锂离子电池储能电站设计要点和建设成本分析

赵 泽

（上海电气工程设计有限公司）

0 引言

锂离子电池储能电站近几年开始在国内发展建设，成为解决弃光弃风电量、电网调峰调频、削峰填谷等问题的又一重点方向。锂离子电池储能电站按布置方式主要可分为仓储式布置和集装箱式布置两种方式，其中利用仓储式布置方式的工程应用较少，利用集装箱式布置方式的工程应用较多。本文从技术角度分析了这两种布置方式的设计要点，同时又对其进行了建设成本的分析。

1 仓储式锂离子电池储能电站的设计要点

仓储式锂离子电池储能电站的设计要点主要包括站址选择、设备选型、充放电量计算、消防和暖通等5个方面，本分主要对前4个方面进行分析说明。

1.1 站址选择

锂离子电池储能电站根据应用场景的不同可分为电源侧电站、电网侧电站和用户侧电站，其中电源侧电站主要用以火电联合调频和配套新能源发电两种模式，对于前者储能电站的站址选择一般需靠近电厂的主厂房和高压厂变配电楼，对于后者站址则一般选择在新能源场站的升压变电站旁。

对于电网侧电站，站址的选择会比较考究，一般是在电力系统网架结构的中心附近或者是电力负荷比较集中的区域。对于用户侧电站而言，站址的选择较为灵活，一般是利用空余场地即可。

1.2 设备选型

1.2.1 锂离子电池

目前用于储能电站的锂离子电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种，磷酸铁锂电池的理论容量为170mAh/g，循环性能好，且单体电池在90%充放电深度下循环3000 次后容量保持率为80% 以上［1］，安全性高，可在1C～3C 工况下持续充放电，且充放电稳定。三元锂电池的理论容量为220mAh/g，比磷酸铁锂电池高，但充放电倍率只能在1C～2C，且安全性较低，两者的主要性能对比表如下表1所示。

表1 锂离子电池主要性能对比表

除此之外，在磷酸铁锂电池的晶体结构中，氧元素是以磷氧四面体结构的型式存在［2］，分子结构非常稳定，在1000℃条件下都不会释放出助燃气体氧气，热稳定性高。而在三元锂电池的晶体结构中，层状结构带来了不稳定，当工作温度上升至200℃左右时，内部材料就会分解，并会释放出助燃气体氧气，有可能会出现起火、爆炸等热失控现象，热稳定性低。

2021 年我国新增锂离子电池投运规模为2GW［3］，其中新增磷酸铁锂电池的占比超过95%以上，由此可见磷酸铁锂电池安全性高、循环寿命长的特点非常适合电化学储能电站的建设。

1.2.2 功率变换系统

功率变换系统（PCS）作为储能电池与电网连接的功率接口设备，承担着控制电网与储能电池间能量双向流动的功能。PCS内置的数字控制单元用于检测电网侧和电池直流侧的电压和电流，控制高频功率器件的导通和关断，进而控制PCS交流输出端的电压幅值和相位，从而控制能量在电网与储能系统间的流动。当储能电池充电时，变流器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量存储在储能装置中；放电时变流器工作在逆变器状态，将储能装置释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统。

由上可知，功率变换系统在储能电站中起着承上启下的关键作用，在设计选择时既要与电池直流侧的额定输入电压、电流相匹配，又要与升压变压器的交流电压相对应，同时还要担负起对充放电量的响应时间和强弱控制作用。

1.3 充放电量计算

储能电站与并网点之间的电能交换需经过功率变换系统（PCS）、升压变压器和集电线路三个环节。在充放电过程中，每个充电和放电过程都会有一定的电量损失，同时还要考虑电池系统本身存在的自放电现象。另外，储能电池的充放电量还与电池的充放电深度（DOD）和使用寿命有关，使用的循环次数越多，衰减越多，则充放电量越少。

以西部地区一座32MW/64MWh 的磷酸铁锂电池储能电站为例，电池的充放电深度（DOD）取0.9，年衰减率取2%，单次循环充放电系统效率为0.9，若电站全年运行天数为330 天，平均每天电池循环次数1.4 次，设计寿命为10 年，则第1 年充放电量为23950.08MWh，第2 年充放电量为23471.08MWh，每年衰减率按2% 计，则第10 年充放电量为19639.07MWh，由此可见，在10 年的设计全生命周期内，该储能电站的放电量总计为217945.74MWh。

1.4 消防

根据文献4 的要求，仓储式锂离子电池厂房的设计耐火等级不应低于二级，厂房内防火墙的设计耐火极限不应低于4h，电池室应设计在靠外墙布置，办公室和休息室等公共区域不应设计在锂离子电池厂房内。

仓储式锂离子电池厂房的设计除了要满足文献4的要求外，还需要满足建筑设计防火规范和火力发电厂与变电站设计的防火标准等其它相关规定，例如当锂离子电池厂房当每层建筑面积不大于150m²时，要设置1 个安全出口，且厂房内任一点至最近安全出口的直线距离和电池室四周的隔墙都有相应的设计要求。

除此之外，在设计仓储式锂离子电池厂房时需要考虑室内消火栓并配置喷雾水枪，还需要设计自动灭火系统、防烟设施、排烟设施、火灾自动报警系统、可燃气体报警设备和消防应急照明等设施，涉及电气、建筑、结构、暖通、给排水等诸多专业。

2 集装箱式锂离子电池储能电站的设计要点

集装箱式锂离子电池储能电站的设计要点主要包括站址选择、设备选型、充放电量计算、布置和消防等5 个方面，其中站址选择、设备选型和充放电量计算与仓储式储能电站相似，不再赘述。本文主要从集装箱式储能电站的布置和消防两个方面进行要点分析。

2.1 布置

集装箱式锂离子电池储能电站由于采用集装箱来存储电池，相较于仓储式具有模块化组装、箱体数量多、安装简易、运维方便、占地面积大等特点，在对集装箱进行布置时，应充分考虑道路、箱体间距、区域防火分区、配电区域、内部检修通道和电缆路径规划等因素。

以西部地区一座32MW/64MWh 的磷酸铁锂电池储能电站为例，若以仓储式布置如图1 所示，则占地面积约为4158m2，整体布置较为紧凑，若以集装箱式布置则如图2所示，占地面积约为5170m2，占地面积较仓储式多24.3%。

图1 仓储式布置图

图2 集装箱式布置图

由此可见，集装箱式锂离子电池储能电站适用于土地资源比较充足的地区。

2.2 消防

文献［4］和文献［5］对集装箱式锂离子电池储能电站的消防设计进行了详细的要求，与仓储式相比，主要增加了电池集装箱体之间的消防间距、电池集装箱体与功率变换系统的消防间距、电池集装箱与配电装置区域的消防间距、电池集装箱与道路的消防间距、室外消防栓设计以及电池集装箱容量的防火分区等要求，并明确了集装箱内应设计的消防设施种类以及报警联动方式。

3 锂离子电池储能电站的建设成本分析

锂离子电池储能电站的建设成本主要包括电池成本、电池配套设备成本以及施工成本三部分。其中，电池成本主要包括电池材料成本、人工制造成本、环保成本等组成；配套设备成本主要包括电池能量管理系统（BMS）、功率变换系统（PCS）、能量管理系统（EMS）、接入系统、测控系统和配电系统的采购成本；施工成本主要包括建筑工程费、安装工程费、勘察设计费、监理、调试、生产准备等费用。

现仍以西部地区一座32MW/64MWh 的磷酸铁锂电池储能电站为例，采用仓储式和集装箱式两种方式对其建设成本进行对比分析，结果如表2所示。

表2 仓储式和集装箱式储能电站建设成本对比分析

由表2 可知，若采用仓储式设计，电池成本占储能电站建设总成本的比例约为63.13%左右、配套设备成本占总成本的比例约为6.79%左右、施工成本占总成本的比例约为30.08%左右；若采用集装箱式设计，电池成本占储能电站建设总成本的比例约为70.42%左右、配套设备成本占总成本的比例约为7.56%左右、施工成本占总成本的比例约为22.02%左右。总的建设成本集装箱式较仓储式节省320万元。

4 结束语

锂离子电池储能电站主要分为仓储式和集装箱式两种布置方式，这两种布置方式既有相同的设计要点也有不同的设计要求，其中仓储式储能电站具有占地少、集约化程度高等特点，集装箱式储能电站具有同规模条件下投资相对较少、施工简单等特点。不同地区应根据工程建设的实际情况选择较为合适的布置方式。