10 kV电化学储能电站设计与实现

练志斌,刘文平,罗海鑫,侯 伟,曾 威

(南方电网广东中山供电局,广东 中山 528401)

0 引 言

随着储能技术的发展,储能电站广泛用于新能源发电侧储能、网侧储能、工商业储能、通信基站等领域[1-2]。新型电力系统对调峰调频、灵活输出、无功支撑等功能提出更高要求,随着新能源装机容量不断增加,导致传统电源调峰调频能力不足,对新能源的消纳与电网安全稳定运行造成影响,储能电站在调峰调频方面的性能和应用效果逐步被验证[3]。电化学储能成本低、可靠性高,正逐渐成为发展主力。

欧洲自2019年开始实施清洁能源计划(clean energy programme, CEP),积极推动储能项目建设,装机容量不断增加;美国得益于政策的大力支持,近2年大型储能项目快速增加;中国在“十四五”双碳战略提出后,储能项目得到国家大力扶持,储能装机量迎来高速发展期[4-5]。据中电联发布的数据,2021年中国储能装机容量高达42.66 GW,其中电化学储能装机容量为2.18 GW,增速达85%。

当前,国内针对电化学储能电站开展了相应研究,文献[6]建立一种改进人工蜂群算法的储能能量管理模型,提高了系统运行效率;文献[7]建立三电平储能变流器(power conversion system, PCS)模型,采用PI控制算法控制PCS的输出功率,从而增强电网调节能力;文献[8]建立基于复合相变材料与空气冷却的储能电池热管理模型,并对空气冷却与相变材料冷却进行了仿真分析;文献[9]提出电化学储能电站火灾的预警和控制技术,降低了火灾发生的概率;文献[10]分析了目前电化学储能电站存在的风险,通过建立安全应急平台,监测储能电站运行状况。以上文献注重理论分析,缺乏实际应用,未有效解决现有电化学储能电站存在的适应性、安全性、稳定性等问题。如何提升供电能力、提高供电质量、增强系统稳定性是一个迫切需要解决的问题。

该文提出并研制了一种10 kV电化学储能电站,应用一体化能量管理平台技术、储能双向变流器技术、风冷式热管理技术、电池自动灭火技术,具有供电可靠、系统稳定性强、智能化水平高等特点。

1 储能电站设计方案

1.1 工程概况

方案按照《电化学储能电站设计标准》要求进行设计建设,储能电站的主接线采用单母线单分段两段母线接线方式,一次接线如图1所示。这种电气主接线具有接线简单、操作简便、投资少、运行费用低等优点,设计规模如表1所示。

图1 储能电站一次主接线图

表1 储能电站建设规模Table 1 Energy storage power station construction scale

站内设备舱室一、二次设备先在工厂内安装,然后将预制舱单元通过汽车运输至作业现场进行精准拼接。该站主要设备包括5个1 MW·h/3 MW·h储能变室预制舱、3个储能变预制舱、1个10 kV高压室预制舱、1个主控室预制舱、1个站变室预制舱、1个备品备件及安全工具舱,储能电站分布如图2所示。储能电池舱主要由磷酸铁锂储能电池、电池管理系统(battery management system, BMS)、储能变流器、消防系统、空调系统等构成,1 MW·h/3 MW·h储能装置舱经箱变升压至10 kV后接入一次设备舱,一次设备舱完成升压后电能的汇集和向电网的输送,二次设备舱包括继电保护及安全自动装置、调度自动化设备、通信设备,储能电站分布图如图2所示。

图2 储能电站分布图

1.2 储能电站主要模块设计

1.2.1 主控室预制舱

主控室预制舱包括舱体、屏柜、电缆通道、主控台、监控计算机。舱体内外墙由多块水平布置的横板拼接而成,之间填充阻燃、隔热、保温、耐高低温材料;屏柜包括两列屏柜平行间隔设置于舱体内,其中有1个蓄电池屏柜,作为储能电站直流系统的备用电源;电缆通道包括多个收集电缆的电缆盒;主控台设置于舱体内,监控计算机放置于主控台上方。图3所示为主控室外观图。

图3 主控室外观图

1.2.2 储能变室预制舱

储能变室预制舱包括舱体、储能变压器、变低负荷开关柜、通风系统、消防系统。储能变压器由变压器本体、散热器、减振器组成,舱体内安装座上的两侧设置有交错的通风口,散热器通过温度传感器检测舱体内的温度值控制风机的功率,变压器本体设置于安装座底部的减振器上。通过交错设置的通风口,可以避免两侧的风机对吹,配合温度感应器,可以根据舱体内的温度改变风机的功率,实现为舱体内的储能变压器本体降温;通过减振器可以降低运行过程中本体的振动。消防系统包括消防控制主机、喷淋器与火灾探测器,当烟雾浓度值超过设定浓度值时,控制器控制喷淋器启动。图4所示为储能变室外观图。

图4 储能变室外观图

1.2.3 储能电池室预制舱

储能电池室预制舱包括舱体、储能及转换系统、通风系统、消防系统。储能及转换系统舱包含5个电池储能分系统,每个储能分系统包含蓄电池分系统、蓄电池管理系统、能量转换系统,其中蓄电池分系统包括16个蓄电池簇,1个蓄电池簇包括15个电池模块,1个电池模块里面包含多个单节蓄电池。每个电池模块自带风机散热,通过其自身携带的电池簇管理单元将电池数据发送给储能电站主控系统,储能电站主控系统汇总所有电池簇管理单元的数据与微电网能源管理系统和储能变流器协调控制优化调整其整个储能站的系统出力。并实时显示异常数据,如温度过高、单节电池欠压过压、负荷电流过大、电池舱消防动作、通信异常等异常信号。通过与电池舱消防系统协同联动,在电池舱出现火灾问题时出口动作跳开储能站高压侧出线,有效保护储能设备的安全。图5所示为储能电池室外观图。

图5 储能电池室外观图

1.2.4 站变室预制舱

站变室预制舱包括舱体、站用变压器、交流柜和通风系统。2个交流柜放置在2个站变之间,交流柜作为双电源切换监控,舱体两边分别设有舱门,便于运维人员对设备进行检修维护和检查。通风系统包括控制器、温湿度传感器、百叶窗和风机,当温湿度传感器检测到室内温湿度大于设定的风机启动定值时,控制器控制风机启动通风;当温湿度传感器检测到室内温湿度小于风机设定的风机停机定值时,控制器控制风机停机,同时关闭活动百叶,保障设备安全稳定运行。图6所示为站变室外观图。

图6 站变室外观图

2 储能电站关键技术

2.1 一体化能量管理平台技术

能量管理平台可以实现对储能站各个设备运行参数的监视与控制,监视数据包括电压、电流、AGC指令等。

该平台具有远方AGC/AVC控制功能,EMS通过控制单台PCS进行启停机,充放电。在EMS分别合上直流断路器和交流接触器之后,EMS对单台PCS进行遥调功率,会在PCS监控图上的仪表盘和下方功率遥调位置显示出来,如图7所示。

图7 PCS监控图

当投入AGC控制模式后,远方调度依据系统要求,给储能站发送AGC有功指令。在响应远方AGC指令的同时,实时计算AGC的上下限值,进而计算响应具体的出力,保证系统的安全运行。

该平台具有一次调频功能,通过检测储能站进线的电压频率设计储能站一次调频控制回路,补偿量的计算在EMS控制器中实现。判断测点频率和额定频率的差值是否大于死区,据此来选择调频模式,分别为调频休眠、一段式、二段式。调频休眠功率值为0,但反向禁止功能依然生效。一段式和二段式分别通过其相对应的模型生成功率值,进行调频。一次调频功能在具有一次调频投入允许的情况下,下发一次调频投入的功能后才够进行。监控界面如图8所示。

图8 一次调频监控图

该平台还有与远动信号交互的功能,包括将数据上传到远动机,供调度读取监测,也可以接收调度的遥调信号,对于功率进行遥调。远方调度可将计划功率曲线下发到本地接收装置,接收装置根据时间将功率值下发至控制器并发出有功指令。

2.2 储能双向变流器技术

储能变流器是电网与储能电池之间的重要设备之一,能实现负荷较低时将电能整流后存储在储能电池中,负荷较高时将存储的电能逆变后向电网输出[11]。储能双向变流器技术通过充放电一体化的设计,使交直流系统的电能双向流动,实现精准充放电控制、切换并网与离网运行方式、按指令削峰填谷、电能质量控制、暂态故障录波等功能。

当检测到储能电池亏电时,首先采用恒流充电方式充电。此时,为实现对蓄电池的恒流充电,采用电流双闭环控制方式,将外环控制器采样蓄电池的充电电流与给定充电电流指令值做比较。经外环PI调节后作为内环有功电流大小的给定。随着恒流充电的进行,电池的反电势和端电压不断升高。当电池的端电压达到设定的最大容许电压时,充电过程进入下一阶段。

恒压及浮充工作模式下,外环控制器采用定电压控制方式。蓄电池的采集电压值与给定电压值比较,经PI调节后输出作为内环电流环的给定值,内环经PI调节后输出6路PWM信号驱动IGBT,实现蓄电池的恒压充电。当电池恒压充电的电流逐渐减小至浮充电流时,电池达到充满电状态。恒压运行一定时间后,装置自动转入浮充阶段。PCS控制原理如图9所示。

图9 PCS控制原理图

2.3 风冷式热管理技术

储能系统热管理技术主要有风冷、液冷和相变冷却3种技术,其中风冷与液冷是目前较为成熟的技术[12-13],风冷式热管理技术在目前储能系统中占主流地位。3种热管理技术对比如表2所示。

表2 热管理技术对比Table 2 Comparison of thermal management techniques

风冷式热管理技术不仅结构简单、安全可靠,并且易于实现。储能电站风冷系统由舱体、储能电池系统、空调和风道等组成。在电池舱外安装2个大功率一体式空调,通过一体式空调自带的冷却内通道与舱内热量进行空气热交换,从而达到将电池舱内的热量带出舱外的效果。一体式空调省去空调内挂机的安装费用,也便于维护和返厂检修。一般电池舱一体式空调规格为950 mm×450 mm×300 mm左右,只需要一两个检修人员简单卸除螺丝固定螺栓就可以将整个设备拆除,不需要敷设复杂的热传导铜管,节省大量铜管费用。且一体式空调贴近舱壁安装,制冷空气可以很好地扩散至旁边的蓄电池附近,有效降低冷源扩散,提高蓄电池的降温效率。如果后期需要增加空调,只需在电池舱舱壁的备用窗口卸除盖板后直接挂上去密封好即可,方便日后的制冷系统扩建。储能电站风冷系统如图10所示。

图10 储能电站风冷系统

2.4 电池室自动灭火技术

电池室自动灭火技术通过采用高灵敏度传感器,实时监测各电池箱内因电池故障而引起的温度和烟雾浓度变化、特征气体等早期特征,并综合判断燃烧阶段,根据火灾情势划分3种不同的告警级别,对应不同的启动策略,同时配置降温型全氟己酮火灾抑制剂,具有“先断电、后灭火”的效果,防止电池舱着火失控或火情波及相邻间隔正在运行中的电池舱,实现早期感知、智能判断、火情抑制、阻隔热扩散条件,最大限度地保护储能系统安全。

3 应用实例

所述方案应用于中山供电局某储能电站,储能电站外观如图11所示,右上方为110 kV某变电站,下方为10 kV某储能电站。变电站附近区域建设储能电站更加方便能源的转换与储存,也便于后期运行人员维护管理。

图11 储能电站外观图

该储能电站于2022年3月投运,运行人员通过一年来的日常巡视维护工作,未见舱体渗水痕迹,隔热、保温性能良好,通风设备运行正常。储能站按平均每天充放电2次、放电深度90%、充电效率93.8%、全年消纳天数350天计算,中山地区大工业峰段电价为1.07元/(kW·h),平段电价为0.64元/(kW·h),谷段电价为0.26元/(kW·h)。经计算,该储能电站一年收入为507.5万元,成本按70万元计算,利润为437.5万元。

4 结 语

作为中山供电局首个储能项目,该储能电站削峰填谷调节装置工程,能够减小变电站负荷峰谷差,提高站内设备利用率,减少电网大规模转送电的压力;同时,该储能电站具有防风防腐、保温防水、通风防尘、节能环保等优点,大大提升了运维效率,具有很好的应用、示范效益。