李 辰

(商丘師范學(xué)院體育學(xué)院,河南 商丘 476000)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng),生產(chǎn)生活對(duì)電力系統(tǒng)的依賴愈發(fā)強(qiáng)烈。 電力企業(yè)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展,通過引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、升級(jí)設(shè)備、完善安全督查、制定應(yīng)急預(yù)案等方式,保障日常供電、輸電、用電安全穩(wěn)定。 近年來,多個(gè)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(chǎng)館數(shù)量及使用頻次相繼增加。 體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)不僅要滿足日常運(yùn)動(dòng)員及使用者的用電需求,而且要在設(shè)備故障、惡劣天氣等突發(fā)狀況下做好應(yīng)急保供工作。 本文作者探究電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)中的價(jià)值及應(yīng)用方向,以確保供電系統(tǒng)的可靠性。

1 體育場(chǎng)館日常供電需求分析

供電系統(tǒng)作為基礎(chǔ)性設(shè)備,通常需在體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)之初做好部署,并在體育場(chǎng)館投入運(yùn)營(yíng)后滿足以下使用需求。 其一,日常運(yùn)營(yíng)中,體育場(chǎng)館供電需求通常涉及燈光、廣播、空調(diào)、監(jiān)控等設(shè)備的電力支持,要求即使在城市用電高峰或場(chǎng)館耗電激增的情況下,也能保障基礎(chǔ)設(shè)備的正常運(yùn)行,因此供電系統(tǒng)充沛的儲(chǔ)能是保障體育賽事或群眾鍛煉需求的基礎(chǔ)。 其二,隨著體育事業(yè)的發(fā)展,電視直播、網(wǎng)絡(luò)直播需求增加,特別是針對(duì)大型體育賽事,體育場(chǎng)館的網(wǎng)絡(luò)、通信質(zhì)量也在考驗(yàn)供電系統(tǒng)的能力。 其三,作為人流量較大的場(chǎng)所,體育場(chǎng)館需做好緊急狀態(tài)下的安全保障工作,特別是在火災(zāi)、意外停電等突發(fā)狀況下,需要依靠充足的儲(chǔ)備電量來保障應(yīng)急照明需求,并妥善做好人員疏導(dǎo)工作。 由此可見,體育場(chǎng)館的供電系統(tǒng)需要滿足運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)種類及應(yīng)用場(chǎng)景

《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)體育場(chǎng)館的供電系統(tǒng)提出了明確要求,中斷供電將造成極其嚴(yán)重的損失。 因而,重要場(chǎng)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(dāng)任一電源發(fā)生故障時(shí),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(shè)計(jì)規(guī)范》中提出,對(duì)于特別重要的場(chǎng)所,還應(yīng)增配應(yīng)急電源,以雙重電源保障電力供應(yīng)。

目前,應(yīng)急供電電源主要包括外置發(fā)電機(jī)和內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備兩種。 外置發(fā)電機(jī)通常為柴油發(fā)電機(jī),這類設(shè)備由于工作原理的限制,無法在電力中斷后無間隔切換,時(shí)間差會(huì)造成供電系統(tǒng)存在空檔期。 而且,柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)前綠色環(huán)保的發(fā)展潮流,因而柴油發(fā)電機(jī)僅適合作為應(yīng)急狀況下的備選方案。 內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備主要包含儲(chǔ)能單元和控制模塊,可以通過調(diào)整能量配比達(dá)到功率轉(zhuǎn)換的目的。 通常情況下,這類設(shè)備需要提前接入主電路,當(dāng)供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電網(wǎng)能為內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電;一旦供電中斷,內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備能夠在約100 ms 內(nèi)完成供電切換,幾乎實(shí)現(xiàn)無縫供電。 此外,電池儲(chǔ)能在電網(wǎng)供電正常情況下不運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到低電壓時(shí),電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可切換供電方式,滿足高峰用電需求;當(dāng)時(shí)點(diǎn)處于用電低谷時(shí),電池可通過市電或其他方式完成充電,以保障高峰時(shí)期的用電需求。

當(dāng)前,內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備常見形式為飛輪儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能兩種。 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能加以儲(chǔ)存,但此系統(tǒng)存在體積大、放電時(shí)長(zhǎng)短、維護(hù)難等問題。 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借體積小、啟動(dòng)快、無噪音和成本低等特點(diǎn),逐漸成為公共場(chǎng)所重要電力保供系統(tǒng)。 電池儲(chǔ)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?jī)?chǔ)存及釋放。 根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景不同,可分為發(fā)電端、輸出端及配電端。 發(fā)電端電池儲(chǔ)能主要作為應(yīng)急電源使用;輸出端電池儲(chǔ)能主要將儲(chǔ)存的電能輸出給需要的端口;配電端電池儲(chǔ)能是在實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)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(chǔ)能用于體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

電池儲(chǔ)能的深入研究為公共場(chǎng)所提供了持續(xù)穩(wěn)定的電能保障,電池儲(chǔ)能憑借自身優(yōu)勢(shì)在各類體育場(chǎng)館中得到廣泛應(yīng)用。 分析體育場(chǎng)館電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng),其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。 其一,相比其他應(yīng)急保障系統(tǒng),電池儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)壓穩(wěn)流的電能供應(yīng),能在需要時(shí)做到迅速啟停,是電力保供的首要選擇。 其二,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)體積小、靈活性高,可根據(jù)體育場(chǎng)館實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)自由組裝及拆卸。在實(shí)際情況中,部分體育場(chǎng)館在設(shè)計(jì)初期并未考慮大型賽事承辦需求,后期可能存在擴(kuò)建、改造需求,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)各模塊之間可自由增減,并能接入光伏、風(fēng)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(jìn)國家的距離逐漸縮小,甚至在某些領(lǐng)域已處于領(lǐng)先水平。 因而,電池儲(chǔ)能的采購、維修及更換的成本降低,經(jīng)濟(jì)方面的便利也加快了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在體育場(chǎng)館中的應(yīng)用。 其四,電池儲(chǔ)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(zhǎng)、維護(hù)成本低,可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3 000 次的充放電。

4 電池儲(chǔ)能用于體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)的體現(xiàn)

4.1 基于光伏發(fā)電的電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)改造

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

其一,對(duì)部分設(shè)備進(jìn)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(shè)相關(guān)直流供電系統(tǒng),以減少光伏設(shè)施接入后電池供電時(shí)的能源轉(zhuǎn)換損失,最大限度保障供電效率。 其二,在體育場(chǎng)館屋頂及空曠區(qū)域安裝光伏設(shè)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(shí)段,光伏發(fā)電儲(chǔ)存的電能還能為充電設(shè)施供電。 其三,由于光伏發(fā)電對(duì)天氣有著較強(qiáng)的依賴性,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可在白天將多余的光伏電能儲(chǔ)存,用于夜間照明或其他用電需求。 對(duì)原有交流供電系統(tǒng)進(jìn)行交直流混合改造,并將光伏發(fā)電與電池儲(chǔ)能接入,體育場(chǎng)館由原來的電能消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)者、消耗者、存儲(chǔ)者三重身份。 在解決大面積光伏設(shè)施引入后電量消耗問題上,可采用光儲(chǔ)直柔策略,將多余的電量交由電動(dòng)汽車消耗,也解決了場(chǎng)館新能源汽車充電的問題。

張永明等分析了體育場(chǎng)館不同時(shí)段的電量消耗情況,認(rèn)為賽事期間最大負(fù)荷為1.87 MW,日耗電量為20.1 MW·h,接入240 kW 光伏設(shè)施后,高峰用電壓力依然較大,最大負(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)后,最大負(fù)荷降為1.29 MW,電力峰谷差降低。非賽事期間最大負(fù)荷為0.4 MW,當(dāng)接入240 kW 光伏設(shè)施和220 kW·h 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后,最大負(fù)荷僅為0.15 MW,電力峰谷差降低。 通過具體實(shí)例分析,驗(yàn)證了光伏改造的可能性。

4.2 基于不間斷電源(UPS)的電池儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)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(dāng)電網(wǎng)突然中斷時(shí),UPS 電源可利用電池儲(chǔ)能繼續(xù)供電。 體育場(chǎng)館在舉辦重要賽事時(shí),通常會(huì)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(wù),使用場(chǎng)所更加廣泛化。 當(dāng)舉辦大型體育賽事時(shí),場(chǎng)館的照明、計(jì)時(shí)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)播技術(shù)等都需要在斷電時(shí)做到無間隙供電,確保中斷時(shí)長(zhǎng)控制在毫秒級(jí)別,而搭載了電池的UPS 離線狀況下切換時(shí)間少于10 ms,在線狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)無切換時(shí)間。 而且,同一體育場(chǎng)館僅在舉辦賽事時(shí)有高強(qiáng)度的用電壓力,甚至部分場(chǎng)館會(huì)在賽事結(jié)束后棄用,使用UPS 電源既能實(shí)現(xiàn)靈活的供電要求,又能減少固定供電系統(tǒng)的建設(shè)成本。 基于在線交互的動(dòng)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(dá)97%。 同時(shí),動(dòng)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(dá)到500 kV·A 時(shí),動(dòng)態(tài)UPS 是最佳的選擇。

4.3 基于應(yīng)急供電系統(tǒng)(EPS)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

應(yīng)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(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,為體育場(chǎng)館提供持久穩(wěn)定的電力供應(yīng)。 同時(shí),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(dòng)實(shí)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(shí)長(zhǎng)為0.10～0.25 s,隨著技術(shù)的升級(jí),出現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)為0.2 ms 的EPS 電源。 此外,EPS 抗沖擊、抗過載能力強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及聯(lián)動(dòng)控制,還能在濕熱、灰塵、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下使用。 同時(shí),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(shí)長(zhǎng)小于8 h,若想增加充放電量,只能增加EPS 體積,會(huì)造成體積增大、便捷性下降。 此時(shí),可采用EPS 與柴油機(jī)聯(lián)動(dòng)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(zhǎng)電能供應(yīng)時(shí)長(zhǎng),穩(wěn)定保障體育場(chǎng)館的用電需求。

5 結(jié)語

電池儲(chǔ)能具有組裝方便、供電穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn),在供電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 特別是隨著電池性能的優(yōu)化,電池儲(chǔ)能可與市政電網(wǎng)實(shí)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(chǔ)能在體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)中的應(yīng)用,滿足了不同用電負(fù)荷下的保供需求。 隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,電池切換時(shí)間逐漸縮短,甚至可實(shí)現(xiàn)零切換,為場(chǎng)館舉辦重大活動(dòng)提供完備的電力保障。