在極端運(yùn)行環(huán)境下的新型能源建設(shè)項(xiàng)目的解決方案

王宏建，賴永春，蘇先進(jìn)，曾春保，許林毅

（1漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司，福建 漳州 363000；2廈門科華數(shù)能科技有限公司，福建 廈門 361000）

能源的供應(yīng)靈活可替換是應(yīng)對(duì)國家能源危機(jī)的必備良策。目前，我國不斷完善供能結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，加快構(gòu)建新型能源體系。截至目前，不接入國家電網(wǎng)的高原、極寒、遠(yuǎn)海、島礁、邊防哨所等地，配置了光儲(chǔ)柴等多能源互補(bǔ)微電網(wǎng)，極大改善了邊疆生產(chǎn)生活的電能保障[1]。同時(shí)，部分科研院所配置了可接入國家電網(wǎng)的綜合能源互補(bǔ)微電網(wǎng)，完善了電能保障的能源結(jié)構(gòu)，探索了新型能源示范項(xiàng)目的技術(shù)路線[2]。

1 極端運(yùn)行環(huán)境與解決方案

新型能源建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，涵蓋了高原、極寒、海島、沙漠等多種極端環(huán)境[3]。場景不同，解決方案也不一樣。新型能源建設(shè)項(xiàng)目通常由“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”四部分組成。在此基礎(chǔ)上，通過能量管理系統(tǒng)ЕMS 對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測、控制、功率分配、事故分析及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)無人值守。目前，新型能源建設(shè)項(xiàng)目通常為“光伏+儲(chǔ)能+柴油發(fā)電機(jī)”型微電網(wǎng)，部分項(xiàng)目配置了風(fēng)力發(fā)電機(jī)、制氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

圖1 新型能源建設(shè)項(xiàng)目系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of new energy project system

1.1 高原環(huán)境

1.1.1 場景特點(diǎn)

在新型能源建設(shè)項(xiàng)目中，高原點(diǎn)位的海拔3000～4500米，極少數(shù)點(diǎn)位超過了5000米。隨著海拔的提高，首先，帶來的是氣壓下降，海拔5000 米的氣壓較水平面的氣壓降低了約40%，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的影響最大，造成氣缸進(jìn)氣量減少、燃燒不充分、有黑炭沉積、冒黑煙等現(xiàn)象，導(dǎo)致動(dòng)力性能變差；其次，造成設(shè)備的絕緣強(qiáng)度和性能下降，如金屬的硬度變脆、斷路器的動(dòng)作時(shí)間變長等；然后，高原地區(qū)的太陽光紫外線和輻射強(qiáng)；最后，高原晝夜溫差大。

1.1.2 解決方案

針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力性能變差，通過改進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)增壓器來提高增壓比，同時(shí)改變氣閥和噴油正時(shí)；針對(duì)絕緣強(qiáng)度降低，對(duì)電氣設(shè)備增大電氣間隙和安規(guī)距離，提高空氣絕緣耐壓性能；針對(duì)設(shè)備性能下降，電氣設(shè)備優(yōu)選高原型，同時(shí)選用高容量的電氣設(shè)備以應(yīng)對(duì)設(shè)備降額，然后優(yōu)先將設(shè)備放置于具備暖通設(shè)施的適宜工作溫度環(huán)境。另外，戶外選用耐低溫電纜且放置在凍土層之下；針對(duì)太陽光紫外線強(qiáng)輻射大導(dǎo)致材料老化快，在設(shè)備及產(chǎn)品表面附上帶有抗氧化劑的防護(hù)層；針對(duì)晝夜溫差大帶來的熱脹冷縮特性，從材料選型上采用低膨脹系數(shù)、寬溫域、長壽命的材料。針對(duì)晝夜溫差大帶來的凝霜凝露特性，在設(shè)備內(nèi)部增加除濕器和加熱器，延長風(fēng)機(jī)工作時(shí)間，杜絕凝霜凝露產(chǎn)生。

1.2 極寒環(huán)境

1.2.1 場景特點(diǎn)

在新型能源建設(shè)項(xiàng)目中，極寒環(huán)境出現(xiàn)在北部邊疆以及高海拔地區(qū)，溫度最低可達(dá)到-40 ℃，極大地影響了電子元器件工作、設(shè)備性能以及電池活性及使用壽命。

1.2.2 解決方案

針對(duì)天氣寒冷的特性，在室外長期運(yùn)行和間歇性運(yùn)行的設(shè)備，或設(shè)計(jì)在室外放置的設(shè)備，均應(yīng)放置在有采暖設(shè)施的密閉空間，如室內(nèi)或集裝箱。避免在極寒環(huán)境下，電路板、控制板及電子元器件無法工作；戶外電纜選用耐低溫電纜且放置在凍土層之下；集裝箱內(nèi)設(shè)備可采用“柜內(nèi)加熱器+室內(nèi)暖通設(shè)備”的雙重保障，確保器件及設(shè)備可以正常工作。針對(duì)極寒環(huán)境極大影響儲(chǔ)能電池的活性及使用壽命的問題，應(yīng)確保電池長期在適宜的溫度下工作或儲(chǔ)存[4]，在極寒的環(huán)境下，若不能保證集裝箱內(nèi)部長期0 ℃以上的溫度，則要采用低溫電池或特種電池。

表1 電池適宜溫度Table 1 Suitable temperature for battery

1.3 海島環(huán)境

1.3.1 場景特點(diǎn)

在新型能源建設(shè)項(xiàng)目中，有一些遠(yuǎn)海、島礁項(xiàng)目，空氣濕度大鹽霧大，有利于霉菌體肆意生長，影響設(shè)備外觀。同時(shí)，霉菌分泌的酸性物質(zhì)會(huì)破壞設(shè)備表面鍍層，使元器件腐蝕，嚴(yán)重的話會(huì)造成電路板短路。在長期潮濕環(huán)境下會(huì)誘導(dǎo)光伏組件產(chǎn)生PID效應(yīng)，極大地降低了光伏發(fā)電量，而且由此產(chǎn)生的漏電流會(huì)影響絕緣性能。另外，海島上常常出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、暴雨等惡劣天氣。

1.3.2 解決方案

針對(duì)高溫高濕高鹽霧環(huán)境下的霉菌，各設(shè)備均需要增加防護(hù)等級(jí)和防腐等級(jí)，如電氣設(shè)備表面使用防腐涂料且加強(qiáng)涂覆厚度、采用合金一體機(jī)身等設(shè)計(jì)，電氣設(shè)備內(nèi)部的電路板等器件加強(qiáng)涂覆等方式；針對(duì)空氣濕度大，通過在設(shè)備內(nèi)部增加風(fēng)機(jī)和除濕器，杜絕冷凝和帶電設(shè)備爬電現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)增強(qiáng)絕緣性能；針對(duì)高溫天氣，室外運(yùn)行的設(shè)備加強(qiáng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)循環(huán)和風(fēng)機(jī)冗余設(shè)計(jì)，或?qū)⒃O(shè)備放置在具備空調(diào)的室內(nèi)或集裝箱，降低高溫對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率和壽命的影響。在儲(chǔ)能制冷系統(tǒng)上，可以采用液冷系統(tǒng)代替風(fēng)冷系統(tǒng)；針對(duì)光伏組件PID 效應(yīng)，采用具備PID防護(hù)和修復(fù)功能的光伏逆變器；針對(duì)惡劣天氣，光伏組件采用地面鋪設(shè)，不采用最佳傾角，抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)滿足15 級(jí)以上臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)組件、支架與底座的固定以及基座的載重。

1.4 沙漠環(huán)境

1.4.1 場景特點(diǎn)在新型能源建設(shè)項(xiàng)目中，部分項(xiàng)目點(diǎn)位于沙漠地帶，風(fēng)大沙塵多，高溫，干熱，晝夜溫差大。

1.4.2 解決方案

針對(duì)風(fēng)大沙塵多，接插件選用防塵型，設(shè)備的防護(hù)等級(jí)不低于IP65，同時(shí)避免沙塵刮傷，加強(qiáng)設(shè)備表面涂覆，并定期檢查和打掃設(shè)備通風(fēng)口。另外，針對(duì)風(fēng)大沙塵多極易使光伏組件積灰塵，也可以根據(jù)Ⅳ曲線掃描，定位嚴(yán)重積灰的光伏組件位置。針對(duì)干熱產(chǎn)生靜電特性，設(shè)備要做到可靠接地，同時(shí)器件做好反擊穿和滅弧措施。針對(duì)高溫天氣，解決方案同海島環(huán)境下的措施。針對(duì)晝夜溫差大導(dǎo)致的熱脹冷縮和凝霜凝露，解決方案同高原環(huán)境下的措施。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

針對(duì)新型能源建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)行環(huán)境涵蓋了高原、極寒、海島、沙漠等多種極端復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，傳統(tǒng)儲(chǔ)能溫控系統(tǒng)的解決方案多為風(fēng)冷，存在電量不均衡、電芯溫差大、能量密度低等問題，現(xiàn)推出液冷儲(chǔ)能溫控系統(tǒng)解決方案。

2.1 傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案

傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案，可由儲(chǔ)能變流器、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、高壓箱、電池管理系統(tǒng)、風(fēng)冷空調(diào)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、集裝箱箱體等部分組成。電池?cái)M采用280 Ah 電芯，容量以3.5 MWh 為例，傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)配置10簇電池簇，接入一臺(tái)1.725 MW 儲(chǔ)能變流器，之后通過集電線路接到變壓器后，并到國家電網(wǎng)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)銯ig.2 Topology of air-cooled energy storage system

傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案存在以下問題。

（1）電量不均衡

儲(chǔ)能電池由電芯串聯(lián)構(gòu)成模組，由模組串聯(lián)構(gòu)成電池簇，再由電池簇并聯(lián)構(gòu)成電池堆，會(huì)出現(xiàn)“木桶效益”。即當(dāng)某個(gè)電芯出現(xiàn)容量衰減或故障，會(huì)導(dǎo)致整簇儲(chǔ)能電池容量輸出異常；當(dāng)容量少的一簇電池放電截止時(shí)，整個(gè)集裝箱電池放電截止；當(dāng)容量多的一簇電池充電截止時(shí)，整個(gè)電池箱電池充電截止。雖然電池管理系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行電量均衡，但是整個(gè)電池系統(tǒng)仍無法實(shí)現(xiàn)相同深度的充放電。

（2）電芯溫差大

溫控系統(tǒng)由集裝箱空調(diào)、風(fēng)道、風(fēng)扇三部分組成。電芯產(chǎn)生的熱量經(jīng)由模組風(fēng)扇吹出至集裝箱內(nèi)部，再經(jīng)過空調(diào)同外界進(jìn)行熱交換，使電芯降溫。但是，風(fēng)冷無法快速均衡地導(dǎo)出電芯熱量，導(dǎo)致電芯不同電池溫差不同，部分電芯溫度過高對(duì)電池循環(huán)壽命和系統(tǒng)安全等有影響。

（3）能量密度低

空調(diào)和風(fēng)道占用了集裝箱面積，使得集裝箱電池能量密度變低，容量仍以3.5 MWh 為例，部分集裝箱尺寸達(dá)到40 尺(12192 mm×2438 mm×2896 mm)。

2.2 新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案

新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)的解決方案，仍以3.5 MWh為例，除了儲(chǔ)能變流器、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、高壓箱、電池管理系統(tǒng)、風(fēng)冷空調(diào)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、集裝箱箱體等部分組成的基礎(chǔ)上，用DCDC簇級(jí)控制器代替了高壓箱，用液冷管道代替了風(fēng)冷管道，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 Topology of liquid-cooled energy storage system

圖4 模組溫度仿真Fig.4 Simulation of module temperature

圖5 流道溫度仿真Fig.5 Simulation of circulation channel temperature

圖6 系統(tǒng)溫度仿真Fig.6 Simulation of system temperature

新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)的解決方案采用了如下多種先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）智能設(shè)計(jì)

針對(duì)簇間電量、簇內(nèi)各模組和各電芯的電壓差異，簇級(jí)控制器和電池管理系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)電量的主動(dòng)均衡。針對(duì)某簇電池運(yùn)行故障，簇級(jí)控制器實(shí)現(xiàn)故障快速切除。針對(duì)某簇電池電池過充或熱失控等情況，簇級(jí)控制器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)限流或保護(hù)控制。通過智能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)年可利用率＞99%，提升全生命周期可充放電容量＞6%，提高電池循環(huán)壽命＞3%。

（2）高效散熱

電池長期處于不適宜的工作溫度(如高溫或低溫)，會(huì)影響電池的運(yùn)行效率和循環(huán)壽命[5]。針對(duì)散熱介質(zhì)，由原來的風(fēng)冷更改為液冷，對(duì)模組進(jìn)行立體化降溫。針對(duì)模組級(jí)散熱不均衡，將每個(gè)模組都布置液冷管道，通過對(duì)模組溫度傳感采樣和3D 仿真，采用流道同程化散熱均衡設(shè)計(jì)、多維度并聯(lián)分流、流量流速設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模組內(nèi)部各電芯的溫度均衡。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)散熱，對(duì)液冷管道和熱交換通道采用冷熱分離均流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速散熱。

新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)，除在散熱介質(zhì)和散熱管道的設(shè)計(jì)外，還研發(fā)出智能溫控均衡控制技術(shù)和運(yùn)行控制策略，使得液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部溫差不超過5 ℃，任一模組之間溫差不超過3 ℃，從而預(yù)測系統(tǒng)使用壽命提升約13%。在能量管理系統(tǒng)顯示界面上，如圖7 所示，可直觀顯示全系統(tǒng)模組級(jí)SOC、充放電功率、模組級(jí)溫度、系統(tǒng)溫度、故障模組等關(guān)鍵信息，進(jìn)行運(yùn)行預(yù)警和精準(zhǔn)故障定位。

圖7 系統(tǒng)溫度仿真Fig.7 Simulation of system temperature

（3）提高系統(tǒng)能量密度

采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，仍以3.5 MWh為例，采用液冷方式，系統(tǒng)總重量≤35噸，可以集成在20尺（6058 mm×2438 mm×2896 mm)集裝箱中。針對(duì)10 MW/20 MWh 系統(tǒng)單元，液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)程度高，比風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)節(jié)省占地面積40%以上。

（4）安全設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能安全是重中之重，液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)采用了“三級(jí)消防-三級(jí)防爆-三級(jí)絕緣”的高度智能安全控制技術(shù)。

三級(jí)消防：模組級(jí)別，分別在模組內(nèi)部布置氣溶膠；系統(tǒng)級(jí)別，通過在集裝箱和模組內(nèi)部的煙感溫感探頭檢測，采用七氟丙烷或全氟己酮為消防介質(zhì)的氣體全浸沒消防，同時(shí)采用水為消防介質(zhì)的水噴淋消防。氣體消防主要作用為迅速滅火，水消防主要作用為持續(xù)降溫避免復(fù)燃；集裝箱級(jí)別，內(nèi)部放置手持消防滅火器。

三級(jí)防爆：分別在電芯、模組、集裝箱上進(jìn)行設(shè)置，降低火災(zāi)和事故帶來的影響。

圖8 三級(jí)消防Fig.8 Three level fire fighting

圖9 三級(jí)防爆F(xiàn)ig.9 Three level explosion proof

三級(jí)絕緣：分別在模組級(jí)做直流側(cè)絕緣檢測及分?jǐn)?，在簇?jí)控制器做直流側(cè)絕緣檢測及分?jǐn)?，在?chǔ)能變流器做交流側(cè)絕緣檢測及分?jǐn)?，增?qiáng)系統(tǒng)可靠性。

圖10 三級(jí)防爆F(xiàn)ig.10 Three level explosion proof

（5）關(guān)鍵器件壽命預(yù)測

隨著新型能源建設(shè)項(xiàng)目多年運(yùn)行后，系統(tǒng)中的大功率開關(guān)器件、母線電容、風(fēng)機(jī)等易耗易損件逐漸老化及失效，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、比對(duì)以及AI算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)測、器件壽命預(yù)測等功能，提升產(chǎn)品智能化水平及產(chǎn)品可靠性。

3 結(jié)論

針對(duì)新型能源建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，本文對(duì)高原、極寒、海島、沙漠等多種極端運(yùn)行環(huán)境場景，提出了解決方案。針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)的問題，新型液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)的解決方案采用了智能設(shè)計(jì)、高效散熱、提高系統(tǒng)能量密度、安全設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，極大地增強(qiáng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文可為新型能源建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)和設(shè)計(jì)方案提供建設(shè)性意見。