儲能電站總體技術(shù)方案全套

儲能電站總體技術(shù)方案1.概述大容量電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已有20多年的歷史，早期主要用于孤立電網(wǎng)的調(diào)頻、熱備用、調(diào)壓和備份等。電池儲能系統(tǒng)在新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用，國外也已開展了一定的研究。上世紀(jì)90年代末德國在Herne1MW的光伏電站和Bocholt2MW的風(fēng)電場分別配置了容量為1.2MWh的電池儲能系統(tǒng)，提供削峰、不中斷供電和改善電能質(zhì)量功能。從2003年開始，日本在Hokkaido30.6MW風(fēng)電場安裝了6MW/6MWh的全釩液流電池（VRB）儲能系統(tǒng)，用于平抑輸出功率波動。2009年英國EDF電網(wǎng)將600kW/200kWh鋰離子電池儲能系統(tǒng)配置在東部一個(gè)11KV配電網(wǎng)STATCOM中，用于潮流和電壓控制，有功和無功控制?？傮w來說，儲能電站（系統(tǒng)）在電網(wǎng)中的應(yīng)用目的主要考慮“負(fù)荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量、孤網(wǎng)運(yùn)行、削峰填谷”等幾大功能應(yīng)用。比如：削峰填谷，改善電網(wǎng)運(yùn)行曲線，通俗一點(diǎn)解釋，儲能電站就像一個(gè)儲電銀行，可以把用電低谷期富余的電儲存起來，在用電高峰的時(shí)候再拿出來用，這樣就減少了電能的浪費(fèi)；此外儲能電站還能減少線損，增加線路和設(shè)備使用壽命；優(yōu)化系統(tǒng)電源布局，改善電能質(zhì)量。而儲能電站的綠色優(yōu)勢則主要體現(xiàn)在：科學(xué)安全，建設(shè)周期短；綠色環(huán)保，促進(jìn)環(huán)境友好；集約用地，減少資源消耗等方面。2.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)略3.儲能電站（配合光伏并網(wǎng)發(fā)電）方案3.1系統(tǒng)架構(gòu)在本方案中，儲能電站（系統(tǒng)）主要配合光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用，因此，整個(gè)系統(tǒng)是包括光伏組件陣列、光伏控制器、電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器以及相應(yīng)的儲能電站聯(lián)合控制調(diào)度系統(tǒng)等在內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：儲能電站（配合光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用）架構(gòu)圖1、光伏組件陣列利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對鋰電池組充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負(fù)載進(jìn)行供電；2、智能控制器根據(jù)日照強(qiáng)度及負(fù)載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；4、并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的380V市電接入用戶側(cè)低壓電網(wǎng)或經(jīng)升壓變壓器送入高壓電網(wǎng)。5、鋰電池組在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備供電不足時(shí)使用。3.2光伏發(fā)電子系統(tǒng)略。3.3儲能子系統(tǒng)3.3.1儲能電池組(1)電池選型原則作為配合光伏發(fā)電接入，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、負(fù)荷補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量應(yīng)用的儲能電站，儲能電池是非常重要的一個(gè)部件，必須滿足以下要求：?容易實(shí)現(xiàn)多方式組合，滿足較高的工作電壓和較大工作電流；?電池容量和性能的可檢測和可診斷，使控制系統(tǒng)可在預(yù)知電池容量和性能的情況下實(shí)現(xiàn)對電站負(fù)荷的調(diào)度控制；?高安全性、可靠性：在正常使用情況下，電池正常使用壽命不低于15年；在極限情況下，即使發(fā)生故障也在受控范圍，不應(yīng)該發(fā)生爆炸、燃燒等危及電站安全運(yùn)行的故障；?具有良好的快速響應(yīng)和大倍率充放電能力，一般要求5-10倍的充放電能力；?較高的充放電轉(zhuǎn)換效率；?易于安裝和維護(hù)；?具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，較寬的工作溫度范圍；?符合環(huán)境保護(hù)的要求，在電池生產(chǎn)、使用、回收過程中不產(chǎn)生對環(huán)境的破壞和污染；(2)主要電池類型比較表1、幾種電池性能比較鈉硫電池全釩液流電池磷酸鐵鋰電池閥控鉛酸電池現(xiàn)有應(yīng)用規(guī)模等級100kW~34MW5kW~6MWkW~MWkW~MW比較適合的應(yīng)用場合大規(guī)模削峰填谷、平抑可再生能源發(fā)電波動大規(guī)模削峰填谷、平抑可再生能源發(fā)電波動可選擇功率型或能量型，適用范圍廣泛大規(guī)模削峰填谷、平抑可再生能源發(fā)電波動安全性不可過充電；鈉、硫的滲漏，存在潛在安全隱患安全需要單體監(jiān)控，安全性能已有較大突破安全性可接受，但廢舊鉛酸蓄電池嚴(yán)重污染土壤和水源能量密度100-700Wh/kg-120-150Wh/kg30-50Wh/kg倍率特性5-10C1.5C5-15C0.1-1C轉(zhuǎn)換效率>95%>70%>95%>80%壽命>2500次>15000次>2000次>300次成本23000元/kWh15000元/kWh3000元/kWh700元/kWh資源和環(huán)保資源豐富；存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)資源豐富資源豐富；環(huán)境友好資源豐富；存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)MW級系統(tǒng)占地150-200平米/MW800-1500平米/MW100-150平米/MW(h)150-200平米MW關(guān)注點(diǎn)安全、一致性、成本可靠性、成熟性、成本一致性一致性、壽命(3)建議方案從初始投資成本來看，鋰離子電池有較強(qiáng)的競爭力，鈉硫電池和全釩液流電池未形成產(chǎn)業(yè)化，供應(yīng)渠道受限，較昂貴。從運(yùn)營和維護(hù)成本來看，鈉硫需要持續(xù)供熱，全釩液流電池需要泵進(jìn)行流體控制，增加了運(yùn)營成本，而鋰電池幾乎不需要維護(hù)。根據(jù)國內(nèi)外儲能電站應(yīng)用現(xiàn)狀和電池特點(diǎn)，建議儲能電站電池選型主要為磷酸鐵鋰電池。3.3.2電池管理系統(tǒng)(BMS)（1）電池管理系統(tǒng)的要求在儲能電站中，儲能電池往往由幾十串甚至幾百串以上的電池組構(gòu)成。由于電池在生產(chǎn)過程和使用過程中，會造成電池內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)的不一致。這種差異表現(xiàn)為電池組充滿或放完時(shí)串聯(lián)電芯之間的電壓不相同，或能量的不相同。這種情況會導(dǎo)致部分過充，而在放電過程中電壓過低的電芯有可能被過放，從而使電池組的離散性明顯增加，使用時(shí)更容易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，整體容量急劇下降，整個(gè)電池組表現(xiàn)出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，最終導(dǎo)致電池組提前失效。因此，對于磷酸鐵鋰電池電池組而言，均衡保護(hù)電路是必須的。當(dāng)然，鋰電池的電池管理系統(tǒng)不僅僅是電池的均衡保護(hù)，還有更多的要求以保證鋰電池儲能系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。（2）電池管理系統(tǒng)BMS的具體功能n

基本保護(hù)功能ü單體電池電壓均衡功能此功能是為了修正串聯(lián)電池組中由于電池單體自身工藝差異引起的電壓、或能量的離散性，避免個(gè)別單體電池因過充或過放而導(dǎo)致電池性能變差甚至損壞情況的發(fā)生，使得所有個(gè)體電池電壓差異都在一定的合理范圍內(nèi)。要求各節(jié)電池之間誤差小于±30mv。ü電池組保護(hù)功能單體電池過壓、欠壓、過溫報(bào)警，電池組過充、過放、過流報(bào)警保護(hù)，切斷等。n

數(shù)據(jù)采集功能采集的數(shù)據(jù)主要有：單體電池電壓、單體電池溫度（實(shí)際為每個(gè)電池模組的溫度）、組端電壓、充放電電流，計(jì)算得到蓄電池內(nèi)阻。通訊接口：采用數(shù)字化通訊協(xié)議IEC61850。在儲能電站系統(tǒng)中，需要和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，上送數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令。n

診斷功能BMS應(yīng)具有電池性能的分析診斷功能，能根據(jù)實(shí)時(shí)測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、計(jì)算得到的電池內(nèi)阻等參數(shù)，通過分析診斷模型，得出單體電池當(dāng)前容量或剩余容量（SOC）的診斷，單體電池健康狀態(tài)（SOH）的診斷、電池組狀態(tài)評估，以及在放電時(shí)當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電時(shí)間的估算。根據(jù)電動汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求《鋰離子蓄電池總成通用要求》（目前儲能電站無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），對剩余容量（SOC）的診斷精度為5%，對健康狀態(tài)（SOH）的診斷精度為8%。n

熱管理鋰電池模塊在充電過程中，將產(chǎn)生大量的熱能，使整個(gè)電池模塊的溫度上升，因而，BMS應(yīng)具有熱管理的功能。n

故障診斷和容錯(cuò)若遇異常，BMS應(yīng)給出故障診斷告警信號，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上層控制系統(tǒng)。對儲能電池組每串電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測分析，計(jì)算內(nèi)阻及電壓的變化率，以及參考相對溫升等綜合辦法，即時(shí)檢查電池組中是否有某些已壞不能再用的或可能很快會壞的電池，判斷故障電池及定位，給出告警信號，并對這些電池采取適當(dāng)處理措施。當(dāng)故障積累到一定程度，而可能出現(xiàn)或開始出現(xiàn)惡性事故時(shí)，給出重要告警信號輸出、并切斷充放電回路母線或者支路電池堆，從而避免惡性事故發(fā)生。采用儲能電池的容錯(cuò)技術(shù)，如電池旁路或能量轉(zhuǎn)移等技術(shù)，當(dāng)某一單體電池發(fā)生故障時(shí)，以避免對整組電池運(yùn)行產(chǎn)生影響。管理系統(tǒng)對系統(tǒng)自身軟硬件具有自檢功能，即使器件損壞，也不會影響電池安全。確保不會因管理系統(tǒng)故障導(dǎo)致儲能系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至導(dǎo)致電池?fù)p壞或發(fā)生惡性事故。?建議方案n均衡保護(hù)技術(shù)建議能量轉(zhuǎn)移法（儲能均衡）。n

其它保護(hù)技術(shù)對于電池的過壓、欠壓、過流等故障情況，采取了切斷回路的方式進(jìn)行保護(hù)。對瞬間的短路的過流狀態(tài)，過流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間是微秒級的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對電池帶來的巨大損傷。在母線回路中一般采用快速熔斷器，在各個(gè)電池模塊中，采用高速功率電子器件實(shí)現(xiàn)快速切斷。n

蓄電池在線容量評估SOC在測量動態(tài)內(nèi)阻和真值電壓等基礎(chǔ)上，利用充電特性與放電特性的對應(yīng)關(guān)系，采用多種模式分段處理辦法，建立數(shù)學(xué)分析診斷模型，來測量剩余電量SOC。分析鋰電池的放電特性,基于積分法采用動態(tài)更新電池電量的方法,考慮電池自放電現(xiàn)象,對電池的在線電流、電壓、放電時(shí)間進(jìn)行測量；預(yù)測和計(jì)算電池在不同放電情況下的剩余電量，并根據(jù)電池的使用時(shí)間和環(huán)境溫度對電量預(yù)測進(jìn)行校正，給出剩余電量SOC的預(yù)測值。為了解決電池電量變化對測量的影響，可采用動態(tài)更新電池電量的方法，即使用上一次所放出的電量作為本次放電的基準(zhǔn)電量，這樣隨著電池的使用，電池電量減小體現(xiàn)為基準(zhǔn)電量的減小；同時(shí)基準(zhǔn)電量還需要根據(jù)外界環(huán)境溫度變化進(jìn)行相應(yīng)修正。n

蓄電池健康狀態(tài)評估SOH對鋰電池整個(gè)壽命運(yùn)行曲線充放電特性的對應(yīng)關(guān)系分析，進(jìn)行曲線擬合和比對，得出蓄電池健康狀態(tài)評估值SOH，同時(shí)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境對評估值進(jìn)行修正。n

蓄電池組的熱管理在電池選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮熱管理的設(shè)計(jì)。圓柱形電芯在排布中的透氣孔設(shè)計(jì)及鋁殼封裝能幫助電芯更好的散熱，可有效防鼓，保證穩(wěn)定。BMS含有溫度檢測，對電池的溫度進(jìn)行監(jiān)控，如果溫度高于保護(hù)值將開啟風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻，若溫度達(dá)到危險(xiǎn)值，該電池堆能自動退出運(yùn)行。3.4并網(wǎng)控制子系統(tǒng)本子系統(tǒng)包括儲能電站內(nèi)將直流電變換成交流電的設(shè)備。用于將電能變換成適合于電網(wǎng)使用的一種或多種形式的電能的電氣設(shè)備。最大功率跟蹤控制器、逆變器和控制器均可屬于本子系統(tǒng)的一部分。(1)大功率PCS拓?fù)?設(shè)計(jì)原則n符合大容量電池組電壓等級和功率等級；n結(jié)構(gòu)簡單、可靠穩(wěn)定，功率損耗低；n能夠靈活進(jìn)行整流逆變雙向切換運(yùn)行；n采用常規(guī)功率開關(guān)器件，設(shè)計(jì)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化；n并網(wǎng)諧波含量低，濾波簡單；?發(fā)展現(xiàn)狀低壓等級（2kV以下）電池組的PCS系統(tǒng)早期一般是采用基于多重化技術(shù)的多脈波變換器，功率管采用晶閘管或GTO。隨著新型電池技術(shù)的出現(xiàn)、功率器件和拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展，較高電壓等級（5kV~6kV）的電池組的PCS系統(tǒng)一般采用多電平技術(shù)，功率管采用IGCT或IGBT串聯(lián)。另外一種方案是采用DC/DC+DC/AC兩級變換結(jié)構(gòu)，通過DC/DC先將電池組輸出升壓，再通過DC/AC逆變。適合大功率電池應(yīng)用的DC/DC變換器拓?fù)渲饕捎梅歉綦x型雙向Buck/Boost電路，多模塊交錯(cuò)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容；DC/AC部分主要包括多重化、多電平、交錯(cuò)并聯(lián)等大功率變流技術(shù)，以降低并網(wǎng)諧波，簡化并網(wǎng)接口。?建議方案大容量電池儲能系統(tǒng)可采用電壓源型PCS，并聯(lián)接入電網(wǎng)，PCS設(shè)計(jì)成四象限運(yùn)行，能獨(dú)立的進(jìn)行有功、無功控制。目前電池組電壓等級一般低于2kV，大容量電池儲能系統(tǒng)具有低壓大電流特點(diǎn)?？紤]兩級變換結(jié)構(gòu)損耗大，建議采用單級DC/AC變換結(jié)構(gòu)，通過升壓變接入電網(wǎng)。利用多變流器單元并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)容，采用移相載波調(diào)制和環(huán)流抑制實(shí)現(xiàn)單元間的功率均分。結(jié)構(gòu)簡單、易控制、模塊化、容錯(cuò)性好和效率高。(2)PCS控制策略?控制要求n高效安全電池充放電；n滿足電網(wǎng)相關(guān)并網(wǎng)導(dǎo)則；n進(jìn)行有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)；n能夠適應(yīng)電網(wǎng)故障運(yùn)行。?研究現(xiàn)狀國內(nèi)外對分布式發(fā)電中并網(wǎng)變流器控制策略已經(jīng)展開了廣泛研究，常采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)根據(jù)控制目標(biāo)的不同，提出了PQ控制、下垂控制、虛擬同步機(jī)控制等，內(nèi)環(huán)一般采用電流環(huán)，提出了自然坐標(biāo)系、靜止坐標(biāo)系和同步坐標(biāo)系下的控制策略。電池儲能系統(tǒng)PCS控制除了滿足常規(guī)的并網(wǎng)變流器要求，更重要的要滿足電池充放電要求，尤其是電網(wǎng)故障情況下的控制。?建議方案n采用多目標(biāo)的變流器控制策略，一方面精確控制充放電過程中的電壓、電流，確保電池組高效、安全充放電；另一方面根據(jù)調(diào)度指令，進(jìn)行有功、無功控制。n低電壓穿越能力強(qiáng)，逆變器對電網(wǎng)電壓應(yīng)始終工作在恒流工作模式，輸出端壓跟隨市電，可以在很低電壓下運(yùn)行，甚至在輸出端短路時(shí)仍可輸出，此時(shí)逆變器保持額定的輸出電流不變。n實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障狀態(tài)下電池儲能系統(tǒng)緊急控制，以及電網(wǎng)恢復(fù)后電池儲能系統(tǒng)的重新同步控制。3.5儲能電站聯(lián)合控制調(diào)度子系統(tǒng)常規(guī)的儲能電站控制系統(tǒng)使用的產(chǎn)品來自于不同的供應(yīng)商。幾乎每個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)商都具有一套自己的標(biāo)準(zhǔn),整個(gè)儲能電站里運(yùn)行的規(guī)約就可能達(dá)到好幾種。于是當(dāng)一個(gè)儲能電站需要將不同廠商的產(chǎn)品集成到一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，就不得不花很大的代價(jià)做通信協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，這樣做一方面增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性降低了可靠性，另一方面增加了系統(tǒng)成本和維護(hù)的復(fù)雜性。因此本方案建議采用基于IEC61850的系統(tǒng)方案。IEC61850是關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。制定IEC61850主要目的就是使不同制造廠商的產(chǎn)品具有互操作性,使它們可以方便地集成到一個(gè)系統(tǒng)中去，能夠在各種自動化系統(tǒng)內(nèi)部準(zhǔn)確、快速地交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無縫集成和互操作。由于聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)采用IEC61850協(xié)議，所以在儲能電站也采用基于IEC61850的控制系統(tǒng)有利于處理并傳送從儲能電站控制系統(tǒng)到聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)各種實(shí)時(shí)信息。儲能電站控制系統(tǒng)采用模塊化、功能集成的設(shè)計(jì)思想，分為系統(tǒng)層和設(shè)備層兩層結(jié)構(gòu)，全站監(jiān)控雙網(wǎng)采用100M光纖以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。?系統(tǒng)層配置：系統(tǒng)層主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、與聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能。n實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集通過子系統(tǒng)的智能組件從功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、配電系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括電池容量、線路狀態(tài)、電流、有功功率、無功功率、功率系數(shù)和平均值。n與聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)通信：在儲能電站和變電站之間鋪設(shè)光纖，將儲能電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障信息等上傳到聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)接受聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控制命令。?設(shè)備層配置設(shè)備層由電池管理系統(tǒng)（BMS）及其智能組件、能量管理系統(tǒng)（PCS）及其智能組件、配電系統(tǒng)保護(hù)測控裝置等。n電池管理系統(tǒng)（BMS）及其智能組件：電池管理系統(tǒng)（BMS）對整個(gè)儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)行、儲能系統(tǒng)控制策略的選擇、充電模式的選擇以及運(yùn)營成本都有很大的影響。電池管理系統(tǒng)無論是在電池的充電過程還是放電過程，都要可靠的完成電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。并通過智能組件將相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為IEC61850協(xié)議通過光以太網(wǎng)上送到監(jiān)控系統(tǒng)，以便采用更加合理的控制策略，達(dá)到有效且高效使用電池的目的。n能量管理系統(tǒng)（PCS）及其智能組件：能量管理系統(tǒng)（PCS）實(shí)現(xiàn)對電池充放電的控制，滿足儲能系統(tǒng)并網(wǎng)要求。研究多目標(biāo)的變流器控制策略，一方面精確控制充放電過程中的電壓、電流，確保電池組高效充放電；另一方面根據(jù)調(diào)度指令，進(jìn)行雙向平滑切換運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有功、無功獨(dú)立控制。另外，在電網(wǎng)故障條件下，研究多儲能PCS單元的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對局部電網(wǎng)的安全運(yùn)行。智