大容量电池储能站实现“说走就走”

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不久前，我国首个移动式大容量全场景电池储能站——南方电网河北保定电池储能站正式投入商业运行。该电池储能站位于保定国家高新技术产业开发区，功率6兆瓦（MW），容量超过7.2兆瓦时（MWh），转换效率达到98%。电站的投运标志着我国高压级联关键技术研究取得成功，有效解决了电池储能站应用场景固定限制的难题。
此前，我国电池储能站主要采用低压380伏（V）储能系统，经变压器升压至10千伏（kV）后并入电网储能发电。不同于传统储能站，南方电网河北保定电池储能站应用了高压级联链式储能变流器拓扑，将电池组通过模块级联方式直接接入10kV高压交流系统。该储能站采取集装箱设计，各电池加装运输底座，成为我国第一座无须配套变压器的移动式电池储能站，可随时灵活“动”起来。
实现我国电化学储能领域的三个首次
“十四五”时期是我国新型储能发展的重要战略机遇期。《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出，到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件；到2030年，新型储能全面市场化发展。
新型储能是指除抽水蓄能以外的新型储能技术，是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。
“未来我国大规模的新能源并网消纳需要大电网的支撑，尤其是随着新型电力系统建设不断推进，储能电站应用场景不断丰富，同时提出了储能系统可移动性能的新要求。在此背景下，我们开展了移动式大容量全场景电池储能站的研发。”南网储能公司储能科研院院长、高压级联项目负责人陈满介绍。该储能站的特点是大容量、可移动，不仅实现了储能高效率的目标，还丰富了移动式大容量储能电站作为“有源式”并网测试平台等应用场景。
“这好比原来开的是小汽车，受限于马力，每次只能拉10吨货。现在这个大容量全场景电池储能站是大卡车，直接拉50吨货甚至更多。”对于大容量，陈满打了一个形象的比喻。
据介绍，南方电网河北保定电池储能站的示范建设，实现了我国电化学储能领域的三个首次：首次运用了“H桥”的级联结构，可在大幅减少储能系统数量的情况下，实现同等储能效率；首次研究应用电池簇间热阻隔技术，对电池柜作耐压绝缘和防火隔热处理，在电池阵列之间加装隔热板，大幅延长火灾等极端情况下的救援缓冲时间至60分钟；首次攻克了移动式大容量电池储能站黑启动关键技术，可为局部电网提供灵活、快速、可靠的黑启动电源服务。
大容量和可移动两种性能完美结合
如何突破大容量和可移动两种条件的相互制约，是研发团队遇到的最为棘手的问题。
“一方面，移动式电站在空间上的特点限制了硬件结构，如何在有限的空间内将电池、变流器、控制柜等设备高效地排列，同时保证电气绝缘可靠和热管理安全性，这是一个难题。另一方面，则是大容量、大功率储能系统设备繁多、结构复杂对移动性能的限制，如何在运输全过程中对集装箱及其内部设备状态进行监测、保障其可靠性，也是必须解决的难题。”南网储能公司储能科研院高压级联项目技术专家李勇琦介绍。
为此，团队对移动式大容量高压级联电池储能系统的绝缘结构进行解剖，创新性地将“H桥”级联结构应用于移动式电站，可在大幅减少储能系统数量的情况下，实现同等储能效率，从而首次将储能电站大容量和可移动两种性能完美结合。
随着电化学储能蓬勃发展，电池热失控的问题被暴露在聚光灯下，储能系统安全性能是电化学储能发展的底线。
“我们不仅对‘事前’措施进行了创新和高效的设计，还首次采用了不燃耐火材料，对集装箱式储能电站做了簇间热阻隔设计，延长了‘事后’救援缓冲时间，实现了在有限的空间内采用最高效的安全措施。”李勇琦表示，这可在最大程度避免出现火烧连环船的情景。他们首次应用了电池簇间热阻隔技术，相当于在船与船之间加上阻燃板。一旦其中一艘船着火了，在一定时间内，仍可让火势不蔓延到旁边船只，为延长电池热失控救援时间提供了新的思路。
大面积停电后的系统自恢复被通俗地称为黑启动。针对储能电站的黑启动要求储能系统具有离网运行模式，且需具备零起升压、二次调频调压、频率范围控制等能力，对储能变流器提出较高要求。为此，团队逐一攻克了移动式大容量电池储能站黑启动的各关键技术难题。这是黑启动在移动式储能电站的首次应用，未来可为局部电网提供灵活、快速、可靠的黑启动电源服务。
可应用于各类电化学储能场景
“这样一座控制技术成熟、安全性能稳定的移动式大容量电池储能站，可应用于各类电化学储能场景。”陈满说。
在电源侧，该电站可平滑新能源出力波动，提供备用容量；在电网侧，该电站可改善输配电网络功率分布，满足设备检修和线路融冰等特殊时期的临时供电需求；在用户侧，该电站能够有效调节季节性区域内负荷，作为电网突发事故、春运等时段性事件的应急电源。此外，该电站还可以作为储能产品并网的性能测试平台，为不同储能产品性能对比提供大容量电源。
新能源“看天吃饭”的先天属性使其带有间歇性、波动性的特征，而电网又要保持电源和负荷的实时平衡。“该储能站所用到的高压级联关键技术，使电站具有单机容量大的优势，能为新型电力系统提供更好的调节服务，使得整个电网更加安全稳定。”陈满表示。
值得一提的是，自2020年起，南方电网公司在企业内部大力推动科技项目“揭榜挂帅制”落地实施，面向国家重大科研需求、行业科技前沿等领域发动科研人员技术攻关。该储能站的“高压级联储能系统规模化应用关键技术研究”是首批科技项目“揭榜挂帅制”试点项目之一，由南网储能公司“挂帅”攻关，与北京四方公司、上海交通大学等单位合作研究，推动产学研用一体融合实践。目前，项目已发表论文9篇、完成各类专利受理授权30余项，下一步项目将实现更大容量的高压级联，推广升级前景广阔。
当前，我国新型储能技术正加快发展，新型锂离子电池、液流电池、飞轮、压缩空气、氢（氨）储能、热（冷）储能等材料领域技术的相继涌现，带动产业热度的持续升温。预计到2025年末，新型储能在电力系统中的装机规模将达到3000万千瓦以上，年均增长50%以上。高压级联作为储能领域集成应用技术的创新突破，将持续助推储能产业模式的优化完善，为服务构建新型电力系统发挥积极示范作用。