10 kV電化學儲能電站設計與實現

練志斌,劉文平,羅海鑫,侯 偉,曾 威

(南方電網廣東中山供電局,廣東 中山 528401)

0 引 言

隨著儲能技術的發展,儲能電站廣泛用于新能源發電側儲能、網側儲能、工商業儲能、通信基站等領域[1-2]。新型電力系統對調峰調頻、靈活輸出、無功支撐等功能提出更高要求,隨著新能源裝機容量不斷增加,導致傳統電源調峰調頻能力不足,對新能源的消納與電網安全穩定運行造成影響,儲能電站在調峰調頻方面的性能和應用效果逐步被驗證[3]。電化學儲能成本低、可靠性高,正逐漸成為發展主力。

歐洲自2019年開始實施清潔能源計劃(clean energy programme, CEP),積極推動儲能項目建設,裝機容量不斷增加;美國得益于政策的大力支持,近2年大型儲能項目快速增加;中國在“十四五”雙碳戰略提出后,儲能項目得到國家大力扶持,儲能裝機量迎來高速發展期[4-5]。據中電聯發布的數據,2021年中國儲能裝機容量高達42.66 GW,其中電化學儲能裝機容量為2.18 GW,增速達85%。

當前,國內針對電化學儲能電站開展了相應研究,文獻[6]建立一種改進人工蜂群算法的儲能能量管理模型,提高了系統運行效率;文獻[7]建立三電平儲能變流器(power conversion system, PCS)模型,采用PI控制算法控制PCS的輸出功率,從而增強電網調節能力;文獻[8]建立基于復合相變材料與空氣冷卻的儲能電池熱管理模型,并對空氣冷卻與相變材料冷卻進行了仿真分析;文獻[9]提出電化學儲能電站火災的預警和控制技術,降低了火災發生的概率;文獻[10]分析了目前電化學儲能電站存在的風險,通過建立安全應急平臺,監測儲能電站運行狀況。以上文獻注重理論分析,缺乏實際應用,未有效解決現有電化學儲能電站存在的適應性、安全性、穩定性等問題。如何提升供電能力、提高供電質量、增強系統穩定性是一個迫切需要解決的問題。

該文提出并研制了一種10 kV電化學儲能電站,應用一體化能量管理平臺技術、儲能雙向變流器技術、風冷式熱管理技術、電池自動滅火技術,具有供電可靠、系統穩定性強、智能化水平高等特點。

1 儲能電站設計方案

1.1 工程概況

方案按照《電化學儲能電站設計標準》要求進行設計建設,儲能電站的主接線采用單母線單分段兩段母線接線方式,一次接線如圖1所示。這種電氣主接線具有接線簡單、操作簡便、投資少、運行費用低等優點,設計規模如表1所示。

圖1 儲能電站一次主接線圖

表1 儲能電站建設規模Table 1 Energy storage power station construction scale

站內設備艙室一、二次設備先在工廠內安裝,然后將預制艙單元通過汽車運輸至作業現場進行精準拼接。該站主要設備包括5個1 MW·h/3 MW·h儲能變室預制艙、3個儲能變預制艙、1個10 kV高壓室預制艙、1個主控室預制艙、1個站變室預制艙、1個備品備件及安全工具艙,儲能電站分布如圖2所示。儲能電池艙主要由磷酸鐵鋰儲能電池、電池管理系統(battery management system, BMS)、儲能變流器、消防系統、空調系統等構成,1 MW·h/3 MW·h儲能裝置艙經箱變升壓至10 kV后接入一次設備艙,一次設備艙完成升壓后電能的匯集和向電網的輸送,二次設備艙包括繼電保護及安全自動裝置、調度自動化設備、通信設備,儲能電站分布圖如圖2所示。

圖2 儲能電站分布圖

1.2 儲能電站主要模塊設計

1.2.1 主控室預制艙

主控室預制艙包括艙體、屏柜、電纜通道、主控臺、監控計算機。艙體內外墻由多塊水平布置的橫板拼接而成,之間填充阻燃、隔熱、保溫、耐高低溫材料;屏柜包括兩列屏柜平行間隔設置于艙體內,其中有1個蓄電池屏柜,作為儲能電站直流系統的備用電源;電纜通道包括多個收集電纜的電纜盒;主控臺設置于艙體內,監控計算機放置于主控臺上方。圖3所示為主控室外觀圖。

圖3 主控室外觀圖

1.2.2 儲能變室預制艙

儲能變室預制艙包括艙體、儲能變壓器、變低負荷開關柜、通風系統、消防系統。儲能變壓器由變壓器本體、散熱器、減振器組成,艙體內安裝座上的兩側設置有交錯的通風口,散熱器通過溫度傳感器檢測艙體內的溫度值控制風機的功率,變壓器本體設置于安裝座底部的減振器上。通過交錯設置的通風口,可以避免兩側的風機對吹,配合溫度感應器,可以根據艙體內的溫度改變風機的功率,實現為艙體內的儲能變壓器本體降溫;通過減振器可以降低運行過程中本體的振動。消防系統包括消防控制主機、噴淋器與火災探測器,當煙霧濃度值超過設定濃度值時,控制器控制噴淋器啟動。圖4所示為儲能變室外觀圖。

圖4 儲能變室外觀圖

1.2.3 儲能電池室預制艙

儲能電池室預制艙包括艙體、儲能及轉換系統、通風系統、消防系統。儲能及轉換系統艙包含5個電池儲能分系統,每個儲能分系統包含蓄電池分系統、蓄電池管理系統、能量轉換系統,其中蓄電池分系統包括16個蓄電池簇,1個蓄電池簇包括15個電池模塊,1個電池模塊里面包含多個單節蓄電池。每個電池模塊自帶風機散熱,通過其自身攜帶的電池簇管理單元將電池數據發送給儲能電站主控系統,儲能電站主控系統匯總所有電池簇管理單元的數據與微電網能源管理系統和儲能變流器協調控制優化調整其整個儲能站的系統出力。并實時顯示異常數據,如溫度過高、單節電池欠壓過壓、負荷電流過大、電池艙消防動作、通信異常等異常信號。通過與電池艙消防系統協同聯動,在電池艙出現火災問題時出口動作跳開儲能站高壓側出線,有效保護儲能設備的安全。圖5所示為儲能電池室外觀圖。

圖5 儲能電池室外觀圖

1.2.4 站變室預制艙

站變室預制艙包括艙體、站用變壓器、交流柜和通風系統。2個交流柜放置在2個站變之間,交流柜作為雙電源切換監控,艙體兩邊分別設有艙門,便于運維人員對設備進行檢修維護和檢查。通風系統包括控制器、溫濕度傳感器、百葉窗和風機,當溫濕度傳感器檢測到室內溫濕度大于設定的風機啟動定值時,控制器控制風機啟動通風;當溫濕度傳感器檢測到室內溫濕度小于風機設定的風機停機定值時,控制器控制風機停機,同時關閉活動百葉,保障設備安全穩定運行。圖6所示為站變室外觀圖。

圖6 站變室外觀圖

2 儲能電站關鍵技術

2.1 一體化能量管理平臺技術

能量管理平臺可以實現對儲能站各個設備運行參數的監視與控制,監視數據包括電壓、電流、AGC指令等。

該平臺具有遠方AGC/AVC控制功能,EMS通過控制單臺PCS進行啟停機,充放電。在EMS分別合上直流斷路器和交流接觸器之后,EMS對單臺PCS進行遙調功率,會在PCS監控圖上的儀表盤和下方功率遙調位置顯示出來,如圖7所示。

圖7 PCS監控圖

當投入AGC控制模式后,遠方調度依據系統要求,給儲能站發送AGC有功指令。在響應遠方AGC指令的同時,實時計算AGC的上下限值,進而計算響應具體的出力,保證系統的安全運行。

該平臺具有一次調頻功能,通過檢測儲能站進線的電壓頻率設計儲能站一次調頻控制回路,補償量的計算在EMS控制器中實現。判斷測點頻率和額定頻率的差值是否大于死區,據此來選擇調頻模式,分別為調頻休眠、一段式、二段式。調頻休眠功率值為0,但反向禁止功能依然生效。一段式和二段式分別通過其相對應的模型生成功率值,進行調頻。一次調頻功能在具有一次調頻投入允許的情況下,下發一次調頻投入的功能后才夠進行。監控界面如圖8所示。

圖8 一次調頻監控圖

該平臺還有與遠動信號交互的功能,包括將數據上傳到遠動機,供調度讀取監測,也可以接收調度的遙調信號,對于功率進行遙調。遠方調度可將計劃功率曲線下發到本地接收裝置,接收裝置根據時間將功率值下發至控制器并發出有功指令。

2.2 儲能雙向變流器技術

儲能變流器是電網與儲能電池之間的重要設備之一,能實現負荷較低時將電能整流后存儲在儲能電池中,負荷較高時將存儲的電能逆變后向電網輸出[11]。儲能雙向變流器技術通過充放電一體化的設計,使交直流系統的電能雙向流動,實現精準充放電控制、切換并網與離網運行方式、按指令削峰填谷、電能質量控制、暫態故障錄波等功能。

當檢測到儲能電池虧電時,首先采用恒流充電方式充電。此時,為實現對蓄電池的恒流充電,采用電流雙閉環控制方式,將外環控制器采樣蓄電池的充電電流與給定充電電流指令值做比較。經外環PI調節后作為內環有功電流大小的給定。隨著恒流充電的進行,電池的反電勢和端電壓不斷升高。當電池的端電壓達到設定的最大容許電壓時,充電過程進入下一階段。

恒壓及浮充工作模式下,外環控制器采用定電壓控制方式。蓄電池的采集電壓值與給定電壓值比較,經PI調節后輸出作為內環電流環的給定值,內環經PI調節后輸出6路PWM信號驅動IGBT,實現蓄電池的恒壓充電。當電池恒壓充電的電流逐漸減小至浮充電流時,電池達到充滿電狀態。恒壓運行一定時間后,裝置自動轉入浮充階段。PCS控制原理如圖9所示。

圖9 PCS控制原理圖

2.3 風冷式熱管理技術

儲能系統熱管理技術主要有風冷、液冷和相變冷卻3種技術,其中風冷與液冷是目前較為成熟的技術[12-13],風冷式熱管理技術在目前儲能系統中占主流地位。3種熱管理技術對比如表2所示。

表2 熱管理技術對比Table 2 Comparison of thermal management techniques

風冷式熱管理技術不僅結構簡單、安全可靠,并且易于實現。儲能電站風冷系統由艙體、儲能電池系統、空調和風道等組成。在電池艙外安裝2個大功率一體式空調,通過一體式空調自帶的冷卻內通道與艙內熱量進行空氣熱交換,從而達到將電池艙內的熱量帶出艙外的效果。一體式空調省去空調內掛機的安裝費用,也便于維護和返廠檢修。一般電池艙一體式空調規格為950 mm×450 mm×300 mm左右,只需要一兩個檢修人員簡單卸除螺絲固定螺栓就可以將整個設備拆除,不需要敷設復雜的熱傳導銅管,節省大量銅管費用。且一體式空調貼近艙壁安裝,制冷空氣可以很好地擴散至旁邊的蓄電池附近,有效降低冷源擴散,提高蓄電池的降溫效率。如果后期需要增加空調,只需在電池艙艙壁的備用窗口卸除蓋板后直接掛上去密封好即可,方便日后的制冷系統擴建。儲能電站風冷系統如圖10所示。

圖10 儲能電站風冷系統

2.4 電池室自動滅火技術

電池室自動滅火技術通過采用高靈敏度傳感器,實時監測各電池箱內因電池故障而引起的溫度和煙霧濃度變化、特征氣體等早期特征,并綜合判斷燃燒階段,根據火災情勢劃分3種不同的告警級別,對應不同的啟動策略,同時配置降溫型全氟己酮火災抑制劑,具有“先斷電、后滅火”的效果,防止電池艙著火失控或火情波及相鄰間隔正在運行中的電池艙,實現早期感知、智能判斷、火情抑制、阻隔熱擴散條件,最大限度地保護儲能系統安全。

3 應用實例

所述方案應用于中山供電局某儲能電站,儲能電站外觀如圖11所示,右上方為110 kV某變電站,下方為10 kV某儲能電站。變電站附近區域建設儲能電站更加方便能源的轉換與儲存,也便于后期運行人員維護管理。

圖11 儲能電站外觀圖

該儲能電站于2022年3月投運,運行人員通過一年來的日常巡視維護工作,未見艙體滲水痕跡,隔熱、保溫性能良好,通風設備運行正常。儲能站按平均每天充放電2次、放電深度90%、充電效率93.8%、全年消納天數350天計算,中山地區大工業峰段電價為1.07元/(kW·h),平段電價為0.64元/(kW·h),谷段電價為0.26元/(kW·h)。經計算,該儲能電站一年收入為507.5萬元,成本按70萬元計算,利潤為437.5萬元。

4 結 語

作為中山供電局首個儲能項目,該儲能電站削峰填谷調節裝置工程,能夠減小變電站負荷峰谷差,提高站內設備利用率,減少電網大規模轉送電的壓力;同時,該儲能電站具有防風防腐、保溫防水、通風防塵、節能環保等優點,大大提升了運維效率,具有很好的應用、示范效益。