电池储能在体育场馆供电系统中的应用

李 辰

(商丘师范学院体育学院,河南 商丘 476000)

随着国家经济的持续增长,生产生活对电力系统的依赖愈发强烈。 电力企业顺应时代发展,通过引进先进技术、升级设备、完善安全督查、制定应急预案等方式,保障日常供电、输电、用电安全稳定。 近年来,多个重大国际体育赛事在中国举行,全民健身需求和热情持续高涨,体育场馆数量及使用频次相继增加。 体育场馆供电系统不仅要满足日常运动员及使用者的用电需求,而且要在设备故障、恶劣天气等突发状况下做好应急保供工作。 本文作者探究电池储能系统在体育场馆供电系统中的价值及应用方向,以确保供电系统的可靠性。

1 体育场馆日常供电需求分析

供电系统作为基础性设备,通常需在体育场馆设计之初做好部署,并在体育场馆投入运营后满足以下使用需求。 其一,日常运营中,体育场馆供电需求通常涉及灯光、广播、空调、监控等设备的电力支持,要求即使在城市用电高峰或场馆耗电激增的情况下,也能保障基础设备的正常运行,因此供电系统充沛的储能是保障体育赛事或群众锻炼需求的基础。 其二,随着体育事业的发展,电视直播、网络直播需求增加,特别是针对大型体育赛事,体育场馆的网络、通信质量也在考验供电系统的能力。 其三,作为人流量较大的场所,体育场馆需做好紧急状态下的安全保障工作,特别是在火灾、意外停电等突发状况下,需要依靠充足的储备电量来保障应急照明需求,并妥善做好人员疏导工作。 由此可见,体育场馆的供电系统需要满足运行稳定、电量充足、灵活切换的使用要求,以支持体育事业的高质量发展。

2 电池储能系统种类及应用场景

《体育建筑设计规范》《体育建筑电气设计规范》对体育场馆的供电系统提出了明确要求,中断供电将造成极其严重的损失。 因而,重要场所的电力系统通常配备3 路电源,其中2 路分别来自不同的变电站,当任一电源发生故障时,另外不同变电站的电源能继续正常供电。 《供配电系统设计规范》中提出,对于特别重要的场所,还应增配应急电源,以双重电源保障电力供应。

目前,应急供电电源主要包括外置发电机和内置储能设备两种。 外置发电机通常为柴油发电机,这类设备由于工作原理的限制,无法在电力中断后无间隔切换,时间差会造成供电系统存在空档期。 而且,柴油发电机通常体积大、油耗多、噪音大,工作中产生尾气排放,不符合当前绿色环保的发展潮流,因而柴油发电机仅适合作为应急状况下的备选方案。 内置储能设备主要包含储能单元和控制模块,可以通过调整能量配比达到功率转换的目的。 通常情况下,这类设备需要提前接入主电路,当供电系统正常运行时,电网能为内置储能设备进行充电;一旦供电中断,内置储能设备能够在约100 ms 内完成供电切换,几乎实现无缝供电。 此外,电池储能在电网供电正常情况下不运行,当系统监测到低电压时,电池储能系统可切换供电方式,满足高峰用电需求;当时点处于用电低谷时,电池可通过市电或其他方式完成充电,以保障高峰时期的用电需求。

当前,内置储能设备常见形式为飞轮储能和电池储能两种。 飞轮储能系统是将电能转换为动能加以储存,但此系统存在体积大、放电时长短、维护难等问题。 电池储能系统凭借体积小、启动快、无噪音和成本低等特点,逐渐成为公共场所重要电力保供系统。 电池储能系统通常由电池及并联变流器构成,涉及能量转换、电量储存及释放。 根据电池储能系统的应用场景不同,可分为发电端、输出端及配电端。 发电端电池储能主要作为应急电源使用;输出端电池储能主要将储存的电能输出给需要的端口;配电端电池储能是在实现电池储能的前提下,根据用电需求调整输电量及方向。

3 电池储能用于体育场馆供电系统的优势

电池储能的深入研究为公共场所提供了持续稳定的电能保障,电池储能凭借自身优势在各类体育场馆中得到广泛应用。 分析体育场馆电池储能供电系统,其应用优势主要体现在以下3 个方面。 其一,相比其他应急保障系统,电池储能可实现长时间稳压稳流的电能供应,能在需要时做到迅速启停,是电力保供的首要选择。 其二,电池储能系统体积小、灵活性高,可根据体育场馆实际情况实现自由组装及拆卸。在实际情况中,部分体育场馆在设计初期并未考虑大型赛事承办需求,后期可能存在扩建、改造需求,电池储能系统各模块之间可自由增减,并能接入光伏、风力等发电系统,借助清洁能源减少用电支出。 其三,近年来中国电池生产技术逐渐成熟,与先进国家的距离逐渐缩小,甚至在某些领域已处于领先水平。 因而,电池储能的采购、维修及更换的成本降低,经济方面的便利也加快了电池储能系统在体育场馆中的应用。 其四,电池储能使用过程节能环保。 相比于传统铅酸电池,磷酸铁锂锂离子电池不但容量大、质量轻、具备大倍率快充功能,而且使用寿命长、维护成本低,可实现高达3 000 次的充放电。

4 电池储能用于体育场馆供电系统的体现

4.1 基于光伏发电的电池储能供电系统改造

在满足体育场馆不同时段用电需求的基础上,基于光伏发电的电池储能技术契合国家“双碳”发展目标,有利于实现绿色环保供电改造。 体育场馆占地面积较大,为光伏发电设备安装留有充足的空间。 从体育场馆用量规律来看,非赛事期间负荷小,白天耗电量低,时段分明的差异化用电需求对于引入光伏技术而言较为困难。

其一,对部分设备进行直流系统改造,如可将照明灯具更改为直流供电的LED 灯,并配套建设相关直流供电系统,以减少光伏设施接入后电池供电时的能源转换损失,最大限度保障供电效率。 其二,在体育场馆屋顶及空旷区域安装光伏设施,并汇入直流供电系统,先保障日常照明需求,再将剩余的电能用于交流供电系统。 在用电需求较少的时段,光伏发电储存的电能还能为充电设施供电。 其三,由于光伏发电对天气有着较强的依赖性,电池储能系统可在白天将多余的光伏电能储存,用于夜间照明或其他用电需求。 对原有交流供电系统进行交直流混合改造,并将光伏发电与电池储能接入,体育场馆由原来的电能消耗者转变为生产者、消耗者、存储者三重身份。 在解决大面积光伏设施引入后电量消耗问题上,可采用光储直柔策略,将多余的电量交由电动汽车消耗,也解决了场馆新能源汽车充电的问题。

张永明等分析了体育场馆不同时段的电量消耗情况,认为赛事期间最大负荷为1.87 MW,日耗电量为20.1 MW·h,接入240 kW 光伏设施后,高峰用电压力依然较大,最大负荷并未改变,用电量降为18.2 MW·h;而在接入1.8 MW·h 电池储能系统后,最大负荷降为1.29 MW,电力峰谷差降低。非赛事期间最大负荷为0.4 MW,当接入240 kW 光伏设施和220 kW·h 电池储能系统后,最大负荷仅为0.15 MW,电力峰谷差降低。 通过具体实例分析,验证了光伏改造的可能性。

4.2 基于不间断电源(UPS)的电池储能系统

不间断电源(UPS)是一种以逆变器为主要部件的恒压恒频电池储能设备,可与市政电网并行供电。 UPS 电源由电池、整流器和逆变器等组件构成,其中整流器是提供稳压电流的根本,当电网突然中断时,UPS 电源可利用电池储能继续供电。 体育场馆在举办重要赛事时,通常会配备UPS 电源车,这样不仅可在市区内完成保供工作,而且能执行跨市、跨省供电任务,使用场所更加广泛化。 当举办大型体育赛事时,场馆的照明、计时系统、转播技术等都需要在断电时做到无间隙供电,确保中断时长控制在毫秒级别,而搭载了电池的UPS 离线状况下切换时间少于10 ms,在线状态可实现无切换时间。 而且,同一体育场馆仅在举办赛事时有高强度的用电压力,甚至部分场馆会在赛事结束后弃用,使用UPS 电源既能实现灵活的供电要求,又能减少固定供电系统的建设成本。 基于在线交互的动态UPS,可改善传统UPS 供电效率低的问题,转换效率可达97%。 同时,动态UPS 的体积小,不需要专用空调,特别适合大功率供电要求。 在使用功率达到500 kV·A 时,动态UPS 是最佳的选择。

4.3 基于应急供电系统(EPS)的电池储能系统

应急供电系统(EPS)由电池、整流器和逆变器等组成,能将电池储存的直流电转换为交流电,为体育场馆提供持久稳定的电力供应。 同时,电源互投装置能在市政供电故障或不稳定状态下自动实现电源切换,无需工作人员值守。 电网与EPS 电源的转换间隔时长为0.10～0.25 s,随着技术的升级,出现转换时长为0.2 ms 的EPS 电源。 此外,EPS 抗冲击、抗过载能力强,可以实现远程及联动控制,还能在湿热、灰尘、震动等恶劣环境下使用。 同时,多路输出功能避免了因单一电路故障造成的损失。 然而,EPS 需要定期充放电,电池使用寿命短,且供电持续时长小于8 h,若想增加充放电量,只能增加EPS 体积,会造成体积增大、便捷性下降。 此时,可采用EPS 与柴油机联动的方法,不仅可以避免出现电力空档期的问题,而且能延长电能供应时长,稳定保障体育场馆的用电需求。

5 结语

电池储能具有组装方便、供电稳定、节能环保的特点,在供电系统中应用广泛。 特别是随着电池性能的优化,电池储能可与市政电网实现灵活切换,并发挥削峰填谷作用,保障供电高效稳定。 电池储能在体育场馆供电系统中的应用,满足了不同用电负荷下的保供需求。 随着储能技术的发展,电池切换时间逐渐缩短,甚至可实现零切换,为场馆举办重大活动提供完备的电力保障。