大規模儲能電站模塊化建設方案研究

宋倩蕓

（1 福州大學電氣工程與自動化學院 福建福州 350116 2 國家電網福建電力技術經濟研究院 福建福州 350001）

0 引言

隨著智能電網、可再生能源、電動汽車、微電網的快速發展，電化學儲能［1-2］技術作為其中的關鍵環節近年來已經成為研究熱點。 特別是其中的鋰電池技術，由于其重量輕、體積小、無污染和溫度適應范圍廣，并且能量密度和綜合循環效率高，發展速度更加迅猛， 同時鋰電池儲能站的建設也從小容量小規模試點發展成為大容量、規?；募蓱?。

傳統儲能電站在設計、設備制造、安裝、調試、運行、管理上都按照電氣一次、二次等專業進行劃分，不僅建設工程量巨大，而且工程安全質量難以保證，制約了儲能站的建設效率。隨著設備工藝的提升， 推動了儲能站設計模塊化方案的可行性。 模塊化［3-5］建設是指依據功能緊密性、布局緊湊性、運輸方便性及外形接口標準化的原則， 對儲能電站設備進行模塊化劃分，合理化布置，標準化接口，系列化規模，從而提升設備的整合度和工廠預制化程度， 推動模塊化組合設備的量化生產與規模效應，減輕現場濕作業施工工作量，全面提升儲能電站的經濟性和建設效率。

本研究對大規模儲能電站模塊化建設方案［6-9］展開研究，特別是針對大規模儲能電站預制艙式模塊化建設方案， 對儲能電站進行規?；渲?，分析了模塊化子系統配置方案，提出了儲能電池艙、換流艙、變壓器艙的不同組合方式，縮短了儲能電站的建設周期，提高了運行可靠性，提高了儲能電站建設的周期性。

1 儲能站建設方式

根據主要設備的布置方式及占地需求， 儲能站的模塊化建設方式主要可分為全戶外、半戶外和全戶內3 種模式。 全戶外儲能電站是指儲能系統部分的所有設備均采用預制艙的型式，對設備進行模塊化劃分，并規劃布置于不同標準尺寸的方艙內，制定標準化對外接口，所有模塊化設備事先在工廠內完成預制安裝，分別整體運輸至項目場地吊裝就位，并完成對外接線。 這種建設模式適用于工期要求特別緊急，中小型規模，場地充裕的儲能電站。 半戶外是指將儲能電池以艙式設備型式布置，其余設備布置于配電裝置樓內，這種方式與全戶內相比，減少了儲能樓，全站只需建設1 棟配電裝置樓即可。 由于儲能電站的電池安裝占據主要施工工作量， 如果儲能電池可以在工廠內以預制艙的型式提前安裝接線， 并整體運輸至項目場地，可以大幅減少現場施工工作量，電池全部布置于地面一層，電池空間密度低，安全性得以提升，這種方式適用于工期要求緊，用地相對寬松的儲能電站。 全戶內即含儲能設備及升壓站設備全部布置于建筑物內的建設方式， 一般設置配電裝置樓和儲能樓， 升壓站設備及主要運維室布置于配電裝置樓內，儲能電池及變流器相關的一二次設備布置于儲能樓內。這種方式可以顯著節省占地，并且與方艙式儲能電站不同，儲能電池便于集中布置，不受艙體大小限制，適合規模較大、用地受限的儲能電站。 本研究主要對全戶外儲能電站模塊化建設方案展開研究。

2 模塊化劃分方案

集裝箱儲能系統具有可移動、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，可以實現儲能系統的大容量蓋度集成，當前獲得廣泛的應用，具有一定的實用價值。依據ISO 標準，行業中最通用的尺寸規格，選擇20 尺、30 尺、40 尺3 種規格的標準集裝箱。 Ⅰ-20 尺集裝箱：6 058 mm×2 438 mm×2 896 mm，Ⅱ-30 尺集裝箱：9 125 mm×2 438 mm×2 896 mm， Ⅲ-40 尺集裝箱：12 190 mm×2 438 mm×2 896 mm。

大規模儲能站模塊化設計主要針對幾種預制艙式儲能組合設備的模塊化設計，儲能艙主要可以分為儲能變壓器艙、換流器艙、 電池艙單獨艙體以及它們相互組合形成的變壓器換流艙、換流儲能電池艙、變壓器換流儲能電池艙組合艙體。

變壓器艙功能： 其中變壓器起著升高電壓或降低電壓的作用，分別對應著電池儲能系統的放電或充電過程。

換流器艙功能：其中換流器即儲能變流器，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網情況下可以直接為交流負荷供電。

儲能電池艙功能： 通過儲能的方式實現用電負荷的削峰填谷，即在用電負荷低谷時段對電池充電，在用電負荷高峰時段將存儲的電量釋放。

儲能站的模塊化建設模式主要有以下幾種預制艙式儲能組合設備模塊，見表1。

2.1 儲能子系統組合模式類型

鑒于大規模儲能站，以電網側儲能為主，具備調峰調頻能力，所以暫時按0.5C 倍率考慮儲能電池，組建子系統方案。 儲能站的模塊化建設模式主要有以下6 種預制艙式儲能子系統組合模式。

（1）分艙子系統組合模式。 分艙子系統組合模式含變壓器艙、換流艙、儲能電池艙3 種艙體。

（2）雙艙子系統組合模式。 ①雙艙子系統組合模式（一）含變壓器換流艙、儲能電池艙2 種艙體。 ②雙艙子系統組合模式（二）含變壓器艙、換流儲能電池艙2 種艙體。

（3）單艙子系統組合模式。 單艙子系統組合模式含變壓器換流儲能電池艙1 種艙體。

2.2 儲能子系統組合模式

儲能站可分為全戶外儲能站、半戶外儲能站、全戶內儲能站3 種類型。

（1）全戶外儲能站可采取子系統組合模式如下：

①分艙子系統組合模式：變壓器艙+換流艙+儲能電池艙。

此分艙子系統組合模式為變壓器艙、換流艙、儲能電池艙三種獨立艙體組合在一起。

②雙艙子系統組合模式 （一）： 變壓器換流艙+儲能電池艙。

此雙艙子系統組合模式（一）為變壓器換流艙、儲能電池艙兩種獨立艙體組合在一起。

③雙艙子系統組合模式 （二）： 變壓器艙+換流儲能電池艙。

此雙艙子系統組合模式（二）為變壓器艙、換流儲能電池艙兩種獨立艙體組合在一起。

④單艙子系統模式：變壓器換流儲能艙。

此單艙子系統模式為變壓器換流儲能艙一種獨立艙體。

（2）半戶外儲能站采取子系統組合模式如下：

①變壓器戶內布置，換流器、儲能電池戶外布置方式：換流艙+儲能電池艙；

此模式為變壓器戶內布置， 換流器和儲能電池兩種艙體戶外布置。

②變壓器、換流器戶內布置，儲能電池戶外布置方式：儲能電池艙。

（3）全戶內儲能站，設備均布置于戶內，不帶戶外艙體。

3 全戶外站模塊化建設方案

同容量等級儲能站以單位容量占地最小、艙數最少、主設備最少為原則。 其中控制成本最重要的2 個評價指標是單位面積（m2）的容量和單位容量（MWh）的艙體個數，其次就是單位容量（MWh）的電纜根數。 本研究以容量密度、單位容量艙體個數、單位容量電纜根數為主要技術指標，對不同子系統模塊組合方案進行對比分析。

3.1 子系統模塊分艙組合方式

子系統模塊分艙組合方式見表2。子系統方案1 與子系統方案2 的對比： 這2 種方案變壓器艙均配置2 臺大容量變壓器共5 000 kVA， 儲能電池艙均配置4 個， 容量總共10 000 kWh；換流艙方案1 配置8 臺每臺630 kW 換流器，方案2 配置12 臺每臺500 kW 換流器。這2 個方案參數基本相同，但方案1 的每平方米容量密度為21.6 kWh/m2，優于方案2。

子系統方案3 與子系統方案1、2 的對比： 方案1、2 是1個變壓器艙配1 個換流艙和4 個儲能電池艙， 方案3 是2 個相同規模的變壓器艙配1 個大功率的換流艙和8 個儲能電池艙， 容量密度為22.0 kWh/m2， 艙數0.55 個/MWh 均優于方案1、2；方案1、2 艙體總數均為6 個作為一個子系統，系統相對比較小，易于靈活運用，適合儲能站的擴建，方案3 艙體總數為11 個作為一個子系統，系統相對比較大，相對配套設備較多，易受場地限制；并機數量方案1、3 優于方案2，方案2 為6臺并機，多于正常并機數5 臺，易造成系統不穩定，所以不予推薦。

表1 幾種預制艙式儲能組合設備模塊

表2 子系統模塊分艙組合方式

分艙組合方式特點：界面清晰，布置靈活，但接線較多。

（1）分艙組合方式子系統方案1：并機數量合適，PCS 容量浪費少，場地布置較靈活，占地略大。

（2）分艙組合方式子系統方案2：并機臺數6 臺，造成系統不穩定，占地大，每MWh 電纜根數最多，不推薦。

（3）分艙組合方式子系統方案3：并機臺數適合，但配套設備多，PCS 容量浪費多。

從以上內容看， 子系統方案1 的每平方容量密度為18.1 kWh/m2，每MWh 艙數1 個，比起子系統方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 艙數值高，每MWh 電纜根數多，所以不推薦選用子系統方案1。

子系統方案2、 子系統方案3 每平方米容量密度值、每MWh 艙數值和每MWh 電纜根數值相對方案1 較好。

子系統方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 艙數值好，方案6 每MWh 電纜根數值較優，但方案5、6 總艙數相對較多。

3.2 子系統模塊雙艙組合方式

3.2.1 子系統模塊分艙組合方式（一）具體見表3。

子系統方案1 容量密度為18.1 kWh/m2， 艙數1 個/MWh，比起子系統方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 艙數值高，每MWh 電纜根數多，所以不推薦選用子系統方案1。

子系統方案2、 子系統方案3 每平方米容量密度值、每MWh 艙數值和每MWh 電纜根數值相對方案1 較好。

子系統方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 艙數值好，方案6 每MWh 電纜根數值較優，但方案5、6 總艙數相對較多。

雙艙組合方式（一）特點：升壓換流艙與儲能電池艙的組合方式界面清晰，便于實施。

（1）雙艙組合方式子系統方案1：并機數量合適，但每平方米容量密度值、每MWh 艙數值和每MWh 電纜根數值不佳，不予推薦。

（2）雙艙組合方式子系統方案2、3：并機數量合適，每平方米容量密度值和每MWh 艙數值一般。

（3）雙艙組合方式子系統方案4、5：方案4 每平方米容量密度值較優，每MWh 艙數值最少，并機數量合理，布局相對靈活，場地受限情況下優先考慮。 方案5 次于方案4。

表3 子系統模塊分艙組合方式一

表4 子系統模塊分艙組合方式二

表5 子系統模塊單艙組合方式

（4）雙艙組合方式子系統方案6：每平方米容量密度值最優，每MWh 艙數值較少，每MWh 電纜根數值較優，規模較大的儲能站推薦用此方案。

3.2.2 子系統模塊分艙組合方式（二）

雙艙組合方式（二）特點：升壓艙與換流儲能電池艙的組合方式界面不清晰，預制艙結構較復雜。

從以上表格中看出子系統方案9、10 的每平方米容量密度值、每MWh 艙數值、每MWh 艙數值和每MWh 電纜根數值優于子系統方案7、8， 方案7 每平方米容量密度值最低，每MWh 艙數值最高，每MWh 電纜根數值最高，而方案10 的每平方米容量密度值、 每MWh 艙數值和每MWh 電纜根數值最優。

3.3 子系統模塊單艙組合方式

單艙組合方式特點：系統獨立，并機數量少，附屬設備冗余，每平方米容量密度值和每MWh 艙數值不佳，適合小型規模儲能站。

4 總結

本研究提出了大規模儲能電站模塊化建設方案， 提出了儲能電池艙、換流艙、變壓器艙的不同組合方式。 針對全戶外儲能電站模塊化建設方案， 提出了全戶外儲能電站的子系統模塊分艙、雙艙、單艙組合方式的特點及應用范圍。 根據容量密度、 單位容量艙體個數等指標對不同子系統模塊化方案進行對比分析，具有一定的工程應用價值。