率波动，降低电力电压震荡，当电力电网突然掉电时，储能系统可以脱离电力电网独立运行，保证本地电力负荷的安全正常用电，减少因停电带来的巨大损失，保证生产生活正常有序［6］
。
图1 一种基于低压单级式PCS的储能系统
收稿日期：2020-09-18
作者简介：冯浩洋（1978- ），男，广东湛江人，初级工程师，主要研究方向：电力、电子、计算机.
第 12 期一种基于低压单级式PCS的储能系统9
1.1 PCS 电气拓扑方案
基于低压单级式储能变流器的储能系统，通过各种智能算法控制PCS 与储能电池，实现电网负荷功率因数控制、储能电池功率管理、电力电能优化监控、系统多种运行模式智能切换等功能，实现电力电网与储能电池之间的交直流电力互换，完成电力设备和电力系统二者之间的电能互通，起到电力系统调峰调频、功率分配优化、电网安全绿稳定运行的作用。储能系统具备并网和离网两种运行模式，这两种模式可智能切换。PCS 的技术水平直接决定了一套储能系统在电气性能方面的技术水平，是储能系统的核心设备。
储能变流器PCS 拓扑结构：低压单级式，直流侧电池电压范围为610～860V ，交流侧电压范围为稳定的50Hz/380V 的正弦交流电（见图2）。PCS 单机容量可以为1kW 、2kW 、5kW 、10kW 、20kW 、50kW 、100kW 、200kW 、500kW ，甚至更大功率。功率单元实现模块化、产品化设计，根据项目需要，选择搭配合适功率模块，通过模块并联使用，
可以简单地扩大功率容量。
图2 储能变流器PCS拓扑结构
低压单级式储能变流器优点：控制模式灵活，可运
行在给定有功无功电流模式、并网恒功率控制模式、并网恒流充电模式、离网恒压恒频控制模式等；具有优异高效的性能，低于5%的谐波含量，低于3%输出电压失真率，全局响应时间不超过10ms ；具有很低的整机运行损耗，满载效率高达98%；技术领先，具有多模式并离网启动、有功无功解耦控制、调压调频控制、高精度锁相、开关死区补偿技术，从而保证设备的安全性、精确性；支持RS232、RS485、CAN 、以太网、WiFi 等通信功能，可实现PCS 装置与外部装置灵活通信，实现现场监控；设计专业，储能系统内部工艺、结构、散热到外形及安装都体现了多年积累的大功率电力电子设备结构的设计经验，内部器件多但不失结构的紧凑，体积小但能保证散热的高效；可放置于户内外，能适应不同的应用
场合，可根据客户需求提供最佳的匹配方案［7］
。1.2 电池选型方案
目前，储能系统储能部分可以采用硫酸铅电池、三元锂电池、铅炭电池等类型的电池，其中铅炭电池、三元锂电池是当前热点研究领域。
三元锂电池的正极材料为镍钴锰三种材料，其中钴资源方面日渐紧促，钴价格居高不下，三元锂电池成本大约是铅炭电池成本的3～4倍，铅炭电池的成本优势明显。铅炭电池从传统硫酸铅演化而来，继承了硫酸铅电池高一致性的特点。在铅炭电池的制造工艺过程中：铅炭电池负极板添加高活性、高导电性的特殊炭材
料，避免出现硫酸盐化；铅炭电池通过特殊的极板固化
工艺，使活性物质与板栅结合牢固，延缓了活性物质的软化；铅炭电池采用厚极板的结构设计，并且加粗板栅筋条尺寸，提升正极板栅的耐腐蚀性；铅炭电池采用高锡含量的铅钙合金制作正极板栅，提升了正极板栅的
界面导电性，并提高了正极板栅的抗蠕变能力［8］
。相较于硫酸铅电池，上述制造工艺的措施使得传统的铅炭电池在部分荷电态下循环寿命和功率性充放电性能方面得到大幅提高。铅炭电池的循环充电次数可达2000次，而国产三元锂电池的循环充电次数800～1000次，硫酸铅电池循环充电次数在400次以内。
综合成本、一致性和寿命分析，折中考虑研究的储能系统采用铅炭电池。1.3 电池管理方案
储能系统的电池管理系统通过多频点交流放电法检测技术、大数据计算模型，保证监测数据的准确性；
通过电力载波通信技术，无须通信线，即插即用，大量节省安装辅料与人工；采用在线均衡技术，有效延长电池使用寿命；定点巡查，休眠技术，云管理处理数据（见图3）
。
图3 电池管理系统
2 储能系统充放电控制方案
以广东某地区一天峰谷电价的供电时间为例，阐述储能系统的充放电智能控制管理方案，该地区某电价时间划分表（见表1），其中峰段为14:00~17:00、19:00~22:00，平段为其余时段，谷段为00:00~8:00。
表1 电价时间划分表
峰段/（元/kWh ）
平段/（元/kWh ）
谷段/（元/kWh ）
1.0348
0.6393
0.3351
以成本回收期最短原则，根据表1可以得到充放电智能控制（见图4）。在电网谷段时，储能系统以额定功率充电；在电网峰段时，储能系统以电流源的形式输出电能，并根据实时负荷情况调整放电功率指令。确定放电功率指令的两个基本原则：（1）负荷低于500kW 时，以实际
10江西电力职业技术学院学报第 33 卷
负荷值作为功率指令值；（2）负荷高于或等于500kW 时，以额定功率值500kW 作为功率指令值。A 时区：电价谷值，充电至100%；B 时区：电价平值，待机状态；C 时区：电价峰值，放电状态；D 时区：电价平值，待机状态；E 时区：电价峰值，放电状态；F 时区：电价平值，
待机状态。
图4 充放电智能控制
3 应急供电方案
对于客户因电力电网闪停造成的交联机组电力供应短时中断的情况，可结合储能电池的备用容量来应急供电。对该电池选型方案以铅炭电池作为储能电池，70%的放电深度用以日常的削峰填谷获取峰谷差价收益，余下的30%电池容量可作为电力电网闪停时交联机组供电的基本保证。如遇电力电网闪停，电力低压配电房交联机组馈线的快速开关快速断开，储能系统在小于10ms 的时间内无缝切换至电压源的形式，支撑起交联机组的配电电压以及频率，单独对交联机组关键负载供电。4 应用案例
根据客户提供的基础电力数据，经沟通，选择#2变压器（1600kV A ）的低压侧380V 接入储能系统，储能系统安装位置（见图5）
。
图5 储能系统安装位置
基于客户提供的基础电力数据：共11台变压器，
总容量9550kV A ；对应于1600kV A 两台变压器的#1和#2交联机组日常运行均可达400A ，在加温情况下可达800A （2～3h ）；冷冻机组在两台交联机组均运行的情况下可达460A ，夏天最高可达800A ，发生电网闪停时，时间很短，冷冻机组可手动复位，温度几乎没有变化，可暂不考虑作为储能系统的应急供电的对象；对应于1250kV A 两台变压器的#1和#2交联机组日常运行均可达500A ，在加温情况下可达800A （2～3h ）；去年电网闪停4次，电网闪停造成的直接损失：高压交联机组约4万/台/次，低压交联机组约2万/台/次；电网闪停造成的间接损失：考虑高压交联生产线交货延
期风险与电缆定长长度不匹配的再制造风险，损失平均约8万/台/次；在兼顾削峰填谷和应急供电两大功能的情况下，可为1600kV A 的#2变压器均配置1套2.124MWh/500kW 的储能系统，每天充放电1个循环；2.124MWh/500kW 储能系统配置表：2.124MWh 储能电池（1套）、500kWPCS （1套）、监控系统（1套）。5 结束语
基于低压单级式PCS 的储能系统，根据项目需要选配功率单元，全部模块化设计，通过并联使用可以简单地
实现扩容。在电力电网谷段时，储能系统以额 （下转第13页
）
第 12 期电力工程现代防雷技术的相关措施研究13
此可知，长效柔性免维护接地体在实际使用中有很好的效果，且不用进行焊接，使用简单，抗腐蚀性更强。
表1 电气工程施工改造前110kV杆塔的工频接地统计表
杆塔编号接地电阻/Ω3m 以上土壤电阻率/Ωm 地下3~7m 土壤电阻率/Ωm 杆塔编号接地电阻/Ω3m 以上土壤电阻率/Ωm 地下3~7m 土壤电阻率/Ωm 1128.8402.0489.18821.4180018001713.1404.2404.28923.1137713771830.2607.1606.19123.1180018003522.0110111019221.32097209766
19.1
1501
1501
93
21.0
1969
1969
表2 改造后110kV线路杆塔工频接地电阻统计表杆塔编号
接地电阻/Ω
杆塔编号接地电阻/Ω
11 3.188 5.717 4.189 3.818 2.8
91 3.635 4.292 3.066
2.9
93
2.8
柔性接地体水平敷设电力工程的施工，在接地设备或者铁塔四周挖掘0.75~0.85m 深的沟槽，宽度在0.5m 以上，然后将柔性接地体放入沟槽中并延伸至外，用土回填、夯实（见图4）。
图4 柔性接地体施工图
3 结束语
电力工程作为输送与生产电能的建设施工，需要重视变电站中电器设备或输电线路在雷雨天气中遭受雷击的问题，减少对电力设备的损害，降低安全事故的发生风险。在新技术、新科学发展下，要不断对电力工程现代防雷技术进行研究与分析，力求出适合的新技术与手段，增强电力工程防雷能力，保证该工程的安全工作质量。
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［责任编辑 刘小艳］
（上接第10页）定功率充电；在电力电网峰段时，储能系统
以电流源的形式输出电能，根据实时电力负荷情况调整控制放电功率。储能系统对电力电网安全、绿、高效、
稳定运行起到了十分有益的社会作用和经济作用［9~10］
。
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［责任编辑 韩翠丽］
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