大容量電池儲能站實(shí)現“說(shuō)走就走”

我國首個(gè)移動(dòng)式大容量全場(chǎng)景電池儲能站—南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站正式投入商業(yè)運行。 受訪(fǎng)單位供圖

98%

該電池儲能站位于保定國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區，功率6兆瓦(MW)，容量超過(guò)7.2兆瓦時(shí)(MWh)，轉換效率達到98%。電站的投運標志著(zhù)我國高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究取得成功，有效解決了電池儲能站應用場(chǎng)景固定限制的難題。

不久前，我國首個(gè)移動(dòng)式大容量全場(chǎng)景電池儲能站——南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站正式投入商業(yè)運行。該電池儲能站位于保定國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區，功率6兆瓦(MW)，容量超過(guò)7.2兆瓦時(shí)(MWh)，轉換效率達到98%。電站的投運標志著(zhù)我國高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究取得成功，有效解決了電池儲能站應用場(chǎng)景固定限制的難題。

此前，我國電池儲能站主要采用低壓380伏(V)儲能系統，經(jīng)變壓器升壓至10千伏(kV)后并入電網(wǎng)儲能發(fā)電。不同于傳統儲能站，南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站應用了高壓級聯(lián)鏈式儲能變流器拓撲，將電池組通過(guò)模塊級聯(lián)方式直接接入10kV高壓交流系統。該儲能站采取集裝箱設計，各電池加裝運輸底座，成為我國第一座無(wú)須配套變壓器的移動(dòng)式電池儲能站，可隨時(shí)靈活“動(dòng)”起來(lái)。

實(shí)現我國電化學(xué)儲能領(lǐng)域的三個(gè)首次

“十四五”時(shí)期是我國新型儲能發(fā)展的重要戰略機遇期?！?ldquo;十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規?；l(fā)展階段，具備大規模商業(yè)化應用條件;到2030年，新型儲能全面市場(chǎng)化發(fā)展。

新型儲能是指除抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)，是構建新型電力系統的重要技術(shù)和基礎裝備，是實(shí)現碳達峰碳中和目標的重要支撐。

“未來(lái)我國大規模的新能源并網(wǎng)消納需要大電網(wǎng)的支撐，尤其是隨著(zhù)新型電力系統建設不斷推進(jìn)，儲能電站應用場(chǎng)景不斷豐富，同時(shí)提出了儲能系統可移動(dòng)性能的新要求。在此背景下，我們開(kāi)展了移動(dòng)式大容量全場(chǎng)景電池儲能站的研發(fā)。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院院長(cháng)、高壓級聯(lián)項目負責人陳滿(mǎn)介紹。該儲能站的特點(diǎn)是大容量、可移動(dòng)，不僅實(shí)現了儲能高效率的目標，還豐富了移動(dòng)式大容量?jì)δ茈娬咀鳛?ldquo;有源式”并網(wǎng)測試平臺等應用場(chǎng)景。

“這好比原來(lái)開(kāi)的是小汽車(chē)，受限于馬力，每次只能拉10噸貨?，F在這個(gè)大容量全場(chǎng)景電池儲能站是大卡車(chē)，直接拉50噸貨甚至更多。”對于大容量，陳滿(mǎn)打了一個(gè)形象的比喻。

據介紹，南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站的示范建設，實(shí)現了我國電化學(xué)儲能領(lǐng)域的三個(gè)首次：首次運用了“H橋”的級聯(lián)結構，可在大幅減少儲能系統數量的情況下，實(shí)現同等儲能效率;首次研究應用電池簇間熱阻隔技術(shù)，對電池柜作耐壓絕緣和防火隔熱處理，在電池陣列之間加裝隔熱板，大幅延長(cháng)火災等極端情況下的救援緩沖時(shí)間至60分鐘;首次攻克了移動(dòng)式大容量電池儲能站黑啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動(dòng)電源服務(wù)。

大容量和可移動(dòng)兩種性能完美結合

如何突破大容量和可移動(dòng)兩種條件的相互制約，是研發(fā)團隊遇到的最為棘手的問(wèn)題。

“一方面，移動(dòng)式電站在空間上的特點(diǎn)限制了硬件結構，如何在有限的空間內將電池、變流器、控制柜等設備高效地排列，同時(shí)保證電氣絕緣可靠和熱管理安全性，這是一個(gè)難題。另一方面，則是大容量、大功率儲能系統設備繁多、結構復雜對移動(dòng)性能的限制，如何在運輸全過(guò)程中對集裝箱及其內部設備狀態(tài)進(jìn)行監測、保障其可靠性，也是必須解決的難題。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院高壓級聯(lián)項目技術(shù)專(zhuān)家李勇琦介紹。

為此，團隊對移動(dòng)式大容量高壓級聯(lián)電池儲能系統的絕緣結構進(jìn)行解剖，創(chuàng )新性地將“H橋”級聯(lián)結構應用于移動(dòng)式電站，可在大幅減少儲能系統數量的情況下，實(shí)現同等儲能效率，從而首次將儲能電站大容量和可移動(dòng)兩種性能完美結合。

隨著(zhù)電化學(xué)儲能蓬勃發(fā)展，電池熱失控的問(wèn)題被暴露在聚光燈下，儲能系統安全性能是電化學(xué)儲能發(fā)展的底線(xiàn)。

“我們不僅對‘事前’措施進(jìn)行了創(chuàng )新和高效的設計，還首次采用了不燃耐火材料，對集裝箱式儲能電站做了簇間熱阻隔設計，延長(cháng)了‘事后’救援緩沖時(shí)間，實(shí)現了在有限的空間內采用最高效的安全措施。”李勇琦表示，這可在最大程度避免出現火燒連環(huán)船的情景。他們首次應用了電池簇間熱阻隔技術(shù)，相當于在船與船之間加上阻燃板。一旦其中一艘船著(zhù)火了，在一定時(shí)間內，仍可讓火勢不蔓延到旁邊船只，為延長(cháng)電池熱失控救援時(shí)間提供了新的思路。

大面積停電后的系統自恢復被通俗地稱(chēng)為黑啟動(dòng)。針對儲能電站的黑啟動(dòng)要求儲能系統具有離網(wǎng)運行模式，且需具備零起升壓、二次調頻調壓、頻率范圍控制等能力，對儲能變流器提出較高要求。為此，團隊逐一攻克了移動(dòng)式大容量電池儲能站黑啟動(dòng)的各關(guān)鍵技術(shù)難題。這是黑啟動(dòng)在移動(dòng)式儲能電站的首次應用，未來(lái)可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動(dòng)電源服務(wù)。

可應用于各類(lèi)電化學(xué)儲能場(chǎng)景

“這樣一座控制技術(shù)成熟、安全性能穩定的移動(dòng)式大容量電池儲能站，可應用于各類(lèi)電化學(xué)儲能場(chǎng)景。”陳滿(mǎn)說(shuō)。

在電源側，該電站可平滑新能源出力波動(dòng)，提供備用容量;在電網(wǎng)側，該電站可改善輸配電網(wǎng)絡(luò )功率分布，滿(mǎn)足設備檢修和線(xiàn)路融冰等特殊時(shí)期的臨時(shí)供電需求;在用戶(hù)側，該電站能夠有效調節季節性區域內負荷，作為電網(wǎng)突發(fā)事故、春運等時(shí)段性事件的應急電源。此外，該電站還可以作為儲能產(chǎn)品并網(wǎng)的性能測試平臺，為不同儲能產(chǎn)品性能對比提供大容量電源。

新能源“看天吃飯”的先天屬性使其帶有間歇性、波動(dòng)性的特征，而電網(wǎng)又要保持電源和負荷的實(shí)時(shí)平衡。“該儲能站所用到的高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)，使電站具有單機容量大的優(yōu)勢，能為新型電力系統提供更好的調節服務(wù)，使得整個(gè)電網(wǎng)更加安全穩定。”陳滿(mǎn)表示。

值得一提的是，自2020年起，南方電網(wǎng)公司在企業(yè)內部大力推動(dòng)科技項目“揭榜掛帥制”落地實(shí)施，面向國家重大科研需求、行業(yè)科技前沿等領(lǐng)域發(fā)動(dòng)科研人員技術(shù)攻關(guān)。該儲能站的“高壓級聯(lián)儲能系統規?；瘧藐P(guān)鍵技術(shù)研究”是首批科技項目“揭榜掛帥制”試點(diǎn)項目之一，由南網(wǎng)儲能公司“掛帥”攻關(guān)，與北京四方公司、上海交通大學(xué)等單位合作研究，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用一體融合實(shí)踐。目前，項目已發(fā)表論文9篇、完成各類(lèi)專(zhuān)利受理授權30余項，下一步項目將實(shí)現更大容量的高壓級聯(lián)，推廣升級前景廣闊。

當前，我國新型儲能技術(shù)正加快發(fā)展，新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫(氨)儲能、熱(冷)儲能等材料領(lǐng)域技術(shù)的相繼涌現，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)熱度的持續升溫。預計到2025年末，新型儲能在電力系統中的裝機規模將達到3000萬(wàn)千瓦以上，年均增長(cháng)50%以上。高壓級聯(lián)作為儲能領(lǐng)域集成應用技術(shù)的創(chuàng )新突破，將持續助推儲能產(chǎn)業(yè)模式的優(yōu)化完善，為服務(wù)構建新型電力系統發(fā)揮積極示范作用。