电池储能技术在南方碱业应用的可行性研究

潘凌锋

摘要：本文对电池储能技术应用及原理结构组成进行了综述，分析了南方碱业电力系统的现状，论述了在企业电力系统应用电池储能技术的可行性及必要性。

关键词：碳中和；锂离子电池储能；削峰平谷；尖峰电价；能源合同管理模式；有序用电响应；虚拟电厂；经济效益

一、碳中和目标下电池储能技术的良好应用前景

中国成为全球主要排放国里首个设定碳中和目标期限的发展中国家，电力行业清洁低碳发展目标更加明确清晰，必将对电力行业未来的发展带来深刻而巨大的影响。以煤炭发电为主向以清洁低碳能源为主的发展模式势在必行。随着风电、光伏等建设造价和发电成本的进一步下降，投资规模的不断增加将来发电成本会逐步降低，风电、光伏新能源电厂将增加规模，导致电力能源结构发生变化。

由于风电、光伏新能源源于天气(如日照、风力)的不稳定，存在供电容量间歇性，电池储能技术得以迎来良好的发展机遇，当日照，风力不稳定造成电网电压波动，电池储能电量对电网放电，弥补风、光电发电容量不足。当风电、光伏运行发电转换高效时，对电池进行蓄电，起到很好的削峰平谷效果。

2018年7月，国家发改委发布的《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》扩大高峰、低谷电价价差和浮动幅度，引导用户错峰用电，企业利用峰谷价差降低电费支出生产模式获得了国家层面的肯定，目前广州市的尖峰与谷电价差达到1.17元每度，如果用电池蓄能技术，谷段充电，峰段放电，将大幅降低我司的用电成本。未来，谷峰电价差持续拉大，价格基制的变化将极大促进电池储能技术的发展。

二、电池储能技术简介

（一）电力储能常用电池

目前用于规模化储能的电池主要以铅蓄、锂离子和全钒液流电池为主，综合各项指标数据来看，磷酸铁锂电池相对更优，是当前我国电池储能技术推广应用的主流技术。相对其他储能方式，磷酸铁锂电池具有以下的优点：

1、安全性高：磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。

2、寿命长：磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2000次。

3、高温性能好：磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃左右。工作温度范围宽广(-20C--75C)，有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃。

4、大容量：电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

5、重量轻：同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

6、环保：磷酸铁锂电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，绿色环保。

（二）电池储能设备系统结构

电池储能设备，按结构方式，一般分为仓贮式、集装箱式、车载移动式三种。接入方式分为直流耦合和交流耦合。按功率大小分大功率电站、工商业厂房、移动车载应急系统。按照功率与放电时间上分类分为能量型、功率型，能量型的放电时间比较长，功率型放电时间比较短。使用场所是户用型、商用型、新能源电站，输出类型分离网型和并网型两种。集装箱式电池储能设备如固定电站由锂离子电池组、BMS管理系统、PCS变流系统、EMS能量监控系统、辅助系统（包括温控、消防等）组成，并安装在集装箱内，电池储能电站的系统构如（图一）所示：

图一：电池储能设备结构图

1. 电池组选型要求

储能电站电池组选择要求高安全性、可靠性在正常情况下，电池正常使用寿命不低于15年；具好良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要有5－10倍充放电能力；较高的充放电转换效率；易于安装及维护；具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；符合环保要求，生产、使用、回收过程不发生环境污染。

2、电池管理系统（BMS）

电池管理系统（BMS）对储能系统进行三级管理，一级为电池取集单元，二级为电池控制单元，三级为电池堆管理系统，BMS检测收集并计算电池实时状态参数，通过对电池电压、电流、温度等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护，提升电池综合性能，准确估测动力电池组的荷电状态即电池剩余电量，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，同时能够及时显示单体电池状况，旁路有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性。

3、功率转换系统（PCS）

功率转换系统（PCS）实现电池与电网间的交直流转换，完成两者间的能量双向流动，并通过控制策略实现对电池系统的充放电管理，网侧负荷功率跟踪，电池储能系统冲放电控制是储能电站系统的核心设备。本级将直流电源逆变转换成50HZ三相交流电，升压接到电力系统，为用户提供电能。

4、电池储能电站的特点

电池储能电站具有以下优势：第一，设计灵活、配置方便，采用模块化设计，基本上不受地理条件的限制；第二，响应速度快，毫秒级时间尺度内实现额定功率范围内的有功无功的输入和输出；第三，精准控制，能够在可调范围内的任何功率点保持稳定输出；第四，具有双向调节能力，既可以充电作为用电负荷，又可以放电作为电源，具有额定功率双倍的调节能力；第五，电池储能电站技术相对成熟，建设周期短，能够快速响应应用需求。正是由于具有上述优势，使得其广泛应用于配合平抑新能源出力波动、提高电能质量、削峰填谷、调峰调频、提高供电能力、提高孤立电网稳定性及作为应急备用电源等多个应用场合。

三、电力用户侧电池储能应用模式

在用户侧安装电池储能系统有常见的3种应用模式，分别是离网型自发自用系统、并网型负荷+储能系统和并网型光伏+储能系统。

（1）离网型自发自用系统是一个独立的解决方案，适用于没有并网或并网电力不稳定地区，重点解决无电区人口用电和海岛供电问题，安装储能装置用以保障用户供电的持续性，减少高成本低负载的线路建设投资。

（2）并网型光伏+储能系统在光伏发电基础上使用储能电池作为机动资源，提升自用比例。在光伏发电量多于系统消纳时，储存盈余电量，并在光伏发电量不足时放电。过滤光伏发电的波动性，提升用电质量和可靠性。通过建立适当的能源调度模型，进行更为高效的削峰填谷。

（3）并网型负荷+储能系统是指单纯通过储能电池的充放电过程调节用户用电曲线，实现削峰填谷的电池储能系统。从用户价值角度讲，可通过峰谷价差实现套利、减少用户配电变压配置容量和负载损耗、降低停电损失。

四、企业应用电池储能技术的可行性分析

（一）企业电力系统现状

广东南方碱业股份有限公司现有四台10/6.3KV，8000KVA主变压器，总容量为：32000KVA，其中1#、2#、3#主变并联运行，4#主变单独运行，现系统运行共计有功负荷约16MW，1#、2#、3#主变共有2MW安全裕量，4#主变约有3MW安全裕量，理论上共计有5MW负荷裕量。我司电力系统存在的主要问题是4号主变不能与1#、2#、3#主变并联，目前，4#主变仅带2MW有功负荷，尚有3MW电源不能用于生产系统，供电系统的抗风险能力低，当外电电压有波动，厂内常发生低电压闪停现象，当1#、2#、3#主变出现线路及设备故障，给全司生产造成影响，若能充分发掘4号主变潜力，提高供电系统可靠性将利于生产系统。但因供电管理部门不允许四台主变并联，是目前的我司电力系统的面临的最大困境。

（二）广州市电力市场谷峰电价变化，峰谷电价进一步扩大

从2021年10月1日开始，广州市执行新电价，粤发改价格〔2021〕331号文中新电价目录如下表。

图二：最新电价价目表

新电价作了以下规定：峰平谷比价从现行的1.65:1:0.5调整为1.7:1:0.38。全省统一划分峰谷分时电价时段，高峰时段为10-12点、14-19点；低谷时段为0-8点；其余时段为平段。尖峰电价每天的执行时段为11-12时、15-17时共三个小时。尖峰电价执行时间为7月、8月和9月三个整月，以及其他月份中日最高气温达到35℃及以上的高温天。日最高气温以中央电视台一套每晚19点新闻联播节目天气预报中发布的广州次日最高温度为准，次日予以实施。尖峰电价在上述峰谷分时电价的峰段电价基础上上浮25%。因此，新电价下，企业的用电成本将进一步提高。

（三）建设电池储能电站，提高供电系统可靠情，节约电费。

综上所述我司电力系统存在的问题及广州市峰谷电价差进一步拉大的情况，在公司内部建设电池储能电站具有较好的应用前景，效果显著，分述如下。

1. 提高供电系统可靠性

电池储能电站可以平衡系统负荷，1、2、3号主变及4号主变分别提供2MW有3MW电源对电池系统充电后，电池系统直流电压汇集到直流汇流柜，功率转换系统（PCS）将直流电转换为三相交流电，转换后的交流电压幅值、相位、频率完全相同，相当于将4#主变的电源裕量有效转换到1、2、3号主变的母线系统，内部电网负荷平衡成为可能。此时，即使四台主变中有一台发生故障，三台主变仍可以提供充足的生产动力电源。另一方面，电池储能电站的投入，增强了系统用电裕量，外线系统的电压波动对我司电力系统的影响被良好抑制，可以有效抵抗外电电压波动对内部低压电力系统造成闪停的影响。

2. 并网型负荷+储能系统峰谷冲放电方式电池储能电站经济效益分析

因我司尚有5MW有功裕量，可以组建并网型+储能系统峰谷冲放方式的5MW\12MWH电池储能电站，按一年循环次数700次，一年运行下来的可节约的电费如下：

当年充电量=电池剩余容量×年循环次数×DOD电池放电深度×季差容量利用率

＝12000×700×0.7×1＝5880000KWH

当年放电量=当年充电量×电池充放电效率×逆变器效率

=5880000×0.95×0.95=5306700KWH

当年收益=峰价×当年放电量-谷价×当年充电量

=1.0377×5306700-0.2320×5880000=4142602元

增加的需量电费

5000×32×12＝1920000元

当年电费收益＝ 4142602－1920000＝3222602元

若7、8、9月共发生40天35度高温天气计算，发生尖峰与谷电价差，简略计尚可增加更多的电费收益为：

尖峰充电量＝12000×80×0.8＝768000KWH

尖峰放电量＝768000×0.95×0.95＝69312 KWH

收益＝1.0651×69312-0.2320×768000=560066元

一年项目预计总收益为＝3222602+560066＝3782668元

3、并网型负荷+储能系统峰谷方式电池储能电站的投资分析

现阶段投资电池储能电站每KWH按1800元计，组建5MW\12MWH电池储能电站投资费用约为2000万元。对比项目总收益，6年可回收成本，项目实际可运行15年，一般情况下，用户与投资方实行能源合同管理模式，一次投资由设备提供方出资，用户与投资方实行利润分成，投资方还可以向政府申请能源补贴，在目前大力推动清洁能源政策下，储能电站可以参与电力市场有序用电响应，参与地方智能电厂、虚拟电厂调度，投资及用户方可分享电力响应补贴及虚拟电厂调度费用，目前，参与电力市场有序用电响应补贴达每度电4.5元，虚拟电厂调度费用最高达到每度电12元，若有效参与一次虚拟电厂调度，将可获得80万元的红利，投资及用户方均可获取可观的额外的经济收益。

（四）南方碱业建设锂电池储能电站的场地条件

目前，建设5MW\12MWH锂电池储能电站的场地要求较大，需要的场地面积如图三所示，约占地610平方，据实地考察，我司厂北门空置绿地靠中电交界围墙旁，完全可以腾出一块用于电池储能电站建设，项目建成后，必将成为新能源示范基地，改变我司高能耗企业形象，助力企业未来的可持续发展。建成后的系统效果如图四所示。

图三：储能电站用地面积 图四：储能电站效果图

四、结语

本文分析了电池储能技术的应用前景及系统构成，论述了我司组建电池储能系统的可行性及必要性，进行了投资及经济指标收益分析，利用电池储能技术，建设锂电池储能电站，可以提高我司电力系统稳定性，有效降低企业电费支出，应用新能源技术，提高企业形象，具有较好的经济效益及社会效益。

参考文献

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