移動式電池儲能系統的設計

宋 凱

上海電氣電力電子有限公司 上海 201906

1 設計背景

在風電場建設過程中,由于風機并網手續及電網接入等因素的影響,往往在風機安裝工作完成后,需要等待很長的一段時間才能進行并網調試。如果這段時間拖得過長,風機調試工作將長期處于停滯狀態,造成時間和管理成本上的嚴重浪費。因此,通過使用更優的電源方案,將極大地縮短整個風電場建設項目的建設工期,使風機盡快實現發電并網,有效提升風電場整體的發電效率。

風機的調試分為靜態調試和動態調試兩種。靜態調試指風機處于不發電狀態,風機的調試電源由外部設備提供。動態調試指風機處于并網發電狀態,此時風機向外部發送電能。

若要同時滿足風機靜態調試和動態調試時能量的雙向流動,移動式電池儲能系統成為一種具有可行性的方案。

2 控制系統

移動式電池儲能系統可用于風電場未上電的情況下對單個風機進行本地和遠程的黑啟動并網調試,同時內部還配置直流充電樁,可以作為移動充電寶給風電場新能源電動汽車進行應急充電。移動式電池儲能系統由磷酸鐵鋰電池組、儲能變流器、電池管理系統、消防系統、熱管理系統、輔助控制系統和標準儲能集裝箱組成。

移動式電池儲能系統在風電場的調試可分為本地模式和遠程模式,在本地模式下可以分為電池充電模式、靜態調試模式、動態調試模式、電動汽車充電模式。在遠程模式下移動式電池儲能系統輸出交流690 V電源,通過風電場升壓變壓器進行升壓,再由電網輸送給遠方風機或電網。

(1) 電池充電模式。電網400 V電源接至移動式電池儲能系統的充電接口,系統控制模式選擇電池充電模式,儲能變流器在并網模式下零壓斜坡啟動,此時電網對儲能電池進行充電,當儲能電池荷電狀態達到設定值,即儲能電池荷電狀態不低于90%時,系統自動停止工作。

(2) 靜態調試模式。系統控制模式選擇靜態調試模式,待測風機槳葉處于鎖定狀態下,設置儲能變流器的輸出功率,使儲能變流器輸出功率滿足風機調試的需求功率,儲能變流器在離網模式下零壓斜坡啟動,輸出交流400 V電源。

(3) 動態調試模式。系統控制模式選擇動態調試模式,風機處于發電并網狀態下,設置儲能變流器的輸入功率大于風機變流器輸出功率,儲能變流器在離網模式下零壓斜坡啟動,風機雙饋異步發電機產生的電能通過儲能電池進行吸收。

(4) 電動汽車充電模式。系統控制模式選擇電動汽車充電模式,儲能變流器在離網模式下零壓斜坡啟動,系統輸出交流400 V電源給30 kW壁掛式直流充電樁,再通過轉換輸出200～750 V直流電源給風電場電動汽車應急充電。

(5) 遠程調試模式。風電場建設結束后,在辦理并網手續期間,通過移動式電池儲能系統進行遠程供電,給風電場不同區域的風機進行遠程供電調試,可以極大地節省整個項目的調試時間。系統控制模式選擇遠程調試模式,儲能變流器在離網模式下零壓斜坡啟動,系統輸出交流690 V電源給風電場升壓變壓器,再通過電網輸送給遠方待調試的風機。

3 通信網絡

本地控制器作為移動式電池儲能系統的控制大腦,主要用于采集儲能電池、儲能變流器、消防系統、熱管理系統和各單元的實時信息,將各單元設備信息匯總后上傳給本地監控平臺和云平臺。本地監控平臺的作用是負責各儲能子系統的啟停邏輯管理、系統保護邏輯處理和儲能功率分配等工作。云平臺的作用如下:風電場調試人員在風機塔筒內工作時,可以通過手機應用程序實時監測移動式電池儲能系統的運行狀態和電池荷電狀態。系統網絡通信架構如圖1所示。

圖1 系統網絡通信架構

4 熱管理系統

移動式電池儲能系統中只有磷酸鐵鋰電池有相對嚴苛的工作環境要求即工作溫度范圍為25 ℃±5 K,電池室是一個獨立封閉的空間,從成本上考慮,可以僅在電池室配置制冷制熱系統。

電池室內溫控系統設計的優劣直接決定磷酸鐵鋰電池組的工作性能和效率,也影響電池循環壽命和電池的安全運行。因此,設備合理選型對儲能系統的安全、穩定、可靠運行是一個決定性的因素。

(1) 制冷功率計算。制冷功率Pc計算主要考慮電池的功耗發熱功率PR和外部靜滲入熱量P1兩個因素。

電池的功耗發熱功率PR可以通過電池的總容量E,額定工作電流倍率C,以及電池整體充放電循環效率μ來進行估算,計算式為:

PR=CE(1-μ)

(1)

儲能集裝箱放置在戶外時,由于外部環境溫度的影響,會對電池室內部產生外部靜滲入熱量P1,熱量值與儲能集裝箱表面的有效傳熱系數K和表面面積有關,計算式為:

P1=(KtSt+KcSc+KbSb)Δt

(2)

式中:St為儲能集裝箱頂部的面積;Sc為儲能集裝箱四個側墻的總面積;Sb為儲能集裝箱底部的面積;Kt為儲能集裝箱頂部的有效傳熱系數;Kc為儲能集裝箱側面的有效傳熱系數;Kb為儲能集裝箱底部的有效傳熱系數; Δt為集裝箱外、內部溫度差。

由式(1)和式(2),可以得出制冷功率Pc為:

Pc=KP1+PR

(3)

式中:K為修正因數,一般取值范圍為1.2～1.5。

(2) 制熱功率計算。移動式電池儲能系統在冬季開機時,需要對電池室進行空間加熱,所需的制熱量Qh取決于靜態溫度t1、加熱時間T0、啟動溫度t0,以及彌補在加熱期間內箱體的靜滲出熱量功率P2,計算式為:

(4)

式中:Ci為第i個部件的比熱容;Mi為第i個部件的質量;n為部件數量。

因此,可以得出制熱功率Ph為:

(5)

5 溫度控制策略

移動式電池儲能系統溫度控制策略分為制熱模式和制冷模式,制熱模式實現對電池低溫下的控制和保護,制冷模式實現對電池溫升的有效控制,溫度控制邏輯如圖2所示。

圖2 溫度控制邏輯

6 消防系統

電池室內的磷酸鐵鋰電池的工作相對密閉,散熱條件有限,磷酸鐵鋰電池在充放電過程中容易造成熱量的積聚,特別是在極端工況條件下,如過充、短路、過溫等,熱量積累易導致電池溫度急劇升高并發生熱失控,從而引發磷酸鐵鋰電池火災爆炸事故。因此,除了做好儲能集裝箱的散熱、制冷設計外,還需合理地設計儲能集裝箱消防系統,提高儲能集裝箱運行的安全性。根據電池室的內部結構及火災隱患,電池室內的設計,筆者采用的是柜式七氟丙烷氣體滅火系統,它是一種無色、無味、不導電、無二次污染的氣體,具有清潔、低電絕緣性滅火效率高的特點。消防系統如圖3所示。

圖3 消防系統

控制室和變壓器室有完善的過熱保護、短路保護等,起火屬于非常極限的工況,而且艙室內設有煙霧傳感器,一旦檢測到告警信號,系統會關機停運。因此,控制室和變壓器室可以采用二氧化碳滅火器備用滅火。

7 儲能集裝箱

我國風電場多數處于偏遠地區,氣候和環境條件惡劣。特別是北方風電場多為高原地區,相當一部分風電場海拔高度高于1 800 m,冬季最低溫度低于-30 ℃。另外在進入風電場前的道路大多數為崎嶇不平的泥路或山路,因此儲能集裝箱的強度和保溫設計直接影響到移動式電池儲能系統安全、高效的使用。

7.1 箱體強度和防腐設計

儲能集裝箱作為整個移動式儲能系統的載體,運輸過程中會受到不可抗力的影響,運輸路況的不可控和人為因素的破壞,要求儲能集裝箱必須要有足夠堅韌的結構和強度。

儲能集裝箱可以選用鋼制集裝箱,特點是強度較高、結構牢固、具有良好的焊接性和水密性。在結構方面,儲能集裝箱框架和底部大梁采用厚度不小于2.5 mm的耐候鋼板,箱體及頂部采用厚度不小于1.5 mm的波紋鋼板。在防腐方面,儲能集裝箱按照25 a壽命設計,采用高耐候防腐技術處理。

7.2 箱體保溫設計

移動式儲能系統的保溫主要取決于儲能集裝箱的設計,集裝箱的保溫性能越好,外部環境對集裝箱內部的溫度影響也就越小。通過研究,影響儲能集裝箱保溫效果的主要有兩個方面,一個是隔熱,另一個是密封。隔熱方面,盡可能采用熱導系數小的高效保溫材料,并采用雙層保溫材料的方案來提高整體的保溫效果,即儲能集裝箱艙體六面內壁上先噴上厚度為50 mm,導熱系數為0.025 W/(m·K)的復合A級防火聚氨酯,然后再覆蓋一塊厚度為50 mm,導熱系數為0.044 W/(m·K)的A級防火保溫巖棉板,兩種材質的組合可以有效提高艙體保溫性能。密封方面,主要通過箱門采用三元乙丙橡膠密封條和百葉窗配過濾棉來提高防護等級,一般防護等級不能低于IP54。

儲能集裝箱保溫層設計如圖4所示。

圖4 儲能集裝箱保溫層設計

7.3 整體布局

移動式電池儲能系統采用標準儲能集裝箱,集裝箱內部布局分為三個艙室:電池室、控制室和變壓器室。控制室和電池室之間通過安全門進行隔離,控制室與變壓器室之間通過隔斷防火墻進行隔離。

電池室內放置磷酸鐵鋰電池簇、熱管理系統和柜式七氟丙烷滅火裝置,控制室內放置配電控制柜、儲能變流器和消防主機,變壓器室內放置變壓器、充電樁和電纜接口系統。

儲能集裝箱內部布局如圖5所示。

圖5 儲能集裝箱內部布局

8 技術優勢

(1) 與傳統的柴油發電機相比,移動式電池儲能系統具有毫秒級響應、供電零閃動、離網黑啟動、效率高等特點,從而保障調試電源的穩定可靠性。

(2) 移動式電池儲能系統具有能量雙向流動的特性,在風機的動態調試過程中可以同時對儲能電池進行充電,整個調試過程可以完全做到零消耗、零排放。

(3) 移動式電池儲能系統具有獨特的控制算法和合理的輸電系統參數,能夠避免雙饋風力發電機在弱電網環境下與移動式電池儲能系統產生次同步諧振。

9 結束語

移動式電池儲能系統因具有較好的儲電輸電性能,較高的可靠性和安全性,以及較為突出的靈活性和移動性,已經成為儲能系統中一個重要分支,其應用已覆蓋到電力搶修、道路救援、重要會議的保電、電力增容、不停電作業等領域。隨著市場化應用的持續擴展和技術的進步,移動式電池儲能系統未來勢必會成為能源互聯網中一個重要的技術產業。