欧阳建，刘忠祥，邓志敏
（深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东 深圳518101）
引言
直流电源系统广泛应用于发电厂、各类变电站和其它使用直流设备的场合，给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供不间断直流电源。直流系统的主要部件包括充电机、蓄电池、直流监控、绝缘监测仪、电池巡检仪、降压硅链（可选），其中蓄电池起着举足轻重的作用。
国家电网、南方电网拥有几万座变电站，虽然单个变电站所用的蓄电池能量很小，但几万座变电站加起来的蓄电池能量就相当可观。这幺多的蓄电池处于备用状态，无疑是对能量的一种巨大浪费。另一方面，变电站房屋的屋顶和空地比较适合铺设光伏太阳板、风机等，可以消纳新能源产生的电力，但由于光伏、风力发电的随机波动性，必须配备储能电池，刚好可以利用直流系统中的电池。变电站自身设备尽量采用光伏、风力等新能源产生的电力，逐步实现建设绿色、节能的变电站。
另外，直流系统中的蓄电池在浮充状态下的健康状态很难监测，到了交流失电时往往顶不上。由于蓄电池问题导致的变电站事故不在少数。如果能让蓄电池定期或不定期地放电，就能发现蓄电池脱离直流母线、开路、短路、单体严重劣化等问题，从而提前采取相应措施排除隐患。
下面分别对几种系统进行方案介绍，一组充电机一组电池的直流系统，简称一充一电系统；同理，两组充电机两组电池的直流系统，简称两充两电系统。
1 方案简介
1.1 储能式站用电源方案一
如图1，在现有一充一电直流电源基础上，增加一套有源逆变模块。需要给蓄电池充电时，有源逆变模块处于待机状态；需要蓄电池放电时，通过监控调低充电模块电压，有源逆变模块将蓄电池的能量回馈到380V 交流侧。
若只有一组电池，电池不要全容量放电（可放50%）。若考虑全容量放电，为保证后备电源的可靠性，可增加一组蓄电池。
图1 储能式电源系统方案一
1.2 储能式站用电源方案二
如图2，在现有一充一电直流电源基础上，增加一组蓄电池和有源逆变；两组220/110Vdc 蓄电池，容量为500Ah～1000Ah。运行时一组作为直流后备电源，另一组作为储能充放电，两组轮换，确保直流电源的可靠性。增加另一组容量更大的蓄电池，做储能用，电压为500～800Vdc，配备PCS。10kV 侧交流停电时，大容量储能电池可提供全站低压侧交流负荷用电和为直流系统提供充电电源，大幅提高直流系统可靠性。
1.3 储能式站用电源方案三
如图3，在现有两充两电直流电源基础上，增加一组蓄电池和两套有源逆变；三组220/110Vdc 蓄电池，容量为500Ah～1000Ah。运行时其中两组作为直流后备电源，另一组作储能充放电，三组轮换，确保直流电源的可靠性。增加另一组容量更大的蓄电池，做储能用，电压为500～800Vdc，配备PCS。10kV 侧交流停电时，大容量储能电池可提供全站低压侧交流负荷用电和为直流系统提供充电电源，大幅提高直流系统可靠性。
图2 储能式电源系统方案二
图3 储能式电源系统方案三
2 电池选择
作为直流电源系统中的核心部件，蓄电池由最初的开口式铅酸电池、镍镉电池逐步被阀控式免维护电池替代，大大降低了蓄电池维护的工作量，提升了直流电源工作的可靠性。但是阀控式铅酸蓄电池仍然存在体积和重量大、重金属污染等问题，近些年也在试点应用磷酸铁锂电池，它比铅酸电池的体积小、重量轻，且不含重金属。
阀控式免维护铅酸蓄电池在100%深度放电情况下的循环次数约为300～500 次，而磷酸铁锂电池在同样的放电条件下循环次数可达3000 次以上。因此，电池的选择要根据储能式电源系统的主要目标来定。若是侧重平抑电网波动并获取峰谷电价差，则基本上每天要进行一次充放电，宜选用磷酸铁锂电池；若是侧重通过充放电来监测电池好坏，则不需要频繁充放电，放电深度也不用高于50%，这种情况从经济性考虑仍然选用阀控式免维护铅酸蓄电池。
表1 上海市非居民用户电价表（分时）
3 储能式电源价值分析
3.1 提升系统可靠性
（1）10kV 侧交流停电时，大容量储能电池可提供全站低压侧重要交流负荷用电和为直流系统提供充电电源。大幅提高直流系统可靠性和增加直流系统容量。
（2）在站用直流电源的蓄电池放电过程中，可发现蓄电池开路、短路、落后单体、容量不足等问题，提前对电池缺陷进行排查和维护。把现行离线运维改为在线运维。
3.2 节能环保
（1）采用磷酸铁锂电池，不含重金属，比铅酸蓄电池更环保。
（2）利用变电站屋顶、空地安装太阳能光伏板和风机，充分利用新能源，供变电站内设备使用。同时储能系统可以有效平抑光伏、风能发电的波动性，从而推进绿色变电站建设，实现变电站低能耗甚至零能耗。
3.3 辅助服务
（1）不同季节、不同时段，电网负荷的波动很大，增加调峰、调频电厂容易造成整体效率低下；抽水蓄能电站虽然效率较高，但又受限于地理条件。
（2）大量的变电站采用储能式电源系统，可有效平抑电网波动。
考虑220V/500Ah 的蓄电池，其储存的能量为110KWh；
深圳地区3 百多座变电站，全部蓄电池储能达30MWh；
广东地区3 千多座变电站，全部蓄电池储能达300MWh；
全国4 万多座变电站，全部蓄电池储能达4GWh。
4 收益计算
本案例以上海地区某工业用电大户的储能式站用电源项目进行收益计算。该用电大户自建变电站，考虑储能与站用电源结合起来，采用储能式站用电源方案三。对电源系统进行改造，同时考虑增加1MWh 的储能，提升站用电源可靠性的同时，具备一定的经济效益。
上海地区非居民用电采用三时段计费：
两部制非夏季：
峰时段（8-11 时、18-21 时），
平时段（6-8 时、11-18 时、21-22 时），
谷时段（22 时-次日6 时）。
两部制夏季：
峰时段（8-11 时、13-15 时，18-21 时），
平时段（6-8 时、11-13 时、15-18 时，21-22 时），
谷时段（22 时-次日6 时）。
经济收益：
（1）峰谷套利：以上海地区峰谷差价约0.88 元每度电计算，1MWh 如果全部用于削峰填谷，电池按5000 次充放电循环，可获益376 万。
（2）降低变压器容量费：有了储能系统，可降低两部制电价中的基本电费部分。向供电局申请变压器的最大需量可调低，而实际负荷超出最大需量时，由储能电池提供不足的部分。上海地区基本电费单价是42 元/kVA，假如变压器容量最大需量减少300kVA，则每月可节约基本电费支出1.26 万元，一年节约15.12 万元，十年节约181 万元。
图4
电池的循环次数为5000 次，按照一天充放电一次，该电池可运行13.6 年，表格中的收益同样是电池整个生命周期的收益。
由表2 中可知：总利润为3，733，682.33。
5 结束语
通过对站用直流电源系统进行改造（增加有源逆变等装置），同时调整直流监控的控制策略，就可以实现对直流蓄电池健康状态进行在线监测，发现问题提前预警，对提高直流电源的可靠性具有良好的作用。同时，结合变电站屋顶、空地等安装的光伏、风能发电，可以让变电站自身设备消纳新能源，建设节能变电站。对部分峰谷差价较大的地区，以某个用电大户为例进行了储能式站用电源项目的收益估算，表明该模式下具备投资价值，其它地区项目也可以参考。
表2
