不久前，我國首個移動式大容量全場景電池儲能站——南方電網河北保定電池儲能站正式投入商業運行。該電池儲能站位于保定國家高新技術產業開發區，功率6兆瓦(MW)，容量超過7.2兆瓦時(MWh)，轉換效率達到98%。電站的投運標志著我國高壓級聯關鍵技術研究取得成功，有效解決了電池儲能站應用場景固定限制的難題。
此前，我國電池儲能站主要采用低壓380伏(V)儲能系統，經變壓器升壓至10千伏(kV)后并入電網儲能發電。不同于傳統儲能站，南方電網河北保定電池儲能站應用了高壓級聯鏈式儲能變流器拓撲，將電池組通過模塊級聯方式直接接入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，成為我國第一座無須配套變壓器的移動式電池儲能站，可隨時靈活“動”起來。
實現我國電化學儲能領域的三個首次
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“十四五”時期是我國新型儲能發展的重要戰略機遇期。《“十四五”新型儲能發展實施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業化初期步入規模化發展階段，具備大規模商業化應用條件;到2030年，新型儲能全面市場化發展。
新型儲能是指除抽水蓄能以外的新型儲能技術，是構建新型電力系統的重要技術和基礎裝備，是實現碳達峰碳中和目標的重要支撐。
“未來我國大規模的新能源并網消納需要大電網的支撐，尤其是隨著新型電力系統建設不斷推進，儲能電站應用場景不斷豐富，同時提出了儲能系統可移動性能的新要求。在此背景下，我們開展了移動式大容量全場景電池儲能站的研發。”南網儲能公司儲能科研院院長、高壓級聯項目負責人陳滿介紹。該儲能站的特點是大容量、可移動，不僅實現了儲能高效率的目標，還豐富了移動式大容量儲能電站作為“有源式”并網測試平臺等應用場景。
“這好比原來開的是小汽車，受限于馬力，每次只能拉10噸貨。現在這個大容量全場景電池儲能站是大卡車，直接拉50噸貨甚至更多。”對于大容量，陳滿打了一個形象的比喻。
據介紹，南方電網河北保定電池儲能站的示范建設，實現了我國電化學儲能領域的三個首次：首次運用了“H橋”的級聯結構，可在大幅減少儲能系統數量的情況下，實現同等儲能效率;首次研究應用電池簇間熱阻隔技術，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，大幅延長火災等極端情況下的救援緩沖時間至60分鐘;首次攻克了移動式大容量電池儲能站黑啟動關鍵技術，可為局部電網提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務。
大容量和可移動兩種性能完美結合
如何突破大容量和可移動兩種條件的相互制約，是研發團隊遇到的最為棘手的問題。
“一方面，移動式電站在空間上的特點限制了硬件結構，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，同時保證電氣絕緣可靠和熱管理安全性，這是一個難題。另一方面，則是大容量、大功率儲能系統設備繁多、結構復雜對移動性能的限制，如何在運輸全過程中對集裝箱及其內部設備狀態進行監測、保障其可靠性，也是必須解決的難題。”南網儲能公司儲能科研院高壓級聯項目技術專家李勇琦介紹。
為此，團隊對移動式大容量高壓級聯電池儲能系統的絕緣結構進行解剖，創新性地將“H橋”級聯結構應用于移動式電站，可在大幅減少儲能系統數量的情況下，實現同等儲能效率，從而首次將儲能電站大容量和可移動兩種性能完美結合。
隨著電化學儲能蓬勃發展，電池熱失控的問題被暴露在聚光燈下，儲能系統安全性能是電化學儲能發展的底線。
“我們不僅對‘事前’措施進行了創新和高效的設計，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，延長了‘事后’救援緩沖時間，實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船的情景。他們首次應用了電池簇間熱阻隔技術，相當于在船與船之間加上阻燃板。一旦其中一艘船著火了，在一定時間內，仍可讓火勢不蔓延到旁邊船只，為延長電池熱失控救援時間提供了新的思路。
大面積停電后的系統自恢復被通俗地稱為黑啟動。針對儲能電站的黑啟動要求儲能系統具有離網運行模式，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式大容量電池儲能站黑啟動的各關鍵技術難題。這是黑啟動在移動式儲能電站的首次應用，未來可為局部電網提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務。
可應用于各類電化學儲能場景
“這樣一座控制技術成熟、安全性能穩定的移動式大容量電池儲能站，可應用于各類電化學儲能場景。”陳滿說。
在電源側，該電站可平滑新能源出力波動，提供備用容量;在電網側，該電站可改善輸配電網絡功率分布，滿足設備檢修和線路融冰等特殊時期的臨時供電需求;在用戶側，該電站能夠有效調節季節性區域內負荷，作為電網突發事故、春運等時段性事件的應急電源。此外，該電站還可以作為儲能產品并網的性能測試平臺，為不同儲能產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、波動性的特征，而電網又要保持電源和負荷的實時平衡。“該儲能站所用到的高壓級聯關鍵技術，使電站具有單機容量大的優勢，能為新型電力系統提供更好的調節服務，使得整個電網更加安全穩定。”陳滿表示。
值得一提的是，自2020年起，南方電網公司在企業內部大力推動科技項目“揭榜掛帥制”落地實施，面向國家重大科研需求、行業科技前沿等領域發動科研人員技術攻關。該儲能站的“高壓級聯儲能系統規模化應用關鍵技術研究”是首批科技項目“揭榜掛帥制”試點項目之一，由南網儲能公司“掛帥”攻關，與北京四方公司、上海交通大學等單位合作研究，推動產學研用一體融合實踐。目前，項目已發表論文9篇、完成各類專利受理授權30余項，下一步項目將實現更大容量的高壓級聯，推廣升級前景廣闊。
當前，我國新型儲能技術正加快發展，新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫(氨)儲能、熱(冷)儲能等材料領域技術的相繼涌現，帶動產業熱度的持續升溫。預計到2025年末，新型儲能在電力系統中的裝機規模將達到3000萬千瓦以上，年均增長50%以上。高壓級聯作為儲能領域集成應用技術的創新突破，將持續助推儲能產業模式的優化完善，為服務構建新型電力系統發揮積極示范作用。
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