李 辰

(商丘師范學院體育學院,河南 商丘 476000)

隨著國家經(jīng)濟的持續(xù)增長,生產(chǎn)生活對電力系統(tǒng)的依賴愈發(fā)強烈。 電力企業(yè)順應時代發(fā)展,通過引進先進技術(shù)、升級設備、完善安全督查、制定應急預案等方式,保障日常供電、輸電、用電安全穩(wěn)定。 近年來,多個重大國際體育賽事在中國舉行,全民健身需求和熱情持續(xù)高漲,體育場館數(shù)量及使用頻次相繼增加。 體育場館供電系統(tǒng)不僅要滿足日常運動員及使用者的用電需求,而且要在設備故障、惡劣天氣等突發(fā)狀況下做好應急保供工作。 本文作者探究電池儲能系統(tǒng)在體育場館供電系統(tǒng)中的價值及應用方向,以確保供電系統(tǒng)的可靠性。

1 體育場館日常供電需求分析

供電系統(tǒng)作為基礎性設備,通常需在體育場館設計之初做好部署,并在體育場館投入運營后滿足以下使用需求。 其一,日常運營中,體育場館供電需求通常涉及燈光、廣播、空調(diào)、監(jiān)控等設備的電力支持,要求即使在城市用電高峰或場館耗電激增的情況下,也能保障基礎設備的正常運行,因此供電系統(tǒng)充沛的儲能是保障體育賽事或群眾鍛煉需求的基礎。 其二,隨著體育事業(yè)的發(fā)展,電視直播、網(wǎng)絡直播需求增加,特別是針對大型體育賽事,體育場館的網(wǎng)絡、通信質(zhì)量也在考驗供電系統(tǒng)的能力。 其三,作為人流量較大的場所,體育場館需做好緊急狀態(tài)下的安全保障工作,特別是在火災、意外停電等突發(fā)狀況下,需要依靠充足的儲備電量來保障應急照明需求,并妥善做好人員疏導工作。 由此可見,體育場館的供電系統(tǒng)需要滿足運行穩(wěn)定、電量充足、靈活切換的使用要求,以支持體育事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

2 電池儲能系統(tǒng)種類及應用場景

《體育建筑設計規(guī)范》《體育建筑電氣設計規(guī)范》對體育場館的供電系統(tǒng)提出了明確要求,中斷供電將造成極其嚴重的損失。 因而,重要場所的電力系統(tǒng)通常配備3 路電源,其中2 路分別來自不同的變電站,當任一電源發(fā)生故障時,另外不同變電站的電源能繼續(xù)正常供電。 《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》中提出,對于特別重要的場所,還應增配應急電源,以雙重電源保障電力供應。

目前,應急供電電源主要包括外置發(fā)電機和內(nèi)置儲能設備兩種。 外置發(fā)電機通常為柴油發(fā)電機,這類設備由于工作原理的限制,無法在電力中斷后無間隔切換,時間差會造成供電系統(tǒng)存在空檔期。 而且,柴油發(fā)電機通常體積大、油耗多、噪音大,工作中產(chǎn)生尾氣排放,不符合當前綠色環(huán)保的發(fā)展潮流,因而柴油發(fā)電機僅適合作為應急狀況下的備選方案。 內(nèi)置儲能設備主要包含儲能單元和控制模塊,可以通過調(diào)整能量配比達到功率轉(zhuǎn)換的目的。 通常情況下,這類設備需要提前接入主電路,當供電系統(tǒng)正常運行時,電網(wǎng)能為內(nèi)置儲能設備進行充電;一旦供電中斷,內(nèi)置儲能設備能夠在約100 ms 內(nèi)完成供電切換,幾乎實現(xiàn)無縫供電。 此外,電池儲能在電網(wǎng)供電正常情況下不運行,當系統(tǒng)監(jiān)測到低電壓時,電池儲能系統(tǒng)可切換供電方式,滿足高峰用電需求;當時點處于用電低谷時,電池可通過市電或其他方式完成充電,以保障高峰時期的用電需求。

當前,內(nèi)置儲能設備常見形式為飛輪儲能和電池儲能兩種。 飛輪儲能系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為動能加以儲存,但此系統(tǒng)存在體積大、放電時長短、維護難等問題。 電池儲能系統(tǒng)憑借體積小、啟動快、無噪音和成本低等特點,逐漸成為公共場所重要電力保供系統(tǒng)。 電池儲能系統(tǒng)通常由電池及并聯(lián)變流器構(gòu)成,涉及能量轉(zhuǎn)換、電量儲存及釋放。 根據(jù)電池儲能系統(tǒng)的應用場景不同,可分為發(fā)電端、輸出端及配電端。 發(fā)電端電池儲能主要作為應急電源使用;輸出端電池儲能主要將儲存的電能輸出給需要的端口;配電端電池儲能是在實現(xiàn)電池儲能的前提下,根據(jù)用電需求調(diào)整輸電量及方向。

3 電池儲能用于體育場館供電系統(tǒng)的優(yōu)勢

電池儲能的深入研究為公共場所提供了持續(xù)穩(wěn)定的電能保障,電池儲能憑借自身優(yōu)勢在各類體育場館中得到廣泛應用。 分析體育場館電池儲能供電系統(tǒng),其應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3 個方面。 其一,相比其他應急保障系統(tǒng),電池儲能可實現(xiàn)長時間穩(wěn)壓穩(wěn)流的電能供應,能在需要時做到迅速啟停,是電力保供的首要選擇。 其二,電池儲能系統(tǒng)體積小、靈活性高,可根據(jù)體育場館實際情況實現(xiàn)自由組裝及拆卸。在實際情況中,部分體育場館在設計初期并未考慮大型賽事承辦需求,后期可能存在擴建、改造需求,電池儲能系統(tǒng)各模塊之間可自由增減,并能接入光伏、風力等發(fā)電系統(tǒng),借助清潔能源減少用電支出。 其三,近年來中國電池生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟,與先進國家的距離逐漸縮小,甚至在某些領域已處于領先水平。 因而,電池儲能的采購、維修及更換的成本降低,經(jīng)濟方面的便利也加快了電池儲能系統(tǒng)在體育場館中的應用。 其四,電池儲能使用過程節(jié)能環(huán)保。 相比于傳統(tǒng)鉛酸電池,磷酸鐵鋰鋰離子電池不但容量大、質(zhì)量輕、具備大倍率快充功能,而且使用壽命長、維護成本低,可實現(xiàn)高達3 000 次的充放電。

4 電池儲能用于體育場館供電系統(tǒng)的體現(xiàn)

4.1 基于光伏發(fā)電的電池儲能供電系統(tǒng)改造

在滿足體育場館不同時段用電需求的基礎上,基于光伏發(fā)電的電池儲能技術(shù)契合國家“雙碳”發(fā)展目標,有利于實現(xiàn)綠色環(huán)保供電改造。 體育場館占地面積較大,為光伏發(fā)電設備安裝留有充足的空間。 從體育場館用量規(guī)律來看,非賽事期間負荷小,白天耗電量低,時段分明的差異化用電需求對于引入光伏技術(shù)而言較為困難。

其一,對部分設備進行直流系統(tǒng)改造,如可將照明燈具更改為直流供電的LED 燈,并配套建設相關直流供電系統(tǒng),以減少光伏設施接入后電池供電時的能源轉(zhuǎn)換損失,最大限度保障供電效率。 其二,在體育場館屋頂及空曠區(qū)域安裝光伏設施,并匯入直流供電系統(tǒng),先保障日常照明需求,再將剩余的電能用于交流供電系統(tǒng)。 在用電需求較少的時段,光伏發(fā)電儲存的電能還能為充電設施供電。 其三,由于光伏發(fā)電對天氣有著較強的依賴性,電池儲能系統(tǒng)可在白天將多余的光伏電能儲存,用于夜間照明或其他用電需求。 對原有交流供電系統(tǒng)進行交直流混合改造,并將光伏發(fā)電與電池儲能接入,體育場館由原來的電能消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)者、消耗者、存儲者三重身份。 在解決大面積光伏設施引入后電量消耗問題上,可采用光儲直柔策略,將多余的電量交由電動汽車消耗,也解決了場館新能源汽車充電的問題。

張永明等分析了體育場館不同時段的電量消耗情況,認為賽事期間最大負荷為1.87 MW,日耗電量為20.1 MW·h,接入240 kW 光伏設施后,高峰用電壓力依然較大,最大負荷并未改變,用電量降為18.2 MW·h;而在接入1.8 MW·h 電池儲能系統(tǒng)后,最大負荷降為1.29 MW,電力峰谷差降低。非賽事期間最大負荷為0.4 MW,當接入240 kW 光伏設施和220 kW·h 電池儲能系統(tǒng)后,最大負荷僅為0.15 MW,電力峰谷差降低。 通過具體實例分析,驗證了光伏改造的可能性。

4.2 基于不間斷電源(UPS)的電池儲能系統(tǒng)

不間斷電源(UPS)是一種以逆變器為主要部件的恒壓恒頻電池儲能設備,可與市政電網(wǎng)并行供電。 UPS 電源由電池、整流器和逆變器等組件構(gòu)成,其中整流器是提供穩(wěn)壓電流的根本,當電網(wǎng)突然中斷時,UPS 電源可利用電池儲能繼續(xù)供電。 體育場館在舉辦重要賽事時,通常會配備UPS 電源車,這樣不僅可在市區(qū)內(nèi)完成保供工作,而且能執(zhí)行跨市、跨省供電任務,使用場所更加廣泛化。 當舉辦大型體育賽事時,場館的照明、計時系統(tǒng)、轉(zhuǎn)播技術(shù)等都需要在斷電時做到無間隙供電,確保中斷時長控制在毫秒級別,而搭載了電池的UPS 離線狀況下切換時間少于10 ms,在線狀態(tài)可實現(xiàn)無切換時間。 而且,同一體育場館僅在舉辦賽事時有高強度的用電壓力,甚至部分場館會在賽事結(jié)束后棄用,使用UPS 電源既能實現(xiàn)靈活的供電要求,又能減少固定供電系統(tǒng)的建設成本。 基于在線交互的動態(tài)UPS,可改善傳統(tǒng)UPS 供電效率低的問題,轉(zhuǎn)換效率可達97%。 同時,動態(tài)UPS 的體積小,不需要專用空調(diào),特別適合大功率供電要求。 在使用功率達到500 kV·A 時,動態(tài)UPS 是最佳的選擇。

4.3 基于應急供電系統(tǒng)(EPS)的電池儲能系統(tǒng)

應急供電系統(tǒng)(EPS)由電池、整流器和逆變器等組成,能將電池儲存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,為體育場館提供持久穩(wěn)定的電力供應。 同時,電源互投裝置能在市政供電故障或不穩(wěn)定狀態(tài)下自動實現(xiàn)電源切換,無需工作人員值守。 電網(wǎng)與EPS 電源的轉(zhuǎn)換間隔時長為0.10～0.25 s,隨著技術(shù)的升級,出現(xiàn)轉(zhuǎn)換時長為0.2 ms 的EPS 電源。 此外,EPS 抗沖擊、抗過載能力強,可以實現(xiàn)遠程及聯(lián)動控制,還能在濕熱、灰塵、震動等惡劣環(huán)境下使用。 同時,多路輸出功能避免了因單一電路故障造成的損失。 然而,EPS 需要定期充放電,電池使用壽命短,且供電持續(xù)時長小于8 h,若想增加充放電量,只能增加EPS 體積,會造成體積增大、便捷性下降。 此時,可采用EPS 與柴油機聯(lián)動的方法,不僅可以避免出現(xiàn)電力空檔期的問題,而且能延長電能供應時長,穩(wěn)定保障體育場館的用電需求。

5 結(jié)語

電池儲能具有組裝方便、供電穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的特點,在供電系統(tǒng)中應用廣泛。 特別是隨著電池性能的優(yōu)化,電池儲能可與市政電網(wǎng)實現(xiàn)靈活切換,并發(fā)揮削峰填谷作用,保障供電高效穩(wěn)定。 電池儲能在體育場館供電系統(tǒng)中的應用,滿足了不同用電負荷下的保供需求。 隨著儲能技術(shù)的發(fā)展,電池切換時間逐漸縮短,甚至可實現(xiàn)零切換,為場館舉辦重大活動提供完備的電力保障。