电池电源如何支持“风吹”和“日照”下的电网

随着像风能这样的可再生能源以史无前例的速度连接电网，储能系统也越来越受到人们的欢迎。仅加利福尼亚一个州就计划在2020年前调试13GW，全球各地也呈现出类似的趋势。加拿大安大略省政府的长期能源计划（“LEp”）呼吁实现总计50MW的能量储存能力。尽管加拿大关注的是能源政策，两者之间似乎没有很大的可比性，但能源存储预计会是促使政策目标取得成功的关键，影响着能源脱碳的结果并最终获得真正的“智能电网”。

据加拿大国家资源委员会（NRC）的数据，尽管加拿大的电网是全世界最好的，但其在未来20年仍需要进行大规模的维护和升级，可能会因此增加能源成本。NRC为电网安全与现代化所倡导的储能开发技术，，用来帮助缓解输电和配电的更新成本，稳定自身是间歇性的可再生能源，以及实现高峰调节和赢利。

虽然储能的媒介形式多样，包括压缩空气、抽水蓄能、重力和飞轮，但基于电池的系统以其先进的设计迅速占有市场份额并得到大家的广泛认可。在经过适当包装，其具备很大的运输与尺寸优势。电池设计和结构方面的不断进步使其效率和寿命更佳且安全性更强。

根据电池的配置和系统的设置，储能能够为电网质量带来多种益处。某些配置可用于快速响应瞬间放电（测量单位为毫秒）用来维持电网频率稳定和电力质量。其他配置则可提供更长时间的输出，实现负荷平衡和高峰调节，甚至能在微电网上实现能量备份。电力公司和电力供应商都面临着协调客户的高峰需求、不可预测的发电资源和基础设施老化等多种问题，电池储能系统（BESS）能够为其提供以下益处：

•频率调整。由于公共电网公司必须维持一个窄频率范围维持，这是pCS（储能逆变器）/BESS（电池储能系统）的一个常见应用。大量的需求会造成频率的轻微降低，尤其是对于容量较低的系统而言。如果电池储能存在子循环响应时间，则其可通过储能逆变器采用高能放电弥补高峰负荷。

•斜率控制/容量稳定。这一点对可再生能源尤其重要，如风能和太阳能电厂。在这些应用中，当输出量由于风能的大幅减少或是云彩遮住太阳能电厂而有所降低时，储能单元能够填补出现的这种空隙。

•VAR支持。电抗性负载会降低输电和配电线路的效率，但恰当设计的电池储能系统能够通过输出可调的有功功率或无功功率对此进行补偿。从而能够更高效地使用电力线路和配电设备。

•替换热备用。当出现发电机故障或非预期输电损失需要消费者降低功耗时备用容量能将输电量维持在一定水平。保持发电机容量空载在线会浪费燃料，并且导致多余的气体排放。电池储能系统能够替代传统热备用发电挤并改善其效率。

•黑启动。有了这一能力，发电厂就能在断电、电网连接中断和/或发电机容量丢失时自我恢复。BESS能够提供重新启动所需的电力。

•赢利/时间转移。这是用于存储低成本电力，将其在之后以较高价格售出。通常来说，其出现在需求较低的时间段。

•输配电升级推迟。对于许多正经历着巨大的电力需求增长且不平衡需求的电力公司而言，能够暂缓对输配基础设施的加固升级非常有吸引力。通常来说，其需求特征为较高的尖峰负荷伴随着渐增的频率。最终，现有的输配基础设施勉强成为电厂和消费者之间的纽带。可在负荷旁安装部署一个电网级电池储能系统以平衡掉功率流并延迟成本巨大的升级。

BESS基础知识

电池储能系统由两个主要部分组成——电池组和用于将电池连接至电网的电力变换系统（pCS）。电池可以是众多化学物质中的一种，，其中锂离子在电网级安装中最受欢迎。单个电池以串联/并联的方式连接在一起获得预期的终端电压，以达到最高效率和所需的存储容量。电池组的一个组成部分是电池管理系统（BMS），其能够监测电池状况、充电率和其他变量。BMS会向pCS或应急管理系统（EMS）报告，使其能够在出现相关电池异常时采取行动。

双向电力转换系统是电池储能系统一个重要组成部分，其负责电池的充电与放电、将直流电（DC）转换为电网使用的交流电（AC）、并保持AC与电网频率同步。

pCS的核心是并网逆变器，一个用于将DC转换为AC的装置。其采用高功率绝缘栅双极晶体管（IGBT），能够在毫秒内以任一方向实现高速切换和全功率传递。对于DC到AC转换而言，该脉宽调制（pWM）切换技术能够自动同步AC电网频率和零交叉。由于是将pCS看作电网的稳定同步发电机，根据IEEE519标准对总谐波的要求，需要配置积分谐波滤波器从而输送出纯正弦波电。根据IEEE1547标准，在电力丢失时系统能实现自动、有序的关断和断开连接，或者是配置成孤岛模式，能，为隔离的微电网提供后备电源。

pCS内的其他元件包括监测操作状况的装置、监测功率质量的装置、以及在出现热或电气过载时提供保护的装置。

BESS设计

考虑到有时要在偏远且崎岖不平处建立风电场，因此BESS的物理设计就成为需要考虑的重要内容。一般在这些地方没有大量环境防护型室内空间可用，因此直接的室外设计就显得尤为关键。良好的热管理是设计并保护逆变器、电池和附件的重要组成部分。传统并网逆变器内的冷却系统设计依靠的是空气或液态水乙二醇。空气冷却的热转换效率低且能耗大。冷冻的水乙二醇需要通过系统泵出大量的液体，该过程会消耗大量空间和电能，还会带来腐蚀和其他保养问题。

为弥补这些缺陷，采用了闭环蒸发冷却方式。在这种冷却系统内，像R134a这样的制冷剂通过低压循环并流经pCS内的热关键组件，包括IGBT、电感器和其他部件。随着来自部件的热量传至制冷剂，其会部分蒸发，形成的蒸汽会送至冷凝器。蒸汽会在冷凝成液态后并返回储存器，之后会再次将其泵出流经主件。

该冷却方法利用了两相系统中“蒸发传热”的优点，经证实非常高效，较水/乙二醇系统而言，所需的液体流量更低，因此所需的泵也尺寸更小且功率更低。

智能功能

除了简单的给电池充电与放电外，许多系统也能够提供另一重要功能——提供有功功率和无功功率。该功能使得BESS能够真正支持电网并“容忍”电网的故障。pCS的固件和可编程性使其能够灵活的进行自主控制与操作。如果pCS内含有功与无功功率管理算法，则能够去除或减少外部电力公司现场管理的功能。考虑到逆变器对电网干扰的耐受性及其在干扰出现时的行动方案，设计良好的pCS应包含稳健的LVRT（低电压穿越）、HVRT（高电压穿越）和FRT（频率穿越）功能，并能够在各种操作状况下出现这类事件时提供无功支持。

目前安装的设施

安大略的电网企业-独立电力系统营运公司（IESO），已从五个提供辅助服务的公司选择了储能技术，用其支持电网达到更高的可靠性和效率。据IESO称，通过购买储能技术，安大略将在新技术测试上取得领先地位，从而帮助管理电力系统出现的各种变化。IESO将从这些新项目（总计34MW）中吸取经验教训，了解如何通过电力存储更好地管理电网的日常操作。

安装在美国本土和国外的并网电池储能系统，将提供更多的学习机会。其中包括：

•西弗吉尼亚州埃尔金斯市AES储能项目：月桂风电场；

•俄罗斯索契市：冬奥会会场；

•俄罗斯圣彼得堡市FSK；

•纽约州约翰逊市：BESS安装设施；

•智利阿塔卡玛市AES-Gener：洛斯安第斯设施；

•华盛顿州斯诺克米西pUD：埃弗里特变电站“MESA-1”项目

典型的户外型储能逆变器

典型户外电池集装箱

模块化的功率单元-方便服务

人机界面图利