储能电站在大型商业综合体中的应用

杨 玺， 汪 海， 刘 锋

(1. 北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100020； 2. 万达商业规划研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

随着我国经济的高速增长，大型商业综合体的负荷峰谷差逐渐增大，配电线路也日趋复杂，传统的调节手段已难以完全满足大型商业综合体的电力系统调控的需要，而储能电站技术作为一种全新的调节手段，已经成为支持大型商业综合体电力系统运营管理的最优选择之一。 一方面储能电站具有能量时序调节作用，具有削峰填谷重要特性，在一定程度上实现电力供需的分离，改变传统大型商业综合体开业即用电高峰的瞬时性特点；另一方面，储能电站具有灵活性、精准性和可靠性等特点，对大型商业综合体延缓供配电基础设施升级投资、提升电能质量、保证电网安全运行等方面起着不可估量的作用。

1 项目背景

本文以北京昌平区某大型商业综合体为例，该项目建筑面积约16 万m2，设置A1、A2 和B 共3 座变电所，分别内设2 台1 600kVA 变压器。 因临近八达岭长城景区，计划将本项目升级为美食网红一条街。

改造前本项目存在如下问题:餐饮少、娱乐少、体验业态少、无影院、无超市、客流量低，整体商业运营状况失去活力。 现状变压器容量为9 600kVA，就近的上级开闭站无富裕容量，如增容需由较远处上级电源供给。

本次改造需求:商业业态调整，增加餐饮、娱乐体验业态、影院及超市等，且地下车库要预留一定数量的电动汽车充电桩；经负荷计算，新增负荷容量较原负荷容量增加1 800kW。

2 供电方案分析

2.1 负荷分析

因上级电源容量无富裕，如何解决用电负荷缺口是十分关键的问题。 经过对负荷的分析，本项目新增用电量较大的负荷比如餐饮、娱乐体验、超市等均为周期性很强的负荷，用电高峰集中在白天，尤其餐饮负荷，一般用电时段集中在11:00-14:00，17:00-19:00。

2.2 方案分析

笔者所在团队考虑采用储能设施进行削峰增益，也符合国家提出的“碳中和、碳达峰”策略的要求，但是大型储能电站在地产行业尚未有应用，尤其是大型公建改造项目(本项目应属首例)，对于其设备安全隐患、供电潮流计算、配电柜母线改造以及储能电站运行策略等都需要详细的方案论证。

因本项目属于人员密集场所，兼顾安全性考虑，方案确定为在室外设置4 组500kW 集装箱式锂电池储能电站(共计2 000kW，满足本项目负荷缺口)。

3 储能电站安全性措施

3.1 问题分析

储能系统电气部分由汇流柜、变流器、变压器等电气设备组成，实现电池本体与外部电源的电量交换。 一般来说，电气设备本身的制造工艺和技术成熟度很高，电气保护技术也比较成熟，正常运行过程出现故障的可能性不大。 但储能电站空间紧密，因拓扑设计不合理、选型不匹配、外部故障等引发的电气设备发热、放电等不正常运行状态，极有可能传导至电池本体，间接造成电站事故。 消防设施设计合理、配置到位、系统完好，储能发生火灾后造成的损失就会得到降低，其发生火灾的概率和造成的后果也就越小。

3.2 站址选择

本项目储能系统直接面向商业应用场景，坐落在人员或设备密集区。 相比于变压器等电气设备，储能系统发生起火爆炸的概率大，且由于储能本体特殊的化学性能特性，火灾事故容易扩展，储能电池作为一种能量存储装置在受外部环境刺激或内部制造缺陷的影响下会发生热失控现象，在密闭空间中一旦某一电池储能单元发生火灾，可能引起相邻多个单元的联锁火灾甚至爆炸，其对安全性有更高要求，因此在土建设计阶段应予以充分考虑。

基于火灾危险性考虑，本项目将储能电站设置于室外绿地，距建筑外墙20m，同时可以避免对原有土建结构大拆大改、节约施工周期和项目成本，储能电站总图位置见图1，平面详图见图2。

图1 储能电站总平面示意图

图2 储能电站平面详图

3.3 储能电站安全措施

3.3.1 电池分舱布置

每舱电池容量200kWh，舱室之间填充耐火2 h材料，电池舱采用外开门设计，实现舱室间物理隔离，可保证在某一舱内出现火情，不会蔓延到其他舱室，当电池发生热失控后，将火灾影响降低至最低范围，分仓布置情况见图3。

图3 电池分仓布置

3.3.2 浸没式水冷却系统

将火灾控制在萌芽状态，杜绝电池复燃。 在电池出现故障引起内部温度升高，锂电池SEI 膜钝化层分解前到热失控的几分钟时间内，“浸没式”水冷却系统向故障电池舱内注水冷却。

3.3.3 可燃气体探测及气体灭火系统

针对国内外出现的储能系统爆炸事故，设置灵敏的可燃气体监测设备，通过消防联动通风系统避免可燃气体聚集，开发了全新的消防系统联动逻辑，可将爆炸风险降为最低。 通风直排室外，设置灵敏的可燃气体监测设备，将可燃气体爆炸风险降为最低。 同时配备“探火管式”气体消防系统作为后备保护。

4 储能电站供配电设计

4.1 电气一次主接线

本次改造项目采用储能电站系统容量为2 MW/8 MWh，以500kW/2 MWh 为1 个储能单元，每个500kW/2 MWh 储能单元由1 台双向储能变流器PCS 带隔离变装置和1 套500kW/2 MWh 的储能子系统组成，共4 个储能单元。 储能电站以交流380V 接入低压配电系统，接入点为B 座变电所两台变压器TD1 和变压器TD2 低压侧，一次接线图见图4。

图4 一次接线示意图

4.2 变电所原有空间布置

在B 座变电所新增2 个380V 并网柜。 基于原变电所排布，同时考虑检修、逃生、用电安全等因素，采用母线桥方式将原有低压柜与新增并网柜可靠连接，母线桥需配置合理数量的支吊架。 在实际施工过程中，应注意母线桥开孔与原有低压柜相匹配，并网柜平面布置图见图5。

图5 并网柜平面布置图

4.3 原有低压母排分析

本次设计分别在B 座变电所两台变压器的380V母线末端各接入两组500kW 储能单元，两台变压器容量均为1 600kVA。 在正常营业期间，每段380V 母线需承受1 600kVA 变压器和1 000kW 储能并列运行。

针对该负荷情况，利用ETAP 软件对单段母线进行建模仿真，以4 个500kVA 负荷和1 个600kVA负荷为例，在380V 母线两端分别加一台1 600kVA变压器(参数同实际变压器)和一台1 000kVA 变压器(模拟2 组500kW 储能电源)，由ETAP 的潮流计算功能得到潮流结果(图6)。

图6 潮流计算示意图

从潮流结果可看出，各段母线通过的电流分别为1 510A、1 510A、755A、755A、1 510A、2 415A、 2 415A，均没有超过原低压母排额定载流量3 200A。故变压器和储能电站正常运行时，母线电流不会超过原低压母排额定载流量3 200A，可不做更换，节材节能。

5 储能电站运营策略制定

储能电站常见充放电模式包括:两充两放(谷充峰放、平充峰放)、一充一放(谷充峰放)和一充两放(谷充、峰放、平放)。 项目背景中已交代本项目改造后存在巨大用电缺口问题，在运营期间(电价对应平、峰)储能电站不能实现充电模式，故两充两放在本项目中并不适用。 另考虑新增用电负荷特性为用电高峰集中，一充一放比一充两放更加贴合负荷特性。 综上分析，本项目充放电模式最终选择为一充一放。 针对本项目商业运营的特点，制定如下运营策略。

5.1 开业、节假日客流高峰期

(1)随时监测变压器负载率，当负载率到85%时，投运一组500kW 储能电池放电。 另一组500kW储能电池，勿轻易投切。

(2)当监测到变压器负载率85%，一组500kW储能电池满载时，再次投切第二组。

(3)节假日客流高峰的前一天晚上，在晚上12点到第二天(节假日)上午8 点之前，务必确保2 000kW 储能电池充满(一般充满需6～8 h)，典型运营图见图7。

图7 一充一放(谷充峰放)典型运营图

5.2 平时客流低谷期

兼顾到储能电站安全性及使用寿命，采取平时白天投入50%储能电站且需要分时段投入的方式，比如在中午或下午用电量大的时段投入。 经过实际运营，满足使用要求。

6 经济效益分析

储能电站在峰谷电价差很大的区域(如本项目所在地北京市昌平区)设置，投资回报率高，且设置储能电站后，供电系统更加可靠。

本项目在电价低谷期(闭店期)将所有储能电池充电完毕，于电价高峰期将储能电池放电完毕，本项目储能电站具体配置参数见表1。

表1 储能电站配置参数

本项目总投资额:1.8 元/Wh×2 000kW×1 000×4 h ＝1 440 万元。

本项目电价效益:2 000kW×365×4 h×(1.226 8-0.240 7)元/kWh ＝288 万元/a。

投资回收期:1 440 万元/288 万元/a ＝5 年。

根据以上计算，约五年就可以收回成本，储能电站新型锂电池更换周期一般为十年，另外五年则为净收益。

7 应用前景

(1)通过总结分析峰谷电价差大于0.8 元/kWh，谷电价、峰电价连续时段持续时间不低于3 h，具有更好的经济性。

(2)储能叠加光伏，将光伏发电量(上网电价0.3～0.5 元/kWh)不上网，存入储能电池在用户电价高峰时(高峰电价0.8～1.0 元/kWh) 储能放电，提升整个系统经济性。

(3)电力现货交易市场放开后，电力商品属性更加突显，高峰电价将更高，低谷电价更低，用户峰谷电价差进一步拉大，通过储能调节峰谷购电负荷，可为用户节省更多电费。

8 结束语

本项目是目前地产行业首批应用大型储能电池作为供电扩容的成功实践案例，本设计在整体配电方案、设备安全性、潮流计算分析、配电柜母线改造分析以及储能电站运行策略等方面积累了很多值得学习和推广的经验。 随着城市更新的进展，越来越多的既改项目提上日程，本项目在设计及应用过程中提升了地产改造行业创新能力，既降低了投入成本又节能环保，减少碳排放。

储能电站是供电系统微扩容的一个新方法。特别是改造项目，当外电源扩容困难的情况下，这也是一个新思路。