兆瓦級鋰電池儲能系統設計及應用

張鵬杰 羅軍 楊文輝 曹增立 李占軍

摘 要：在電網側布置儲能系統，可以有效消納新能源，并在電網調峰、調頻中發揮巨大作用，促進電網發展模式的變革。基于天津某電網側集中式鋰離子電池儲能電站示范工程，開展兆瓦級儲能系統集成技術研究，完成了規模化儲能電站設計。儲能電站可實現精準快速的功率控制，平滑新能源并網波動，為集中式鋰電池儲能電站在電網中的推廣應用提供技術支撐。

關鍵詞：鋰離子電池;儲能系統;儲能電站

Abstract： The arrangement of energy storage system in power grid can effectively absorb new energy， play a great role in power grid peak shave and frequency modulation， and promote the transformation of power grid development mode. Based on the demonstration project of centralized battery energy storage power station in Tianjin， this paper researched the integration technology of megawatt energy storage system and designed the energy storage power station， which could realize accurate and fast power control and smooth the fluctuation of new energy grid connection. This paper can provide technical support for the popularization and application of battery energy storage power station in power grid.

Keywords： lithium ion battery; energy storage system; energy storage power station

我國電網供用電不平衡矛盾突出，導致電網面臨峰谷差進一步加大、間歇式新能源接入突增以及電網調峰調頻不確定性增多等問題。電化學儲能技術貫穿于可再生能源并網、調峰調頻輔助服務、輸配電和用戶側等，可以有效提升電網對可再生能源的消納能力，豐富電網調峰、調頻和調壓等輔助服務手段[1]，使電力系統變得更加“柔性”和“智能”，促進電網發展模式變革，是未來智能電網建設的關鍵之一。

2017年我國五部委聯合出臺首個國家級儲能政策《關于促進我國儲能技術與產業發展的指導意見》，對國內儲能技術發展和應用作出了全面的戰略部署。在國家政策的支持下，我國電化學儲能技術迅速發展，已有多座大規模示范項目建成投運，如河南電網100 MW電網側分布式電池儲能電站示范工程、江蘇鎮江電網側儲能電站工程等[2-3]。據統計，截至2020年底，我國電化學儲能累計裝機規模已達14.2 GW，其中鋰離子電池儲能的累積裝機規模達到13.1 GW，占比92%以上。隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，電化學儲能電站規模將高速擴大。

電池儲能系統的工程應用尚處于初級階段，在儲能系統設計、儲能電站建設、電網接入與運行等方面經驗不足[4]。本文依托某鋰離子電池儲能電站示范工程，進行了兆瓦級集裝箱式儲能系統設計，完成了儲能電站接入方案設計，并分析了儲能電站的運行效果，可以為儲能技術快速發展提供理論與實踐支撐。

1 兆瓦級集裝箱式儲能系統設計

1.1 儲能系統結構設計

集裝箱式儲能系統結構設計如圖1所示。集裝箱采用13 m標準集裝箱，主要包含電池系統、電池管理系統、熱管理系統以及消防系統等。

1.1.1 電池系統。電池是儲能系統能量儲存和釋放的核心設備，也是影響儲能系統性能的關鍵設備。磷酸鐵鋰電池具有安全性好、比能量高、循環壽命長、自放電率低以及環境適應性強等優點，是目前應用最廣泛的儲能電池之一。本文采用容量180 Ah磷酸鐵鋰電池單體（天津產）進行電池系統成組設計。電池系統由電池單體串聯為電池模塊，電池模塊串聯成電池簇，電池簇并聯而成。電池系統共包含8個電池簇，每個電池簇包含20個電池模塊，每個電池模塊包含24只單體電池。電池系統額定容量為2 MW·h，額定功率為2 MW，額定電壓為768 V。磷酸鐵鋰電池單體、電池模塊及電池簇結構，如圖2所示。

1.1.2 電池管理系統。圖3為儲能系統電池管理（Battery Management System，BMS）的3層架構，按照電池模塊單元、電池簇單元和電池系統進行分層管理。電池模塊管理單元（Battery Management Unit，BMU）通過電壓、溫度采集模塊，配合數模轉換電路，實現單體電池電壓、電池模塊電壓以及溫度的采集，同時可針對電池單體間的電量不一致情況進行均衡。電池簇管理單元（Battery Cluster Management System，BCMS）完成電池簇電壓、充放電電流以及電池簇的高壓絕緣電阻檢測，并匯總BMU采集的數據，進行電池簇剩余電量估計、故障診斷、均衡控制以及安全控制等。電池系統管理單元（Battery Association Management System，BAMS）實現對儲能系統的全面控制與保護，并實現與儲能變流器和站內監控系統的通信。

每套儲能系統配置4套電池管理系統，實現艙內電池系統的數據采集、數據處理、均衡管理及保護，并與站內監控系統進行數據交互。每套電池管理系統包含1個電池系統管理單元（BAMS）、2個電池簇管理單元（BCMU）和20個電池模組管理單元（BMU）。

1.1.3 熱管理系統。儲能系統采用風冷散熱方式。熱管理系統主要由空調、風道、風扇以及溫度傳感器等構成。空調送風進入風道，最終送至電池插箱背部。電池插箱前端面板上風扇將熱風抽出，流向空調回風口形成氣流的循環，從而達到電池保溫/散熱的目的。

1.1.4 消防系統。消防滅火系統如圖4所示，包括柜式七氟丙烷滅火裝置、聲光報警器、放氣指示燈、緊急啟停按鈕、溫感、煙感和可燃氣體探測器等。當溫感、煙感以及可燃氣體探測器三者中任兩者觸發報警閾值，系統控制均將切斷非消防配電，通過中間繼電器控制電池管理系統切斷直流電氣回路，促使儲能變流器停機，并將信號反饋到火災報警控制器，火災報警控制器控制聲光報警器發出報警。火災報警控制器將信號傳遞給氣體滅火控制器，由氣體滅火控制器控制七氟丙烷滅火裝置，30 s延時后向電磁驅動裝置發出啟動信號，開啟電磁閥，釋放滅火劑。滅火劑通過噴嘴釋放到保護區，達到滅火的目的。

1.2 儲能系統控制策略設計

儲能系統的控制包括電池控制、儲能變流器控制、火災報警系統控制以及視頻監控系統控制等。本文采用以電池系統管理單元（BAMS）為控制核心的儲能系統集中控制技術，控制系統框圖如圖5所示。通過BAMS實現與電池系統、儲能變流器等的狀態監控、數據采集、歷史數據庫維護查詢等功能，同時具有與站控系統進行信息交互的功能，能實現對空調系統、安防系統等的控制。

2 儲能變流裝置設計

儲能變流器是儲能系統與電網進行能量交換的關鍵設備。儲能變流器采用四象限變流技術，實現能量的雙向流動和有功無功四象限控制，主電路原理如圖6所示。儲能變流器具有輸入輸出功率因數可調、自動軟啟等功能，通過通信接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率和無功功率的調節。儲能變流器控制器通過CAN接口與BAMS通信，獲取電池組狀態信息，可實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

本文采用的儲能變流器額定功率為500 kW，直流側電壓范圍為580～900 V，交流側額定電壓為400 V。儲能變流器結構如圖7所示。外部主要部件包括LED指示燈、LCD觸摸屏、啟停旋鈕以及緊急停機按鈕等。內部元器件主要包括主控單元、功率單元、濾波單元、交流側斷路器、直流側斷路器以及采樣霍爾單元等。

3 儲能電站設計及運行

儲能電站主接線原理如圖8所示。儲能電站規模為10 MW/10 MW·h，由5套2 MW/2 MW·h儲能系統構成，每套儲能系統接入4臺額定功率為500 kW的儲能變流器，儲能變流器交流側接入額定容量為2 200 kVA的雙分裂升壓變低壓側，并通過變壓器升壓后接入10 kV母線。

儲能電站可以實現如下的功能：支撐電網削峰填谷，延緩電源和電網建設，提高能源利用效率和電網整體資產利用率;提高電網需求側響應的能力，緩解電網運行壓力，提高電網運行穩定性;促進新能源消納，改善電能質量，減少棄風棄光。

儲能電站通過站控層網關與調度控制系統連接，接收市調、地調調控指令，實現削峰填谷、自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）、自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）、緊急功率支撐以及緊急電壓支撐等功能。其中：AGC功能由地調下發指令至站內AGC子站實現;AVC功能由地調下發指令至站內AVC子站實現。儲能調度控制系統配置有前置服務器、應用服務器以及數據服務器等設備，負責整個儲能系統的通信管理、數據采集、數據處理及運行管理等功能，對各儲能電站進行協調調度。

儲能電站運行時，根據調度AGC指令進行充放電。當區域負荷過高時，調度控制儲能電站放電，將負荷尖峰削平;當區域負荷降低時，控制儲能電站從電網吸收多余的電量[5]。此外，儲能電站還可以有效平滑儲能電站內光伏和風電功率波動。儲能電站功率控制結果如圖9所示，儲能電站功率控制精度為0.2%，充放電響應時間為216 ms，能夠實現精準快速的功率控制。

4 結語

鋰電池儲能系統在電網側的應用日益廣泛。本文開展2 MW/2 MW·h鋰電池儲能系統集成設計研究，闡述了兆瓦級儲能系統用儲能電池、電池管理系統及儲能變流器等核心設備結構及功能設計，完成了基于集中控制技術的儲能系統控制策略設計。具體的，以儲能系統為單元，完成10 MW/10 MW·h儲能電站設計，儲能電站功率控制精度為0.2%，充放電響應時間為216 ms，可以實現精準快速的功率控制。

參考文獻：

[1]李欣然，黃際元，陳遠揚，等.大規模儲能電源參與電網調頻研究綜述[J].電力系統保護與控制，2016（7）：145-153.

[2]李建林，徐少華，靳文濤.我國電網側典型兆瓦級大型儲能電站概況綜述[J].電器與能效管理技術，2017（13）：1-7.

[3]甘江華，吳道陽，陳世鋒，等.電網側大規模預制艙式電池儲能電站集成技術研究與應用[J].供用電，2018（9）：36-41.

[4]李建林，王上行，袁曉冬，等.江蘇電網側電池儲能電站建設運行的啟示[J].電力系統自動化，2018（21）：1-9.

[5]郎豐饒.鋰電池發展現狀及應用研究[J].統計與管理，2015（8）：92-93.