[科普中国]-充放储一体化电站

简介

随着环境和能源问题的日益严峻，电动汽车(Electric Vehicle, EV)和可再生能源发电(Renewable Energy Generation, REG)应运而生。电动汽车具有节能环保的优势，可以避免传统燃油汽车环境污染严重、石油消耗量大的缺点2，可再生能源发电则可有效缓解当前电力需求紧张的局面，实现能源战略的可持续发展[[3],[4]。发展电动汽车必须建设与之配套的充电站，而可再生能源技术的可靠运用则离不开储能技术的发展，同时二者的发展还推动了各自产业链的发展，对国民工业有着重要意义。

电动汽车充电站的建设动力来源于电动汽车行业的蓬勃发展，从世界范围来看，日本和美国的电动汽车技术发展速度最快。从上世纪90年代中后期开始日本政府和企业对燃料电池汽车行业投入了巨额资金，随着铿电池性能的提高和价格的不断下降，日本政府开始着力发展电动汽车，各汽车公司也及时调整了方向。在美国，奥巴马总统制定了2015年以前让100万辆电动车上路的目标，政府的鼓励措施让各电动汽车生产商积极参与市场竞争。随着国内汽车工业的飞速发展，国家相继将新能源和新能源汽车列入战略性新兴产业加以重点扶持，电动汽车己进入快速发展时期。根据《电动汽车科技发展“十二五’，专项规划》，2015年我国电动汽车保有量将达到100万辆，2020年将达到500万辆，同时电动汽车充电站等相应基础设施的规划和建设也将相应启动。

储能技术的发展是高可靠性供电和新能源发电技术运用的必然趋势，它作为电网运行“采发输配用储”六大环节中的重要组成部分，受到各国能源、电力、交通等部门的高度重视。在配置大规模高效储能装置后，可以保证区域关键负荷的不间断供电，为电能质量要求高的国家重要部门和企业提供备用电源;其次，储能装置可以提高系统运行的稳定性，有效实现需求侧管理及电网负荷的“削峰填谷”，提升电力设备的利用率，降低旋转设备容量和供电成本;此外，储能技术的运用还可以解决发电与用电的时差矛盾，调节电能品质，消除光伏、风力等间歇式可再生能源发电直接并网时对电网冲击，进而促进可再生能源的发展。可以预计，随着城市电网峰谷差日益扩大，且不断增加的分布式间歇性可再生能源对电网安全影响日趋明显，储能系统作为输电网与配电网之间的纽带，在未来智能电网( Smart Grids, SG架构中将承担越来越重要的角色。

将电动汽车充电站与电力储能电站以及常规变电站的功能相结合，可构建新型的充放储一体化电站，它融合了三者的优势，具有占地面积小、功能多样化、运营成本优等诸多技术优势[}lo},}ll}。随着光伏、风力等新能源发电技术的快速发展，分布式能源向电网的渗透率日益增高，多能源输入的配网系统己经成为一种趋势，将新能源输入充放储一体化电站，可以有效地提高其运行的经济性能。正是由于充放储一体化电站功能的多样化，作为储能电池与电网接口的电力电子变换装置在其中占据着重要地位，合适的功率调节系统(Power Conditioning System, PCS)能大幅提升充放储一体化电站的运营效率和经济性能。

充放储一体化电站发展现状及运用电动汽车充电站电动汽车充换电站的研究和建设因其重大意义而受到国内外众多电力企业、汽车企业和相关研究机构的重视1巴黎是最早将清洁能源汽车引入公交系统的城市，法国电力公司积极建设电动汽车充电设施，并组建了电池租赁公司，截止2008年，法国共有1万多辆各类电动汽车，200座公共充电站。2009年3月，驻扎在欧盟国家的约20多家汽车和能源企业宣布建立联盟，来共同制定电动汽车统一使用的充电站和充电设备标准。美国的Better Place公司与旧金山市拟投资10亿美元在加州建设充电网络，该公司还与以色列、丹麦、澳大利亚、日本、加拿大等国外相关部和企业开展合作，筹建电池更换式充电站。日本东京电力公司于2010年东京率先建成200多座充电站，并预计三年后将增加到1000座以上，日产汽车、住友商事等日本公司则共同规划2020年前再设立4000个电动汽车充电站为购买电动汽车的消费者提供更加便利的服务。

近年来，国内各省市积极开展电动汽车充电站示范工程的建设工作2009年1月，由国家科技部、财政部、发改委、工业和信息化部联合推出了十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程，确定了参与该工程的三批共25个城市。经过几年发展，电动汽车重大科技专项在全国建立了上海、北京、天津、杭州、武汉、威海、株洲等7个电动汽车商业化示范城市，其中上海、北京、杭州、株洲等城市针对示范车型的特点，建设了各具特色的电动汽车充电服务设施。截止2011年底，我国己建成电动汽车充电站314座，电动汽车交流充电桩超过1.6万个。

此外，国内各大企业正加紧电动汽车充电设施的规划和布局，国家电网制定了电动汽车能源供给模式和运营模式方案，计划2015年前在全国建成1700座充电站和300万个充电桩。南方电网也展开了电动汽车充电设施的布局，并计划2012年底前在深圳建设89个充电站及2.95万个充电桩。许多省市也针对自身的发展特点做了电动汽车充电站的建设规划。深圳市政府明确将在全市所有住宅区、社会公共停车场中分批安装新能源汽车充电桩，并计划2012年底在全市28个住宅区、30个政府物业和社会停车场共安装6900个充电桩。湖北省电力公司也计划2012年内建设15座大型充电站和150个交流充电桩。

储能电站储能电站建设的关键在于储能技术的开发，许多发达国家都对此十分重视，特别是在美国、日本及欧盟各国，储能技术的研究和应用均得到了快速发展年起日本东京电气公司联合NGK公司展开了对硫化钠电池作为储能物质的研究。美国电力公司于2002年9月研制了北美第一台容量为SOOkW的硫化钠(NaS)电池能量储存系统(Battery Energy Storage System, BESS。美国阿拉斯加电网于2004年安装了一台峰值可达26.7MW的采用镍福蓄电池的BESS，并可继续对其进行扩充，最大容量可达到40M W。德国很早就对BESS在电力系统中的应用进行了研究，1979年研发了储能测试设备，1981年完成了大规模铅酸蓄电池储能电池组，并组建了总容量为17MW的电池储能系统，配备有两组8.SMW电力转换器。加拿大VRB动力系统公司开发了全钒液流电池(Vanadium Redox-flow Battery, VRB)储能系统，并帮助包括美国、爱尔兰、丹麦、意大利、南非、南非和澳洲金岛等多个国家和地区建立了大规模储能系统，涉及功用包括风/储发电并网、削峰填谷、应急备用电源、电信备用电源、风光互补发电、偏远地区供电等。近年来，随着新能源技术的发展及坚强智能电网(Strong Smart Grid, SSG)的提出，各国对储能技术的发展达到了一个新的高潮。从美国SNL (Sandia National Laboratories), EPRI (Electric Power ResearchInstitute)和NREL (National Renewable Energy Laboratory )等机构公布的数据来看，其立项或己完成的储能系统涉及电池储能(铅酸蓄电池、铿电池等)、液流电池储能(嗅化锌、硫化钠、全钒液流电池等)、空气压缩储能、飞轮储能、超级电容储能以及其它储能方式(抽水储能、超导储能、燃料电池)等多种储能方式的共35个系统。其中，由Primus Power和加州能源委员会、太平洋气电公司、SNL, EPRI等合作开发的液流电池风场储能示范系统，功率为25MW，容量则高达75MWh，该系统位于加州Modesto的中央峡谷，计划2013年2月试运，有望可通过吸收和回馈电能实现负荷搬移、平抑风电间歇性的功率波动，改善电网电能质量3。

2010年10月，中科院上海硅酸盐所和上海电力公司合作研发储能用钠硫电池，实现了100kW/ 800kWh钠硫电池储能电站的并网运行，并在上海世博会期间对外进行了中试阶段的成果展示。2011年4月，国内第一个兆瓦级电池储能站一一SMW铿电池储能站在深圳并网成功，标志着我国大容量电池储能集成应用技术取得实质性进展。此外，近年来还出现了一系列的储能电站示范基地，如上海电力公司槽溪能源转换综合展示基地中的1 SOkW钠硫电池能量转换装置及120kW铿电池能量转换装置;杭州电力公司古翠路电动汽车充换电站SOOkW铿电池能量转换装置;国家风光储输示范工程(一期)SOOkW能量转换装置等。其中，国家风光储输示范项目是国家金太阳重点项目，以风光发电控制和储能系统集成技术为重点，力求解决新能源大规模并网的技术难题。

充放储一体化电站充放储一体化电站兼具充电站和储能电站的优势。在国外，美国加利福尼亚州Santa Monica市政府和爱迪生科技公司在美国能源局的协助下，在Santa Monica小镇修建了一座太阳能充电站，该充电站服务的车辆全都是TOYOTARAV4电动车，充电站剩余的电力则供给位于充电站旁的小区活动中心。纽约长岛建成了基于硫化钠电动公交充电站系统，其功率为1MW容量为7.2MWh，系统由EnerNex公司开发，并邀请了纽约电力局、NGK, ABB公司、DOE及NYSERDA等公司及部门参与，该系统于2009年3月试运成功，满足了长岛公交站峰值功率并且提供了紧急的备用电力，系统每天能为站内的天然气压缩机提供6至8小时高达1 MW的功率，并且在夜间用电低谷时从电网吸收电能，实现了电网负荷的削峰填谷3。

2011年7月，山东电力公司薛家岛电动汽车智能充换储放一体化电站试运成功，该一体化电站可同时为120辆电动公交车充电，配套建设的集中充电站可同时为360辆乘用车充电，电站还可同时满足 280辆公交车的换电需求。在储放功能上，公交车充换电站放电功率为700kW(峰值可达4.2MW，集中充电站最大储放功率则可达4.32MW，电池梯次利用储放电功率为2MW。该一体化电站实现低谷时存贮电能，并在用电高峰和紧急情况下向电网释放电能，峰谷调节负荷为7.02MW(峰值可达10.52MW ) 0 2011年11月，上海嘉定安亭集中充换放储一体化电站奠基，该电站作为国家“863”计划实施“电动汽车智能充放储一体化电站系统及工程示范”课题的配套工程，将具备电动汽车充放电、电池更换与电池储能梯级利用等功能。

1.3

充放储一体化电站功率调节系统的关键技术近年来，国内外研究机构和学者对充放储一体化电站开展了大量的研究工作，研究领域主要涉及如图1.1所示的几个方面。充放储一体化电站的建设和运营是一个复杂的系统工程，国内外均处于探索阶段，它涉及到电力系统、电力电子学、信息通信、经济学、结构设计等多学科的问题，各学科也存在交叉之处。本文主要关注充放储一体化电站功率调节系统的能量变换和控制过程中存在的相关问题。

功率调节系统在充放储一体化电站中起着连接电网或负荷和储能载体的纽带作用，它集充放功能于一体，具有双向功率调节的作用。下面分别介绍其供电方式、拓扑结构和运行模式1。

功率调节系统的供电方式充放储一体化电站功率调节系统的的供电方式如图所示，分为交流母线供电、直流母线供电以及交直流母线混合供电三种。目前应用比较多的是交流供电方式，介绍了几种典型结构，并比较了几种构成方式的设备购置和运行费用，得出了交直流母线供电方式具有较好经济性的结论，但是文中未考虑不同母线构成中由于各变换器祸合带来的系统可靠性问题。

功率调节系统的拓扑结构目前，高压大容量的PCS还没有成熟一致的主电路拓扑，用户需根据不同的运用场合和电池组特性进行优选[[29], [30]。从电路结构来看，PCS主要有图1.3所示的单级式、两级式和组合式3种。图1.3 (a)的单级式拓扑中，电池组通过DC/AC变换器直接到达端口1，一般会加升压型隔离变压器再与电网或负载相连，该型拓扑的优点是结构简单、能耗相对较低，适用于电网中分布式独立电源并网。其主要缺点是储能单元的容量选择缺乏灵活性，对电池组的端电压范围有一定要求。图1.3(b)所示的两级式拓扑中，DC/DC环节可以适应较宽的电池组端电压，端口1处可不经过变压器直接与电网或负载相连，这种拓扑的主要优点是适应性强，所接电池组的配置可以更为灵活，缺点是多了一个DC/DC环节降低了系统转换效率，并且DC/DC环节和DC/AC环节之间还存在阻抗匹配(Impedance Matching, IM)的问题。1图1.3(c)中，双向系统由两个单向拓扑组合而成，K1闭合K2断开时，系统通过AC/DC环节和DC/DC环节给电池组充电;K1断开K2闭合时，系统通过DC/AC环节向端口1放电，该拓扑的优点是各环节硬件电路和控制相对简单，缺点是充放电切换较为麻烦，且电路利用率不高，因此很少使用。

图1.3中，各AC/DC环节和DC/DC环节也有多种拓扑可供选择，其中适用于单级式高压大容量PCS的常用拓扑主要有三相全桥和三相半桥拓扑，以及由其衍生出来的多电平拓扑和级联型拓扑。适用于两级式PCS的常用双向DC/DC拓扑又可分为隔离型和非隔离型隔离型拓扑主要有:正激式、反激式、推挽式和桥式等结构以及它们的组合，隔离变压器的引入可以实现电网与电池系统或分布式电源之间的电气隔离，不存在对地漏电流，安全性能好。非隔离型DC/DC拓扑主要有半桥型、全桥型和Buck-Boost级联型等三种拓扑结构，其结构简单、可靠性好、效率高，缺点是变压比不能太大，且需要考虑共模电流的消除问题。

功率调节系统的运行模式由双向拓扑组成的PCS具有丰富的运行模式。并网运行时，在电池充电阶段，电网为电池组和本地负荷提供电能，PCS在此期间工作于整流充电模式，根据不同的电池类型和荷电状态(State of Charge, SOC)，系统可以选用不同的充电方式。在电池放电阶段，可根据上层系统的要求工作于恒功率模式或者恒流模式。此外，只要参数设计合理，PCS还可以工作于APF和PFC模式，用于补偿本地负载的谐波电流和向电网提供无功支撑。孤岛运行时，PCS则根据系统要求工作于恒压定频模式。

充放储一体化电站原理为电动汽车提供充电服务的充放储一体化电站主要由四部分构成:调度中心、多用途变流装置、充放储电池更换系统和梯次电池储能系统，如图所示。 充放储一体化电站综合了电动汽车充电站、电池更换站与电池储能电站的功能，完成与电网、电动汽车间的信息交互，实现有序能量管理，既可以作为区域电网中的用电负荷，也可以作为分布式电源向电网供电。

一体化电站可等效为四象限变流装置控制的电流源或电压源，其电压源控制算法通过SVPWM控制，使一体化电站作为电压和相角可调的受控电压源来运行，即电压源运行模式。如果将输出电抗器作为内部等值电抗，一体化电站就可以等值于同步发电机，等值电路如图2所示。1电动汽车一体化站的结构与运行。

电动汽车一体化站的设计特点为多功能、多目标，多功能体现在一体化站可为电动汽车用户同时提供快速充电、常规充电以及更换电池等服务，而多目标体现在一体化站作为电网的一个拥有储能能力的智能节点，可并网运行为电网提供增值服务并参与电网调度运行。3

基于以上设计思想，充放储一体化电站的结构如图1所示，由调度中心、多用途变流装置、电池充换系统(充电站)、梯次电池储能系统(梯次站))4个子系统组成。其中，调度中心负责整个电站的调度控制，多用途变流装置实现交流电网和站内直流系统的交一直转换，电池充换系统为电动汽车提供多种充电服务，梯次电池储能系统作为备用电源并网运行，配合一体化站的优化调度。

充放储一体化电站具有一体化的优势，能够规划电池充电次序，开发利用闲置电池以及退役电池的储能价值，电池系统并网运行并配合上层电网调度中心参与优化调度运行，维持电力系统安全稳定运行。

一体化站运行模式一体化站在正常情况下并网运行并为电动汽车提供充换电服务。当上级电网出现紧急状态时需要调整运行方式，提供必要的支持;若上级电网崩溃时则需离网运行，防比电站设备损坏。由此可见，一体化电站的具体运行模式与接入点电网的状态紧密联系。研究中将电网状态划分为正常、警戒、紧急/严重紧急、崩溃以及恢复5个状态。

在5种电网状态下，充放储一体化电站相应调整运行模式，总体而言可采取3种运行模，如图2所示。

1)正常运行模式。

一体化电站的常规状态为正常运行模式，该模式适用于电力系统正常运行状态甚至告警状态。一体化电站处于正常运行模式时，电网各项指标仍处于正常范围内，此时，一体化电站运行以经济优化作为主要目标，利用峰谷时差电价对电动汽车的充放电采取优化控制，同时适当提供包括无功补偿、谐波治理等辅助服务。在正常运行模式下，充放储一体化电站可能的运行子状态包括:充电站充电/放电/不动作和梯次站充电/放电/不动作共9种组合方式。

2)保护运行模式。

一体化站非常规状态为保护运行模式，该模式适用于电力系统出现紧急甚至严重紧急状态，即系统各项运行指标处于稳定边缘。在该运行模式下，一体化站不再以经济目标为主要运行目标，因为若一体化站仍以经济调度方式运行，可能加剧系统的各项指标越限，导致系统失稳。因此，一体化站应调整运行模式，进入保护运行模式，利用一体化电站变流装置的技术优势，采取包括快速有功功率无功功率支持在内的紧急支持措施，协助电网恢复正常运行状态。

3)孤岛(自治)运行模式。

一体化站的特殊运行状态为孤岛运行模式，也称自治运行模式，适用于电力系统崩溃及系统恢复状态。采用该运行模式时，电力系统各项指标己经严重偏离稳定限值，若一体化站仍并网运行将严重损害一体化站电力设备，因此一体化站应迅速解列进入离网运行状态。

一体化站标准运行规程的制定对电厂/电站等而言，运行规程是重要的技术规章制度，关系电厂/电站的安全稳定运行。运行规程的编制是为了使电厂/电站等设备安全运行，可靠提供发电变电服务。从运行人员的角度上讲，运行规程应该要求运行人员了解运行设备、熟悉设备运行特点，为设备运行、操作以及事故处理提供必要的指导以及工作准则，也为各级调度中心调度指挥提供参考依据。

在电力系统运行过程中，根据不同的运行状态，调度人员可有针对性地对电力系统中各电源、网络结构、变电设备及用户等进行运行状态的调整，以符合当前电网的合理运行。

在一体化站运行中，根据电网状态和一体化站当前状态，通过相应的调控可以对电网运行的若干指标进行调节，使其运行在正常范围内，有利于电力系统以及一体化电站的安全稳定运行。

一体化站标准运行规程的编制需要遵照国家有关部门以及上级颁发的有关技术管理规程，如《电业安全工作规程》、《电气事故处理规程》、《电力变压器运行规程》、《发电机运行规程》、《电业生产事故调查规程》以及所在区域电网的《电力系统调度规程》和各类预防事故措施等文件。

根据一体化站的设计特点，标准运行规程由7个部分组成。

1)总则。

一体化站的单站容量为2.5 MW，随着电动汽车的发展，一体化站的需求量将逐步上升，若区域电网的一体化站规模扩大至10个站以上，一体化站总容量将达25 MW以上，这对区域电网的安全稳定运行有着重要影响。为了进一步规范一体化站运行，充分开发一体化站电池储能所能提供的快速功

2)调度中心。

①装置说明。调度中心是充放储一体化站的指挥中心，监控主机位于图3中的监控室，调度中心完成3大功能:监视站内配电系统、充电装置、电池系统、能量转换系统以及电网系统的状态;处理下级数据采集系统上传的信息;根据监测数据制定一体化站的充放电计划，控制一体化站各个子系统的运作。

②运行流程。现场监控装置分布于站内各子系统，获取电池充换系统的电池储能水平状态、充电区域以及换电区域的运行状态、梯次电池储能系统的储能水平状态、电网的运行状态，并通过车载终端获取当前车辆运行信息，包括电池电量状态以及电能需求等;中央处理机根据以上信息制定电池充换系统以及梯次电池储能系统的充电放电计划，发送控制指令控制切换能量转换系统的运行状态，从而控制一体化站与电网之间的能量流动。人机交互平台

实时显示一体化站子系统状态，并存储一体化站的历史运行数据，可实现对一体化站的人工操作控制。

③操作和注意事项。调度中心的操控采用自动化系统，站内繁多的状态信息数据通过局域网传输到主机，主要包括电气设备、保护装置、测控单元等，这些装置与主机实现实时通信。同时，主机通过通信网络将本站调度信息数据实时上传至上级电网调度中心。

3)变流装置。

①装置说明。多用途变流装置是连接电网和一体化站的能量通道，已通过多组整流/逆变器以及直流变换器实现交流电网与站内直流系统之间的能量转换。采用nc/nc-nc/ac拓扑结构的变流装置具有适应性强、控制独立等优点，能满足一体化站的运行控制需求，便于对电池系统进行灵活充放电控制与管理以及并网控制。

②运行流程。变流装置接收来自调度中心的指令，根据指令控制变流装置的运行模式:充电站充电/梯次站充电;充电站充电/梯次站不动作;充电站充电/梯次站放电;充电站不动作/梯次站充电;充电站不动作/梯次站不动作;充电站不动作/梯次站放电;充电站放电/梯次站不动作;充电站放电/梯次站放电。

4)电池充换系统。

①装置说明。电池充换系统是一体化站对电动汽车用户的服务窗口，同时具有电池更换系统和快慢充电装置，适应不同需求。电池充换系统包括充电区、换电池区以及电池维护区3个模块。充电区:配备快速和慢充电装置，并能对电池系统的储备电池按照充电计划进行合理的充放电控制;换电池区:可为电动汽车用户提供快速更换电池服务;电池维护区:位于图3中的电池特性检测室以及梯次利用电池成组区间。电池维护区对电池进行维护，包括电池性能检测以及电池维修等，并进行梯次分组后将可作为动力的电池组送入充换站，动力性能较差的电池送入梯次电池储能站。

电池充换系统通过多用途变流装置从电网充电，在电网发生紧急状况时也可对电网放电。

②运行流程。充电区为抵达一体化站的电动汽车提供常规充电和快速充电方式，对时间要求较高的用户可至换电区快速更换电池。

电池维护区中电池特性检测室对用户更换下来的电池进行测试，将动力性能良好的电池送入电池充换系统，组成储能站并网运行，同时，将丧失动力性能的电池送入梯次电池成组车间进行分组后送入梯次电池系统组成储能站并网运行。此外，对于损坏的电池进行维修后分类送入充电站和梯次站。

除动态检修过程外，对于充电站以及梯次站内电池还需定时检测，及时移除异常电池进行维修和保养。

5)梯次电池储能系统。

①装置说明。梯次电池储能系统对电池维护区的退役电池进行再利用，开发电池的剩余使用价值，构成电池储能系统与电网进行灵活可控的能量互动，提高经济效益以及增强电网运行可靠性。

②运行流程。梯次电池储能系统实时掌握将电池维护区中梯次利用电池成组车间的电池情况，当站内电池容量缺额时从成组车间获取梯次电池加入储能系统，并定期检测储能电池状态，将储能性能失效的电池移除。

6)站内配电系统。

①装置说明。站内配电系统是一体化站正常运行的基础，为一体化站内各设备装置提供电源，同时提供一体化站内的照明、温控等系统的供电。

②运行流程。正常情况下配电系统由电网供电，为站内设备提供电源;当一体化站进入孤岛自治运行时，配电系统由充电站和梯次站供电，维持一体化站设备的正常运转1。

7)一体化站异常及事故处理。

①电网进入紧急状态。当一体化站接入的上级电网进入紧急状态时，电网各运行指标己经严重越限，一体化站调度中心控制一体化改变运行模式，进入保护运行模式，为电网提供紧急支持服务。该模式下一体化站暂停电动汽车充换电服务，2个电池储能站均并网运行，根据调度中心指令对电网进行全功率充/放电。

②电网进入崩溃状态以及恢复状态。当一体化站接入的上级电网进入崩溃状态以及恢复状态时，电网紧急控制措施己无法将其调整至正常运行状态，此时一体化站若维持并网运行，将由于接入点电压电流等严重偏离额定值而严重损坏一体化站站内设备，因此，一体化站调度中心控制一体化站脱离电网运行，进入孤岛自治运行模式，不再与电网进行功率支持。