儲能電站技術方案設計

1、儲能電站總體技術方案2011-12-20目錄1. 概述32. 設計標準43. 儲能電站(配合光伏并網發(fā)電)方案73.1系統(tǒng)架構73.2光伏發(fā)電子系統(tǒng) 83.3儲能子系統(tǒng)83.3.1儲能電池組83.3.2電池管理系統(tǒng)(BMS) 1.13.4并網控制子系統(tǒng).4專業(yè)資料3.5儲能電站聯合控制調度子系統(tǒng) 1.74儲能電站（系統(tǒng)）整體發(fā)展前景1.91. 概述大容量電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用已有20多年的歷史，早期主要用于孤立電網的調頻、熱備用、調壓和備份等。電池儲能系統(tǒng)在新能源并網中的應 用，國外也已開展了一定的研究。上世紀90年代末德國在Herne 1MW 的光伏 電站和Bocholt 2MW的風

2、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量功能。從2003年開始，日本在Hokkaido 30.6MW風電場安裝了 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電網將600kW/200kWh 鋰離子電池 儲能系統(tǒng)配置在東部一個11KV配電網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)）在電網中的應用目的主要考慮“ 負荷調節(jié)、配合新能源接入、彌補線損、功率補償、提高電能質量、孤網運行、削峰填谷 幾大功能應用。比如：削峰填谷，改善電網運行曲線，通俗一點解釋，儲能電站

3、 就像一個儲電銀行，可以把用電低谷期富余的電儲存起來， 在用電高峰的時候再 拿出來用，這樣就減少了電能的浪費；此外儲能電站還能減少線損，增加線路和 設備使用壽命；優(yōu)化系統(tǒng)電源布局，改善電能質量。而儲能電站的綠色優(yōu)勢則主 要體現在：科學安全，建設周期短；綠色環(huán)保，促進環(huán)境友好；集約用地，減少資源消耗等方面發(fā)電犒電兀荷詞節(jié).平漏新虢澎|強IF幫禍配電用電.#.A!配電蠻電站!1to 4制皆豈1!41L f!訝K3T12. 設計標準GB 21966-2008鋰原電池和蓄電池在運輸中的安全要求GJB 4477-2002鋰離子蓄電池組通用規(guī)范QC/T 743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池GB/T 12

4、325-2008電能質量供電電壓偏差GB/T 12326-2008電能質量電壓波動和閃變GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波GB/T 15543-2008電能質量三相電壓不平衡GB/T 2297-1989太陽光伏能源系統(tǒng)術語DL/T 527-2002GB/T 13384-2008GB/T 14537-1993GB/T 14598.27-2008DL/T 478-2001GB/T 191-2008GB/T 2423.1-2008 驗A :低溫GB/T 2423.2-2008 驗B:高溫GB/T 2423.3-2006 驗Cab :恒定濕熱試驗GB/T 2423.8-1995Ed :

5、自由跌落GB/T 2423.10-2008 驗Fc：振動（正弦）GB 4208-2008GB/T 17626 -2006GB 14048.1-2006GB 7947-2006 色或數字標識GB 8702-88DL/T 5429-2009DL/T 5136-2001DL/T 620-1997靜態(tài)繼電保護裝置逆變電源技術條件機電產品包裝通用技術條件量度繼電器和保護裝置的沖擊與碰撞試驗量度繼電器和保護裝置 第27部分：產品安全要求靜態(tài)繼電保護及安全自動裝置通用技術條件包裝儲運圖示標志電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分

6、：試驗方法 試電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試外殼防護等級（IP代碼）電磁兼容試驗和測量技術低壓開關設備和控制設備 第1部分：總則人機界面標志標識的基本和安全規(guī)則 導體的顏電磁輻射防護規(guī)定電力系統(tǒng)設計技術規(guī)程火力發(fā)電廠、變電所二次接線設計技術規(guī)程交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地GB 50217-2007電力工程電纜設計規(guī)范GB 2900.11-1988蓄電池名詞術語IEC 61427-2005求和試驗方法光伏系統(tǒng)（PVES）用二次電池和蓄電池組一般要Q/GDW 564-2010儲能系統(tǒng)接入配

7、電網技術規(guī)定QC/T 743-2006電動汽車用鋰離子畜電池GB/T 18479-2001地面用光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)概述和導則GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網技術要求GB/T 20046-2006光伏（PV）系統(tǒng)電網接口特性GB 2894 安全標志(neq ISO 3864 : 1984 )GB 16179安全標志使用導則GB/T 17883 0.2S和0.5S級靜止式交流有功電度表DL/T 448能計量裝置技術管理規(guī)定DL/T 614多功能電能表DL/T 645 多功能電能表通信協議DL/T 5202電能量計量系統(tǒng)設計技術規(guī)程SJ/T 11127光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護一一導

8、則IEC 61000430 電磁兼容第4-30部分試驗和測量技術一一電能質量IEC 60364-7-712建筑物電氣裝置第7-712部分：特殊裝置或場所的要求 太陽光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)3. 儲能電站（配合光伏并網發(fā)電）方案3.1系統(tǒng)架構在本方案中，儲能電站（系統(tǒng)）主要配合光伏并網發(fā)電應用，因此，整個系統(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 ）、逆變器以及相應的儲能電站聯合控制調度系統(tǒng)等在內的發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)架構圖如下:光伏組件并網逆變器井網逆變器光伏控制辭V-鐵即電池組HRS4«?RS4«?洪即電池組RS4s?：RS4s?：電網電網監(jiān)桎主機儲能電站（配

9、合光伏并網發(fā)電應用）架構圖1、光伏組件陣列利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對 鋰電池組充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；2、智能控制器根據日照強度及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調節(jié)：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。 另一方面把多 余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電 能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；4、并網逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的 380V市電接入用戶側低壓電網或經升壓變壓器送入高壓電網。5、鋰電池組在系統(tǒng)中同時起到能量調節(jié)和平衡負載兩大作用。它將光伏

10、發(fā) 電系統(tǒng)輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。3.2光伏發(fā)電子系統(tǒng)略。3.3儲能子系統(tǒng)配流匯流柜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，實現削峰填谷、負荷補償，提高電能質量應用的儲能電站，儲能電池是非常重要的一個部件，必須滿足以下要求：? 容易實現多方式組合，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)可在預知電池容量和性能的 情況下實現對電站負荷的調度控制；? 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，不應該發(fā)生爆炸、燃燒等危及 電站安全運行的故障；? 具

11、有良好的快速響應和大倍率充放電能力， 一般要求5-10倍的充放電能力;? 較高的充放電轉換效率；? 易于安裝和維護；? 具有較好的環(huán)境適應性，較寬的工作溫度范圍；? 符合環(huán)境保護的要求，在電池生產、使用、回收過程中不產生對環(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有應用規(guī)模等級100kW34MW5kW6MWkWMWkWMW比較適合大規(guī)模削峰填谷、大規(guī)模削峰填可選擇功率型或大規(guī)模削峰填谷、的應用場平抑可再生能源谷、平抑可再生能量型，適用范圍平抑可再生能源發(fā)合發(fā)電波動能源發(fā)電波動廣泛電波動安全性不可過充電；鈉、硫的滲漏，存在潛在安

12、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 重污染土壤和水源能量密度100-700 Wh/kg-120-150Wh/kg30-50 Wh/kg倍率特性5-10C1.5C5-15C0.1-1C轉換效率>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)資源豐富；存在一資源豐富資源豐富；環(huán)境友資源豐富；存在一保定的環(huán)境風險好定的環(huán)境風險MW級系150-200 平米800-1500

13、平米100-150 平米150-200 平米 MW統(tǒng)占地/MW/MW/MW(h)關注點安全、一致性、成可靠性、成熟性、一致性一致性、壽命本成本(3) 建議方案從初始投資成本來看，鋰離子電池有較強的競爭力，鈉硫電池和全釩液流電 池未形成產業(yè)化，供應渠道受限，較昂貴。從運營和維護成本來看，鈉硫需要持 續(xù)供熱，全釩液流電池需要泵進行流體控制， 增加了運營成本，而鋰電池幾乎不 需要維護。根據國內外儲能電站應用現狀和電池特點， 建議儲能電站電池選型主 要為磷酸鐵鋰電池。332 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成。由于電池在生產過程和

14、使用過程中，會造成電池內阻、電壓、容量等參數的不一致。 這種差異表現為電池組充滿或放完時串聯電芯之間的電壓不相同，或能量的不相同。這種情況會導致部分過充，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， 使用時更容易發(fā)生過充和過放現象， 整體容量 急劇下降，整個電池組表現出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，最終導致電池組提前失效。因此，對于磷酸鐵鋰電池電池組而言，均衡保護電路是必須的。當然，鋰電 池的電池管理系統(tǒng)不僅僅是電池的均衡保護，還有更多的要求以保證鋰電池儲能 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。（2）電池管理系統(tǒng)BMS的具體功能基本保護功能? 單體電池電壓均衡功能此功

15、能是為了修正串聯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，避免個別單體電池因過充或過放而導致電池性能變差甚至損壞情 況的發(fā)生，使得所有個體電池電壓差異都在一定的合理范圍內。要求各節(jié)電池之間誤差小于土30mv。? 電池組保護功能單體電池過壓、欠壓、過溫報警，電池組過充、過放、過流報警保護，切斷數據采集功能采集的數據主要有：單體電池電壓、單體電池溫度（實際為每個電池模組的 溫度）、組端電壓、充放電電流，計算得到蓄電池內阻。通訊接口：采用數字化通訊協議IEC61850。在儲能電站系統(tǒng)中，需要和調 度監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，上送數據和執(zhí)行指令。診斷功能BMS應具有電池性能的分析診斷功能，能

16、根據實時測量蓄電池模塊電壓、 充放電電流、溫度和單體電池端電壓、計算得到的電池內阻等參數，通過分析診 斷模型，得出單體電池當前容量或剩余容量（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，以及在放電時當前狀態(tài)下可持續(xù)放電時間 的估算。根據電動汽車相關標準的要求鋰離子蓄電池總成通用要求（目前儲能電站無相關標準），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%。熱管理鋰電池模塊在充電過程中，將產生大量的熱能，使整個電池模塊的溫度上升， 因而，BMS應具有熱管理的功能。故障診斷和容錯若遇異常，BMS應給出故障診斷告警信號，通過監(jiān)控網絡發(fā)送給上層控制

17、系統(tǒng)。對儲能電池組每串電池進行實時監(jiān)控，通過電壓、電流等參數的監(jiān)測分析， 計算內阻及電壓的變化率，以及參考相對溫升等綜合辦法，即時檢查電池組中是 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處理措施。 當故障積累到一定程度，而可能出現 或開始出現惡性事故時，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技術，如電池旁路或能量轉移等技術，當某一單體電池 發(fā)生故障時，以避免對整組電池運行產生影響。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

18、統(tǒng)故障導致儲能系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至導致電池損壞或發(fā) 生惡性事故。?建議方案均衡保護技術建議能量轉移法（儲能均衡）。其它保護技術對于電池的過壓、欠壓、過流等故障情況，采取了切斷回路的方式進行保護。對瞬間的短路的過流狀態(tài)，過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時時間是微秒級的， 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， 在各個電池模塊中，采用高速功率電子 器件實現快速切斷。蓄電池在線容量評估SOC在測量動態(tài)內阻和真值電壓等基礎上，利用充電特性與放電特性的對應關系，采用多種模式分段處理辦法，建立數學分析診斷模型，來測量剩余

19、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 自放電現象，對電池的在線電流、電壓、放電時間進行測量；預測和計算電池在不同放電情況下的剩余電量，并根據電池的使用時間和環(huán)境溫度對電量預測進行 校正，給出剩余電量SOC的預測值。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電量，這樣隨著電池的使用，電池電量減小體現為基準電量的減??；同時基準電量還需要根據外界環(huán)境溫度變化進 行相應修正。蓄電池健康狀態(tài)評估SOH對鋰電池整個壽命運行曲線充放電特性的對應關系分析，進行曲線擬合和比對，得出蓄電池健康狀態(tài)評估值

20、 SOH，同時根據運行環(huán)境對評估值進行修正。蓄電池組的熱管理在電池選型和結構設計中應充分考慮熱管理的設計。圓柱形電芯在排布中的 透氣孔設計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，對電池的溫度進行監(jiān)控，如果溫度高于保護值將開啟 風機強制冷卻，若溫度達到危險值，該電池堆能自動退出運行。3.4并網控制子系統(tǒng)本子系統(tǒng)包括儲能電站內將直流電變換成交流電的設備。用于將電能變換成 適合于電網使用的一種或多種形式的電能的電氣設備。 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拓撲? 設計原則符合大容量電池組電壓等級和功率等級;結構簡單、可

21、靠穩(wěn)定，功率損耗低；能夠靈活進行整流逆變雙向切換運行；采用常規(guī)功率開關器件，設計模塊化、標準化;并網諧波含量低，濾波簡單；? 發(fā)展現狀低壓等級（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 的多脈波變換器，功率管采用晶閘管或 GTO。隨著新型電池技術的出現、功率 器件和拓撲技術的發(fā)展，較高電壓等級（5kV6kV ）的電池組的PCS系統(tǒng)一般 采用多電平技術，功率管采用IGCT或IGBT串聯。另外一種方案是采用DC/DC+DC/AC 兩級變換結構，通過 DC/DC先將電 池組輸出升壓，再通過 DC/AC逆變。適合大功率電池應用的 DC/DC變換器拓 撲主要采用非隔離型雙向Buck/B

22、oost電路，多模塊交錯并聯實現擴容；DC/AC 部分主要包括多重化、多電平、交錯并聯等大功率變流技術，以降低并網諧波， 簡化并網接口。? 建議方案大容量電池儲能系統(tǒng)可采用電壓源型象限運行，能獨立的進行有功、無功控制大容量電池儲能系統(tǒng)具有低壓大電流特點PCS，并聯接入電網，PCS設計成四 目前電池組電壓等級一般低于 2kV， 考慮兩級變換結構損耗大，建議采用單級DC/AC變換結構，通過升壓變接入電網。利用多變流器單元并聯技術進行 擴容，采用移相載波調制和環(huán)流抑制實現單元間的功率均分。結構簡單、易控制、 模塊化、容錯性好和效率高(2) PCS控制策略?控制要求高效安全電池充放電；滿足電網相關并網

23、導則；進行有功、無功獨立調節(jié)；能夠適應電網故障運行。? 研究現狀國內外對分布式發(fā)電中并網變流器控制策略已經展開了廣泛研究，常采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)根據控制目標的不同，提出了 PQ控制、下垂控制、虛擬同步機 控制等，內環(huán)一般采用電流環(huán)，提出了自然坐標系、靜止坐標系和同步坐標系下 的控制策略。電池儲能系統(tǒng) PCS控制除了滿足常規(guī)的并網變流器要求，更重要 的要滿足電池充放電要求，尤其是電網故障情況下的控制。? 建議方案采用多目標的變流器控制策略，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；另一方面根據調度指令，進行有功、 無功控制。低電壓穿越能力強，逆變器對電網電壓應始終工作在

24、恒流工作模式，輸出端壓跟隨市電，可以在很低電壓下運行，甚至在輸出端短路時仍可輸出，此時逆變器保持額定的輸出電流不變。實現電網故障狀態(tài)下電池儲能系統(tǒng)緊急控制，以及電網恢復后電池儲能系統(tǒng)的重新同步控制。3.5儲能電站聯合控制調度子系統(tǒng)常規(guī)的儲能電站控制系統(tǒng)使用的產品來自于不同的供應商。幾乎每個產品供應商都具有一套自己的標準，整個儲能電站里運行的規(guī)約就可能達到好幾種。于 是當一個儲能電站需要將不同廠商的產品集成到一個系統(tǒng)時，就不得不花很大的代價做通信協議轉換裝置，這樣做一方面增加了系統(tǒng)的復雜性降低了可靠性，另一方面增加了系統(tǒng)成本和維護的復雜性。 因此本方案建議采用基于IEC61850的 系統(tǒng)方案。I

25、EC61850是關于變電站自動化系統(tǒng)的通訊網絡和系統(tǒng)的國際標準。制定IEC61850主要目的就是使不同制造廠商的產品具有互操作性，使它們可以方便 地集成到一個系統(tǒng)中去，能夠在各種自動化系統(tǒng)內部準確、 快速地交換數據，實 現無縫集成和互操作。由于聯合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)采用IEC61850協議，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)到聯合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)各種實時信息。儲能電站控制系統(tǒng)采用模塊化、功能集成的設計思想，分為系統(tǒng)層和設備層 兩層結構，全站監(jiān)控雙網采用 100M 光纖以太網作為通信網絡，采用星型網絡 結構。? 系統(tǒng)層配置：系統(tǒng)層主要實現實時數

26、據采集、與聯合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能。實時數據采集通過子系統(tǒng)的智能組件從功率調節(jié)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、配電系統(tǒng)獲取數據，這些數據包括電池容量、線路狀態(tài)、電流、有功功率、無功功率、功率系數和平均值。與聯合發(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光纖，將儲能電站的實時數據、故障信息 等上傳到聯合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)；同時接受聯合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控 制命令。?設備層配置設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)保護測控裝置等。電池管理系統(tǒng)（BMS ）及其智能組件：電池管理系統(tǒng)（BMS ）對整個儲能系統(tǒng)的安全運行、儲能系統(tǒng)控制策略 的選擇、充電模式的選擇以及運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)的實時監(jiān)控和 故障診斷。并通過智能組件將相關信息轉化為 IEC61850協議通過光以太網 上送到監(jiān)控系統(tǒng)，以便采用更加合理的控制策略，達到有效且高效使用電池 的