大容量电池储能站实现“说走就走”

  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。 受访单位供图

  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探讨研究取得成功，有效解决了电池储能站应用场景固定限制的难题。

  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探讨研究取得成功，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是采用低压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，成为中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。

  “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》明白准确地提出，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，可在大幅度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。

  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、结构较为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，也是一定要解决的难题。”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可以进行解剖，创新性地将“H桥”级联结构应用于移动式电站，可在大幅度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。

  随着电化学储能蒸蒸日上，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，这可在最大限度防止火烧连环船的情景。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，在一段时间内，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。

  “这样一座控制技术成熟、安全稳定性很高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，该电站可以有明显效果地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，该电站还可当作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探讨研究”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。

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