兆瓦級鋰電池儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張鵬杰 羅軍 楊文輝 曹增立 李占軍

摘 要：在電網(wǎng)側(cè)布置儲能系統(tǒng)，可以有效消納新能源，并在電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻中發(fā)揮巨大作用，促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展模式的變革?；谔旖蚰畴娋W(wǎng)側(cè)集中式鋰離子電池儲能電站示范工程，開展兆瓦級儲能系統(tǒng)集成技術(shù)研究，完成了規(guī)?；瘍δ茈娬驹O(shè)計(jì)。儲能電站可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的功率控制，平滑新能源并網(wǎng)波動，為集中式鋰電池儲能電站在電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;儲能系統(tǒng);儲能電站

Abstract： The arrangement of energy storage system in power grid can effectively absorb new energy， play a great role in power grid peak shave and frequency modulation， and promote the transformation of power grid development mode. Based on the demonstration project of centralized battery energy storage power station in Tianjin， this paper researched the integration technology of megawatt energy storage system and designed the energy storage power station， which could realize accurate and fast power control and smooth the fluctuation of new energy grid connection. This paper can provide technical support for the popularization and application of battery energy storage power station in power grid.

Keywords： lithium ion battery; energy storage system; energy storage power station

我國電網(wǎng)供用電不平衡矛盾突出，導(dǎo)致電網(wǎng)面臨峰谷差進(jìn)一步加大、間歇式新能源接入突增以及電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻不確定性增多等問題。電化學(xué)儲能技術(shù)貫穿于可再生能源并網(wǎng)、調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)、輸配電和用戶側(cè)等，可以有效提升電網(wǎng)對可再生能源的消納能力，豐富電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等輔助服務(wù)手段[1]，使電力系統(tǒng)變得更加“柔性”和“智能”，促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展模式變革，是未來智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵之一。

2017年我國五部委聯(lián)合出臺首個國家級儲能政策《關(guān)于促進(jìn)我國儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，對國內(nèi)儲能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用作出了全面的戰(zhàn)略部署。在國家政策的支持下，我國電化學(xué)儲能技術(shù)迅速發(fā)展，已有多座大規(guī)模示范項(xiàng)目建成投運(yùn)，如河南電網(wǎng)100 MW電網(wǎng)側(cè)分布式電池儲能電站示范工程、江蘇鎮(zhèn)江電網(wǎng)側(cè)儲能電站工程等[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)14.2 GW，其中鋰離子電池儲能的累積裝機(jī)規(guī)模達(dá)到13.1 GW，占比92%以上。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，電化學(xué)儲能電站規(guī)模將高速擴(kuò)大。

電池儲能系統(tǒng)的工程應(yīng)用尚處于初級階段，在儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儲能電站建設(shè)、電網(wǎng)接入與運(yùn)行等方面經(jīng)驗(yàn)不足[4]。本文依托某鋰離子電池儲能電站示范工程，進(jìn)行了兆瓦級集裝箱式儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了儲能電站接入方案設(shè)計(jì)，并分析了儲能電站的運(yùn)行效果，可以為儲能技術(shù)快速發(fā)展提供理論與實(shí)踐支撐。

1 兆瓦級集裝箱式儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集裝箱式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。集裝箱采用13 m標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，主要包含電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)等。

1.1.1 電池系統(tǒng)。電池是儲能系統(tǒng)能量儲存和釋放的核心設(shè)備，也是影響儲能系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。磷酸鐵鋰電池具有安全性好、比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的儲能電池之一。本文采用容量180 Ah磷酸鐵鋰電池單體（天津產(chǎn)）進(jìn)行電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)。電池系統(tǒng)由電池單體串聯(lián)為電池模塊，電池模塊串聯(lián)成電池簇，電池簇并聯(lián)而成。電池系統(tǒng)共包含8個電池簇，每個電池簇包含20個電池模塊，每個電池模塊包含24只單體電池。電池系統(tǒng)額定容量為2 MW·h，額定功率為2 MW，額定電壓為768 V。磷酸鐵鋰電池單體、電池模塊及電池簇結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.1.2 電池管理系統(tǒng)。圖3為儲能系統(tǒng)電池管理（Battery Management System，BMS）的3層架構(gòu)，按照電池模塊單元、電池簇單元和電池系統(tǒng)進(jìn)行分層管理。電池模塊管理單元（Battery Management Unit，BMU）通過電壓、溫度采集模塊，配合數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)單體電池電壓、電池模塊電壓以及溫度的采集，同時可針對電池單體間的電量不一致情況進(jìn)行均衡。電池簇管理單元（Battery Cluster Management System，BCMS）完成電池簇電壓、充放電電流以及電池簇的高壓絕緣電阻檢測，并匯總BMU采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行電池簇剩余電量估計(jì)、故障診斷、均衡控制以及安全控制等。電池系統(tǒng)管理單元（Battery Association Management System，BAMS）實(shí)現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的全面控制與保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)與儲能變流器和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

每套儲能系統(tǒng)配置4套電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、均衡管理及保護(hù)，并與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。每套電池管理系統(tǒng)包含1個電池系統(tǒng)管理單元（BAMS）、2個電池簇管理單元（BCMU）和20個電池模組管理單元（BMU）。

1.1.3 熱管理系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)采用風(fēng)冷散熱方式。熱管理系統(tǒng)主要由空調(diào)、風(fēng)道、風(fēng)扇以及溫度傳感器等構(gòu)成。空調(diào)送風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道，最終送至電池插箱背部。電池插箱前端面板上風(fēng)扇將熱風(fēng)抽出，流向空調(diào)回風(fēng)口形成氣流的循環(huán)，從而達(dá)到電池保溫/散熱的目的。

1.1.4 消防系統(tǒng)。消防滅火系統(tǒng)如圖4所示，包括柜式七氟丙烷滅火裝置、聲光報(bào)警器、放氣指示燈、緊急啟停按鈕、溫感、煙感和可燃?xì)怏w探測器等。當(dāng)溫感、煙感以及可燃?xì)怏w探測器三者中任兩者觸發(fā)報(bào)警閾值，系統(tǒng)控制均將切斷非消防配電，通過中間繼電器控制電池管理系統(tǒng)切斷直流電氣回路，促使儲能變流器停機(jī)，并將信號反饋到火災(zāi)報(bào)警控制器，火災(zāi)報(bào)警控制器控制聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警控制器將信號傳遞給氣體滅火控制器，由氣體滅火控制器控制七氟丙烷滅火裝置，30 s延時后向電磁驅(qū)動裝置發(fā)出啟動信號，開啟電磁閥，釋放滅火劑。滅火劑通過噴嘴釋放到保護(hù)區(qū)，達(dá)到滅火的目的。

1.2 儲能系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

儲能系統(tǒng)的控制包括電池控制、儲能變流器控制、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制等。本文采用以電池系統(tǒng)管理單元（BAMS）為控制核心的儲能系統(tǒng)集中控制技術(shù)，控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。通過BAMS實(shí)現(xiàn)與電池系統(tǒng)、儲能變流器等的狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)庫維護(hù)查詢等功能，同時具有與站控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能，能實(shí)現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等的控制。

2 儲能變流裝置設(shè)計(jì)

儲能變流器是儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的關(guān)鍵設(shè)備。儲能變流器采用四象限變流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動和有功無功四象限控制，主電路原理如圖6所示。儲能變流器具有輸入輸出功率因數(shù)可調(diào)、自動軟啟等功能，通過通信接收后臺控制指令，根據(jù)功率指令的符號及大小控制變流器對電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。儲能變流器控制器通過CAN接口與BAMS通信，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。

本文采用的儲能變流器額定功率為500 kW，直流側(cè)電壓范圍為580～900 V，交流側(cè)額定電壓為400 V。儲能變流器結(jié)構(gòu)如圖7所示。外部主要部件包括LED指示燈、LCD觸摸屏、啟停旋鈕以及緊急停機(jī)按鈕等。內(nèi)部元器件主要包括主控單元、功率單元、濾波單元、交流側(cè)斷路器、直流側(cè)斷路器以及采樣霍爾單元等。

3 儲能電站設(shè)計(jì)及運(yùn)行

儲能電站主接線原理如圖8所示。儲能電站規(guī)模為10 MW/10 MW·h，由5套2 MW/2 MW·h儲能系統(tǒng)構(gòu)成，每套儲能系統(tǒng)接入4臺額定功率為500 kW的儲能變流器，儲能變流器交流側(cè)接入額定容量為2 200 kVA的雙分裂升壓變低壓側(cè)，并通過變壓器升壓后接入10 kV母線。

儲能電站可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：支撐電網(wǎng)削峰填谷，延緩電源和電網(wǎng)建設(shè)，提高能源利用效率和電網(wǎng)整體資產(chǎn)利用率;提高電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)的能力，緩解電網(wǎng)運(yùn)行壓力，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性;促進(jìn)新能源消納，改善電能質(zhì)量，減少棄風(fēng)棄光。

儲能電站通過站控層網(wǎng)關(guān)與調(diào)度控制系統(tǒng)連接，接收市調(diào)、地調(diào)調(diào)控指令，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）、自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）、緊急功率支撐以及緊急電壓支撐等功能。其中：AGC功能由地調(diào)下發(fā)指令至站內(nèi)AGC子站實(shí)現(xiàn);AVC功能由地調(diào)下發(fā)指令至站內(nèi)AVC子站實(shí)現(xiàn)。儲能調(diào)度控制系統(tǒng)配置有前置服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備，負(fù)責(zé)整個儲能系統(tǒng)的通信管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及運(yùn)行管理等功能，對各儲能電站進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。

儲能電站運(yùn)行時，根據(jù)調(diào)度AGC指令進(jìn)行充放電。當(dāng)區(qū)域負(fù)荷過高時，調(diào)度控制儲能電站放電，將負(fù)荷尖峰削平;當(dāng)區(qū)域負(fù)荷降低時，控制儲能電站從電網(wǎng)吸收多余的電量[5]。此外，儲能電站還可以有效平滑儲能電站內(nèi)光伏和風(fēng)電功率波動。儲能電站功率控制結(jié)果如圖9所示，儲能電站功率控制精度為0.2%，充放電響應(yīng)時間為216 ms，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)快速的功率控制。

4 結(jié)語

鋰電池儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用日益廣泛。本文開展2 MW/2 MW·h鋰電池儲能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究，闡述了兆瓦級儲能系統(tǒng)用儲能電池、電池管理系統(tǒng)及儲能變流器等核心設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，完成了基于集中控制技術(shù)的儲能系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)。具體的，以儲能系統(tǒng)為單元，完成10 MW/10 MW·h儲能電站設(shè)計(jì)，儲能電站功率控制精度為0.2%，充放電響應(yīng)時間為216 ms，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的功率控制。

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