一、概述大容量電池儲能系統(tǒng)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用已歷經(jīng)20余載。初期，這類系統(tǒng)主要服務(wù)于孤立電網(wǎng)，承擔(dān)調(diào)頻、熱備用、調(diào)壓及備份等關(guān)鍵任務(wù)。隨著新能源并網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電池儲能系統(tǒng)也逐步融入這一領(lǐng)域。例如，上世紀(jì)90年代末，德國在Herne光伏電站和Bocholt風(fēng)電場分別部署了2MWh的電池儲能系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)削峰填谷、保障不間斷供電并提升電能質(zhì)量。自2003年起，日本Hokkaido風(fēng)電場更是采用了6MW/6MWh的全釩液流電池儲能系統(tǒng)，以平抑輸出功率的波動。至2009年，英國EDF電網(wǎng)又在東部一個11KV配電網(wǎng)中配置了鋰離子電池儲能系統(tǒng)，用于潮流和電壓控制，以及有功和無功的精細調(diào)節(jié)。綜上所述，儲能電站（系統(tǒng)）在電網(wǎng)中的應(yīng)用目的廣泛，涵蓋了負(fù)荷調(diào)節(jié)、新能源接入、線損彌補、功率補償?shù)榷鄠€方面。這些功能不僅優(yōu)化了電網(wǎng)的運行曲線，更在削峰填谷、減少線損、延長線路和設(shè)備壽命以及改善電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了顯著作用。同時，儲能電站的綠色特性也日益凸顯，其科學(xué)安全的建設(shè)方式、短周期的施工特點以及綠色環(huán)保、資源節(jié)約的優(yōu)勢，都使其成為未來電網(wǎng)建設(shè)不可或缺的一環(huán)。

二、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中，大容量電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計必須遵循一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅確保了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，還為其在電網(wǎng)中的高效應(yīng)用提供了有力支持。設(shè)計過程中，必須充分考慮電池的容量、充放電效率、壽命以及與電網(wǎng)的兼容性等多個因素，以確保儲能系統(tǒng)能夠滿足電力需求，實現(xiàn)優(yōu)化電網(wǎng)運行的目標(biāo)。同時，隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新和完善，以適應(yīng)電力行業(yè)的新需求和新挑戰(zhàn)。

三、儲能電站（配合光伏并網(wǎng)發(fā)電）方案1系統(tǒng)架構(gòu)本方案旨在探討儲能電站如何與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同工作。因此，所設(shè)計的系統(tǒng)不僅包含光伏組件陣列、光伏控制器等核心部件，還融入了電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器以及儲能電站聯(lián)合控制調(diào)度系統(tǒng)等關(guān)鍵組件。這樣的架構(gòu)使得整個發(fā)電系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運行，滿足電力需求，優(yōu)化電網(wǎng)性能。

儲能電站（配合光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用）架構(gòu)圖

光伏組件陣列通過太陽能電池板的光伏效應(yīng)，將光能高效轉(zhuǎn)換為電能，并為鋰電池組充電。隨后，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為負(fù)載提供穩(wěn)定供電。智能控制器實時監(jiān)測日照強度和負(fù)載變化，智能調(diào)節(jié)蓄電池組的工作狀態(tài)。它能夠直接將調(diào)整后的電能輸送給直流或交流負(fù)載，同時將多余電能儲存至蓄電池。當(dāng)發(fā)電量不足以滿足負(fù)載需求時，控制器會智能地從蓄電池中提取電能，確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行。并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由多臺逆變器協(xié)同工作，將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的380V市電。這些電能可接入用戶側(cè)低壓電網(wǎng)，或經(jīng)升壓變壓器送入高壓電網(wǎng)，實現(xiàn)高效并網(wǎng)發(fā)電。鋰電池組在系統(tǒng)中扮演著能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的重要角色。它能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進行儲存，以確保在供電不足時能夠提供支持。

2儲能電池組(1)電池選型原則對于配合光伏發(fā)電接入的儲能電站而言，儲能電池的選型至關(guān)重要。它必須滿足一系列嚴(yán)格的要求，以確保電站能夠高效、安全地運行。這些要求包括：電池應(yīng)易于實現(xiàn)多方式組合，以適應(yīng)不同的工作電壓和電流需求；其容量和性能必須可檢測和可診斷，從而為控制系統(tǒng)的調(diào)度控制提供準(zhǔn)確的信息；此外，電池還需具備高安全性和可靠性，以確保在正常使用情況下能夠穩(wěn)定工作至少15年，并且在極限情況下也不會發(fā)生危及電站安全的故障。同時，電池應(yīng)具備快速響應(yīng)和大倍率充放電能力，以及較高的充放電轉(zhuǎn)換效率。在安裝、維護和環(huán)境適應(yīng)性方面，電池也需表現(xiàn)出色，并符合環(huán)境保護的要求。(2)主要電池類型比較目前，市場上存在多種類型的電池，每種都有其獨特的應(yīng)用場合和性能特點。例如，鈉硫電池和全釩液流電池非常適合用于大規(guī)模削峰填谷和平抑可再生能源發(fā)電波動；磷酸鐵鋰電池則具有廣泛的應(yīng)用范圍，既可選擇作為功率型電池也可作為能量型電池；而閥控鉛酸電池雖然安全性可接受，但其廢舊蓄電池可能對土壤和水源造成嚴(yán)重污染。在能量密度方面，鈉硫電池和全釩液流電池表現(xiàn)出色，而磷酸鐵鋰電池和閥控鉛酸電池則相對較低。此外，各種電池的倍率特性、轉(zhuǎn)換效率和壽命也各有差異。在成本方面，不同類型的電池也各有千秋。

15000元/kWh

3000元/kWh

700元/kWh資源和環(huán)保

資源豐富，但存在環(huán)境風(fēng)險

資源豐富

資源豐富且環(huán)境友好

資源豐富，但存在環(huán)境風(fēng)險MW級系統(tǒng)占地

150-200平米/MW

800-1500平米/MW

100-150平米/MW(h)

150-200平米/MW關(guān)注點

安全、成本一致性

可靠性、成熟性、成本

一致性

一致性、壽命(3)建議方案

從初始投資成本角度看，鋰離子電池具有顯著優(yōu)勢，尤其是磷酸鐵鋰電池。然而，鈉硫電池和全釩液流電池由于尚未完全產(chǎn)業(yè)化，供應(yīng)渠道受限，因此價格相對較高。在運營和維護成本方面，鋰電池表現(xiàn)出色，幾乎無需維護。綜合考慮國內(nèi)外儲能電站的應(yīng)用現(xiàn)狀及電池特點，建議儲能電站主要選用磷酸鐵鋰電池。3電池管理系統(tǒng)(BMS)(1)電池管理系統(tǒng)的要求儲能電站中的儲能電池通常由數(shù)十至數(shù)百串電池組構(gòu)成，這會導(dǎo)致電池參數(shù)如內(nèi)阻、電壓和容量等方面的不一致性。這種不一致性在電池充滿或放完時表現(xiàn)得尤為明顯，可能導(dǎo)致部分電池過充或過放，進而影響整個電池組的性能和壽命。因此，對于磷酸鐵鋰電池組而言，配備均衡保護電路顯得尤為重要。此外，鋰電池的電池管理系統(tǒng)還需滿足更多要求，以確保儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。(2)電池管理系統(tǒng)BMS的具體功能包括單體電池電壓均衡功能在內(nèi)的基本保護功能。通過實時監(jiān)測和調(diào)控單體電池的電壓，可以有效減少電池組中電壓的不一致性，從而延長電池的使用壽命并提高整體性能。

此功能旨在糾正串聯(lián)電池組中因電池單體工藝差異而產(chǎn)生的電壓或能量差異，防止個別單體電池因過充或過放而性能衰退或損壞，確保所有單體電池的電壓差異控制在合理范圍內(nèi)。具體要求是各節(jié)電池之間的誤差控制在±30mv以內(nèi)。

此外，電池管理系統(tǒng)還具備多項保護功能，如單體電池過壓、欠壓、過溫報警，以及電池組過充、過放、過流保護等，以確保電池安全。同時，它還能采集單體電池電壓、溫度、組端電壓、充放電電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過通訊接口與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。在診斷方面，BMS能夠分析診斷電池性能，包括實時測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)，通過建立的分析診斷模型，得出單體電池的當(dāng)前容量、剩余容量、健康狀態(tài)以及電池組的整體狀態(tài)評估。此外，它還能估算在放電時當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電的時間。此外，BMS還負(fù)責(zé)熱管理，確保鋰電池模塊在充電過程中產(chǎn)生的熱量得到及時有效管理，防止溫度過高。同時，在遇到異常情況時，BMS能夠給出故障診斷告警信號，并通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上層控制系統(tǒng)，以便及時處理故障。

對儲能電池組中的每串電池進行持續(xù)監(jiān)控，通過實時監(jiān)測電壓、電流等關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合內(nèi)阻變化率和溫升情況，迅速發(fā)現(xiàn)并定位可能存在的故障電池。一旦檢測到不良電池，系統(tǒng)會立即發(fā)出告警信號，并采取相應(yīng)措施進行處理，以確保電池組的安全運行。此外，系統(tǒng)還具備自檢功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)自身軟硬件的潛在問題，從而確保整個儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。在保護技術(shù)方面，系統(tǒng)采用了多種策略，包括能量轉(zhuǎn)移法等容錯技術(shù)，以應(yīng)對單體電池的故障情況。同時，過壓、欠壓、過流等故障情況也會觸發(fā)保護機制，通過切斷回路等方式確保電池的安全。此外，系統(tǒng)還具備快速的短路保護功能，能夠在微秒級的時間內(nèi)切斷回路，有效避免短路對電池造成的損害。另外，系統(tǒng)還提供了蓄電池在線容量評估功能。通過測量動態(tài)內(nèi)阻、真值電壓等參數(shù)，并結(jié)合充電與放電特性，建立數(shù)學(xué)分析診斷模型，實現(xiàn)對電池剩余電量SOC的準(zhǔn)確預(yù)測。這一功能能夠幫助用戶及時了解電池的實時狀態(tài)，為電池的維護和管理提供有力支持。

為了消除電池電量變化對測量的影響，可以采取動態(tài)更新電池電量的措施。具體而言，就是將上一次放電的電量作為本次放電的基準(zhǔn)，從而隨著電池的使用，基準(zhǔn)電量會相應(yīng)減少。同時，基準(zhǔn)電量還需根據(jù)外部環(huán)境溫度的變化進行適時調(diào)整。接下來，我們探討蓄電池的健康狀態(tài)評估。通過對鋰電池整個壽命周期的充放電特性進行詳細分析，并運用曲線擬合和對比方法，可以得出蓄電池的健康狀態(tài)評估值SOH。此外，還需根據(jù)實際運行環(huán)境對評估值進行必要的修正。在電池管理方面，熱管理是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。在電池的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮如何有效散熱，以防止電池鼓脹并確保其穩(wěn)定運行。BMS系統(tǒng)包含溫度檢測功能，能夠?qū)崟r監(jiān)控電池溫度。一旦溫度超過保護閾值，系統(tǒng)將啟動風(fēng)機進行強制冷卻；若溫度達到危險水平，電池堆將自動退出運行。此外，儲能電站內(nèi)的并網(wǎng)控制子系統(tǒng)也至關(guān)重要。該子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為適合電網(wǎng)使用的交流電。其中，大功率PCS拓?fù)涞脑O(shè)計是關(guān)鍵之一。它不僅需要符合大容量電池組的電壓和功率要求，還要確保結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，并能靈活地進行整流和逆變雙向切換。同時，采用常規(guī)功率開關(guān)器件，設(shè)計模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化也是必不可少的。此外，并網(wǎng)諧波含量低、濾波簡單也是大功率PCS拓?fù)涞闹匾l(fā)展目標(biāo)。在早期，低壓等級（2kV以下）電池組的PCS系統(tǒng)通常采用多重化技術(shù)的多脈波變換器，功率管則選用晶閘管或GTO。然而，隨著新型電池技術(shù)的出現(xiàn)以及功率器件和拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展，較高電壓等級（5kV~6kV）的電池組PCS系統(tǒng)已逐漸采用多電平技術(shù)，功率管則采用IGCT或IGBT串聯(lián)。

另外一種可行的方案是采用DC/DC+DC/AC兩級變換結(jié)構(gòu)。首先，通過DC/DC變換器將電池組輸出升壓，然后再通過DC/AC逆變器進行轉(zhuǎn)換。在大功率電池應(yīng)用中，非隔離型雙向Buck/Boost電路是常用的DC/DC變換器拓?fù)洌捎枚嗄K交錯并聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)容量擴展。而DC/AC部分則涉及多重化、多電平以及交錯并聯(lián)等大功率變流技術(shù)，旨在降低并網(wǎng)諧波并簡化并網(wǎng)接口。對于大容量電池儲能系統(tǒng)，建議采用電壓源型PCS并聯(lián)接入電網(wǎng)。這種設(shè)計使得PCS能夠在四象限運行，從而獨立地進行有功和無功控制。鑒于電池組電壓等級通常低于2kV，且大容量電池儲能系統(tǒng)具有低壓大電流的特性，采用單級DC/AC變換結(jié)構(gòu)可能更為合適。通過升壓變壓器接入電網(wǎng)，并結(jié)合多變流器單元并聯(lián)技術(shù)進行擴容，同時采用移相載波調(diào)制和環(huán)流抑制策略來實現(xiàn)單元間的功率均衡。這種結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、模塊化程度高、容錯性好且效率高。在PCS控制策略方面，需要滿足高效安全電池充放電、符合電網(wǎng)相關(guān)并網(wǎng)導(dǎo)則、進行獨立的有功和無功調(diào)節(jié)以及適應(yīng)電網(wǎng)故障運行等要求。國內(nèi)外對分布式發(fā)電中并網(wǎng)變流器控制策略的研究已相當(dāng)廣泛，常采用雙閉環(huán)控制策略。外環(huán)根據(jù)控制目標(biāo)的不同提出多種策略，如PQ控制、下垂控制、虛擬同步機控制等；內(nèi)環(huán)則一般采用電流環(huán)，提出自然坐標(biāo)系、靜止坐標(biāo)系和同步坐標(biāo)系下的多種控制方法。對于電池儲能系統(tǒng)PCS控制而言，除了滿足常規(guī)并網(wǎng)變流器要求外，還需特別關(guān)注電池充放電特性，尤其是在電網(wǎng)故障情況下的控制策略。因此，建議采用多目標(biāo)變流器控制策略，精確控制充放電過程中的電壓和電流，同時根據(jù)調(diào)度指令進行有功和無功調(diào)節(jié)；同時具備低電壓穿越能力，確保在電網(wǎng)電壓降低或輸出端短路時仍能穩(wěn)定輸出額定電流。4儲能電站聯(lián)合控制調(diào)度子系統(tǒng)常規(guī)的儲能電站控制系統(tǒng)產(chǎn)品往往來自不同供應(yīng)商，各自遵循一套標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致整個電站可能運行著多種規(guī)約。在集成不同廠商產(chǎn)品時，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置成為必要，這不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜性、降低了可靠性，還推高了成本和維護難度。為此，本方案推薦采用IEC61850系統(tǒng)方案。IEC61850是變電站自動化系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保不同制造廠商的產(chǎn)品具有互操作性，便于集成到同一系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確交換。由于聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)也采用IEC61850協(xié)議，因此儲能電站同樣采用此標(biāo)準(zhǔn)有利于實現(xiàn)與聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)的無縫信息交互。儲能電站控制系統(tǒng)采用模塊化、功能集成的設(shè)計理念，構(gòu)建了系統(tǒng)層和設(shè)備層兩層架構(gòu)。全站監(jiān)控采用100M光纖以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)層，主要承擔(dān)實時數(shù)據(jù)采集及與聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)的通信任務(wù)。實時數(shù)據(jù)采集涉及從功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等多個來源獲取關(guān)鍵信息，如電池容量、線路狀態(tài)、電流及功率參數(shù)等。同時，該層還需將儲能電站的實時數(shù)據(jù)和故障信息上傳至聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)，并接收其下發(fā)的控制指令。設(shè)備層則包括電池管理系統(tǒng)（BMS）及其智能組件、能量管理系統(tǒng)（PCS）及其智能組件以及配電系統(tǒng)的保護測控裝置等關(guān)鍵設(shè)備。

電池管理系統(tǒng)（BMS）及其智能組件對儲能系統(tǒng)的安全運行、控制策略選擇、充電模式以及運營成本都有著深遠的影響。在電池的充電與放電過程中，BMS需實時監(jiān)控電池狀態(tài)并診斷故障，同時通過智能組件將相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為IEC61850協(xié)議，經(jīng)光以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。這樣，監(jiān)控系統(tǒng)能采用更合理的控制策略，從而有效且高效地利用電池。能量管理系統(tǒng)（PCS）及其智能組件則負(fù)責(zé)控制電池的充放電，確保儲能系統(tǒng)能并網(wǎng)運行。研究多目標(biāo)的變流器控制策略，不僅精確控制充放電過程中的電壓和電流，確保電池組高效工作，還能根據(jù)調(diào)度指令進行雙向平滑切換運行，實現(xiàn)有功、無功的獨立控制。此外，在電網(wǎng)故障時，多儲能PCS單元的協(xié)調(diào)控制能保障局部電網(wǎng)的安全運行。智能組件同樣將PC