大规模储能电站模块化建设方案研究

宋倩芸

（1 福州大学电气工程与自动化学院 福建福州 350116 2 国家电网福建电力技术经济研究院 福建福州 350001）

0 引言

随着智能电网、可再生能源、电动汽车、微电网的快速发展，电化学储能［1-2］技术作为其中的关键环节近年来已经成为研究热点。 特别是其中的锂电池技术，由于其重量轻、体积小、无污染和温度适应范围广，并且能量密度和综合循环效率高，发展速度更加迅猛， 同时锂电池储能站的建设也从小容量小规模试点发展成为大容量、规模化的集成应用。

传统储能电站在设计、设备制造、安装、调试、运行、管理上都按照电气一次、二次等专业进行划分，不仅建设工程量巨大，而且工程安全质量难以保证，制约了储能站的建设效率。随着设备工艺的提升， 推动了储能站设计模块化方案的可行性。 模块化［3-5］建设是指依据功能紧密性、布局紧凑性、运输方便性及外形接口标准化的原则， 对储能电站设备进行模块化划分，合理化布置，标准化接口，系列化规模，从而提升设备的整合度和工厂预制化程度， 推动模块化组合设备的量化生产与规模效应，减轻现场湿作业施工工作量，全面提升储能电站的经济性和建设效率。

本研究对大规模储能电站模块化建设方案［6-9］展开研究，特别是针对大规模储能电站预制舱式模块化建设方案， 对储能电站进行规模化配置，分析了模块化子系统配置方案，提出了储能电池舱、换流舱、变压器舱的不同组合方式，缩短了储能电站的建设周期，提高了运行可靠性，提高了储能电站建设的周期性。

1 储能站建设方式

根据主要设备的布置方式及占地需求， 储能站的模块化建设方式主要可分为全户外、半户外和全户内3 种模式。 全户外储能电站是指储能系统部分的所有设备均采用预制舱的型式，对设备进行模块化划分，并规划布置于不同标准尺寸的方舱内，制定标准化对外接口，所有模块化设备事先在工厂内完成预制安装，分别整体运输至项目场地吊装就位，并完成对外接线。 这种建设模式适用于工期要求特别紧急，中小型规模，场地充裕的储能电站。 半户外是指将储能电池以舱式设备型式布置，其余设备布置于配电装置楼内，这种方式与全户内相比，减少了储能楼，全站只需建设1 栋配电装置楼即可。 由于储能电站的电池安装占据主要施工工作量， 如果储能电池可以在工厂内以预制舱的型式提前安装接线， 并整体运输至项目场地，可以大幅减少现场施工工作量，电池全部布置于地面一层，电池空间密度低，安全性得以提升，这种方式适用于工期要求紧，用地相对宽松的储能电站。 全户内即含储能设备及升压站设备全部布置于建筑物内的建设方式， 一般设置配电装置楼和储能楼， 升压站设备及主要运维室布置于配电装置楼内，储能电池及变流器相关的一二次设备布置于储能楼内。这种方式可以显著节省占地，并且与方舱式储能电站不同，储能电池便于集中布置，不受舱体大小限制，适合规模较大、用地受限的储能电站。 本研究主要对全户外储能电站模块化建设方案展开研究。

2 模块化划分方案

集装箱储能系统具有可移动、灵活性强、可扩充、可拆卸等功能，可以实现储能系统的大容量盖度集成，当前获得广泛的应用，具有一定的实用价值。依据ISO 标准，行业中最通用的尺寸规格，选择20 尺、30 尺、40 尺3 种规格的标准集装箱。 Ⅰ-20 尺集装箱：6 058 mm×2 438 mm×2 896 mm，Ⅱ-30 尺集装箱：9 125 mm×2 438 mm×2 896 mm， Ⅲ-40 尺集装箱：12 190 mm×2 438 mm×2 896 mm。

大规模储能站模块化设计主要针对几种预制舱式储能组合设备的模块化设计，储能舱主要可以分为储能变压器舱、换流器舱、 电池舱单独舱体以及它们相互组合形成的变压器换流舱、换流储能电池舱、变压器换流储能电池舱组合舱体。

变压器舱功能： 其中变压器起着升高电压或降低电压的作用，分别对应着电池储能系统的放电或充电过程。

换流器舱功能：其中换流器即储能变流器，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

储能电池舱功能： 通过储能的方式实现用电负荷的削峰填谷，即在用电负荷低谷时段对电池充电，在用电负荷高峰时段将存储的电量释放。

储能站的模块化建设模式主要有以下几种预制舱式储能组合设备模块，见表1。

2.1 储能子系统组合模式类型

鉴于大规模储能站，以电网侧储能为主，具备调峰调频能力，所以暂时按0.5C 倍率考虑储能电池，组建子系统方案。 储能站的模块化建设模式主要有以下6 种预制舱式储能子系统组合模式。

（1）分舱子系统组合模式。 分舱子系统组合模式含变压器舱、换流舱、储能电池舱3 种舱体。

（2）双舱子系统组合模式。 ①双舱子系统组合模式（一）含变压器换流舱、储能电池舱2 种舱体。 ②双舱子系统组合模式（二）含变压器舱、换流储能电池舱2 种舱体。

（3）单舱子系统组合模式。 单舱子系统组合模式含变压器换流储能电池舱1 种舱体。

2.2 储能子系统组合模式

储能站可分为全户外储能站、半户外储能站、全户内储能站3 种类型。

（1）全户外储能站可采取子系统组合模式如下：

①分舱子系统组合模式：变压器舱+换流舱+储能电池舱。

此分舱子系统组合模式为变压器舱、换流舱、储能电池舱三种独立舱体组合在一起。

②双舱子系统组合模式 （一）： 变压器换流舱+储能电池舱。

此双舱子系统组合模式（一）为变压器换流舱、储能电池舱两种独立舱体组合在一起。

③双舱子系统组合模式 （二）： 变压器舱+换流储能电池舱。

此双舱子系统组合模式（二）为变压器舱、换流储能电池舱两种独立舱体组合在一起。

④单舱子系统模式：变压器换流储能舱。

此单舱子系统模式为变压器换流储能舱一种独立舱体。

（2）半户外储能站采取子系统组合模式如下：

①变压器户内布置，换流器、储能电池户外布置方式：换流舱+储能电池舱；

此模式为变压器户内布置， 换流器和储能电池两种舱体户外布置。

②变压器、换流器户内布置，储能电池户外布置方式：储能电池舱。

（3）全户内储能站，设备均布置于户内，不带户外舱体。

3 全户外站模块化建设方案

同容量等级储能站以单位容量占地最小、舱数最少、主设备最少为原则。 其中控制成本最重要的2 个评价指标是单位面积（m2）的容量和单位容量（MWh）的舱体个数，其次就是单位容量（MWh）的电缆根数。 本研究以容量密度、单位容量舱体个数、单位容量电缆根数为主要技术指标，对不同子系统模块组合方案进行对比分析。

3.1 子系统模块分舱组合方式

子系统模块分舱组合方式见表2。子系统方案1 与子系统方案2 的对比： 这2 种方案变压器舱均配置2 台大容量变压器共5 000 kVA， 储能电池舱均配置4 个， 容量总共10 000 kWh；换流舱方案1 配置8 台每台630 kW 换流器，方案2 配置12 台每台500 kW 换流器。这2 个方案参数基本相同，但方案1 的每平方米容量密度为21.6 kWh/m2，优于方案2。

子系统方案3 与子系统方案1、2 的对比： 方案1、2 是1个变压器舱配1 个换流舱和4 个储能电池舱， 方案3 是2 个相同规模的变压器舱配1 个大功率的换流舱和8 个储能电池舱， 容量密度为22.0 kWh/m2， 舱数0.55 个/MWh 均优于方案1、2；方案1、2 舱体总数均为6 个作为一个子系统，系统相对比较小，易于灵活运用，适合储能站的扩建，方案3 舱体总数为11 个作为一个子系统，系统相对比较大，相对配套设备较多，易受场地限制；并机数量方案1、3 优于方案2，方案2 为6台并机，多于正常并机数5 台，易造成系统不稳定，所以不予推荐。

表1 几种预制舱式储能组合设备模块

表2 子系统模块分舱组合方式

分舱组合方式特点：界面清晰，布置灵活，但接线较多。

（1）分舱组合方式子系统方案1：并机数量合适，PCS 容量浪费少，场地布置较灵活，占地略大。

（2）分舱组合方式子系统方案2：并机台数6 台，造成系统不稳定，占地大，每MWh 电缆根数最多，不推荐。

（3）分舱组合方式子系统方案3：并机台数适合，但配套设备多，PCS 容量浪费多。

从以上内容看， 子系统方案1 的每平方容量密度为18.1 kWh/m2，每MWh 舱数1 个，比起子系统方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 舱数值高，每MWh 电缆根数多，所以不推荐选用子系统方案1。

子系统方案2、 子系统方案3 每平方米容量密度值、每MWh 舱数值和每MWh 电缆根数值相对方案1 较好。

子系统方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 舱数值好，方案6 每MWh 电缆根数值较优，但方案5、6 总舱数相对较多。

3.2 子系统模块双舱组合方式

3.2.1 子系统模块分舱组合方式（一）具体见表3。

子系统方案1 容量密度为18.1 kWh/m2， 舱数1 个/MWh，比起子系统方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 舱数值高，每MWh 电缆根数多，所以不推荐选用子系统方案1。

子系统方案2、 子系统方案3 每平方米容量密度值、每MWh 舱数值和每MWh 电缆根数值相对方案1 较好。

子系统方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 舱数值好，方案6 每MWh 电缆根数值较优，但方案5、6 总舱数相对较多。

双舱组合方式（一）特点：升压换流舱与储能电池舱的组合方式界面清晰，便于实施。

（1）双舱组合方式子系统方案1：并机数量合适，但每平方米容量密度值、每MWh 舱数值和每MWh 电缆根数值不佳，不予推荐。

（2）双舱组合方式子系统方案2、3：并机数量合适，每平方米容量密度值和每MWh 舱数值一般。

（3）双舱组合方式子系统方案4、5：方案4 每平方米容量密度值较优，每MWh 舱数值最少，并机数量合理，布局相对灵活，场地受限情况下优先考虑。 方案5 次于方案4。

表3 子系统模块分舱组合方式一

表4 子系统模块分舱组合方式二

表5 子系统模块单舱组合方式

（4）双舱组合方式子系统方案6：每平方米容量密度值最优，每MWh 舱数值较少，每MWh 电缆根数值较优，规模较大的储能站推荐用此方案。

3.2.2 子系统模块分舱组合方式（二）

双舱组合方式（二）特点：升压舱与换流储能电池舱的组合方式界面不清晰，预制舱结构较复杂。

从以上表格中看出子系统方案9、10 的每平方米容量密度值、每MWh 舱数值、每MWh 舱数值和每MWh 电缆根数值优于子系统方案7、8， 方案7 每平方米容量密度值最低，每MWh 舱数值最高，每MWh 电缆根数值最高，而方案10 的每平方米容量密度值、 每MWh 舱数值和每MWh 电缆根数值最优。

3.3 子系统模块单舱组合方式

单舱组合方式特点：系统独立，并机数量少，附属设备冗余，每平方米容量密度值和每MWh 舱数值不佳，适合小型规模储能站。

4 总结

本研究提出了大规模储能电站模块化建设方案， 提出了储能电池舱、换流舱、变压器舱的不同组合方式。 针对全户外储能电站模块化建设方案， 提出了全户外储能电站的子系统模块分舱、双舱、单舱组合方式的特点及应用范围。 根据容量密度、 单位容量舱体个数等指标对不同子系统模块化方案进行对比分析，具有一定的工程应用价值。