第51卷㊀第1期2021年㊀㊀2月电㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLYVol.51,No.1Feb.,2021作者简介:薛志荣(1978-),男,江苏人,江苏省江阴中等专业学校㊁江苏联合职业技术学院江阴中专办学点电气教研室主任,高级讲师,研究方向:电工电子㊂㊀㊀电网侧电池储能电站监控与调度管理系统评‘电池储能电站设计实用技术“薛志荣1,2(1.江苏省江阴中等专业学校,江苏无锡㊀214433;㊀ 2.江苏联合职业技术学院江阴中专办学点,江苏无锡㊀214433)㊀㊀科技进步带动了电化学技术的发展,以电化学技术为主导的电池储能技术日益成熟㊂严亚兵等著的‘电池储能电站设计实用技术“一书,聚焦电化学电池储能电站(BESS)的研究,首先对电池储能技术及应用进行简要介绍,并给出电池储能技术的标准规范和BESS 的设计规范,然后详述BESS 的设计原则和设备配置,接着介绍BESS 接入电网的要求,最后,对BESS 的防雷与消防设计方法进行具体说明㊂1㊀电化学电池储能技术及应用电化学电池储能的规模大,载体比能量高,充放电速度快,还能实现并网,应用范围广泛㊂基于电化学电池储能技术,科研人员设计了BESS㊂BESS 是以电化学电池为主要储能元件的电站,可实现在用户端和电网侧电能的储存㊁转换及释放㊂BESS 由多个系统模块组成,根据功能的不同,可划分为储能单元㊁功率变换系统(PCS)和监控调度系统等㊂储能单元由电池组和电池管理系统(BMS)组成,通常设计成集装箱方式,并配备空调,以保证电池稳定运行;PCS 由变流器及控制系统组成,主要功能是实现电网电能和电池堆能量的相互传输;监控调度系统能够实现故障诊断预警㊁优化调度等功能,确保BESS 安全稳定运行㊂目前,电化学电池储能已经商业化,很多国家建立了以电化学电池储能技术为核心的储能工程,如德国的BEWAG 工程㊁美国的Oahu 工程㊁爱尔兰风电场和日本的Fukuoka 工程,我国也建设了张北风光储输示范工程㊁长沙电化学电池储能示范工程等㊂2㊀电池储能技术标准随着电池储能技术的发展,相关标准与规范也在不断完善㊂在国家标准制定方面,2014年,我国成立了全国电力储能标准化技术委员会(SAC /TC550)㊂SAC /TC550的主要职责是实现电力储能领域的标准化制定和归口,自成立以来,一共制定了12项国家标准,促进了我国电池储能的发展㊂在行业标准制定方面,国家能源局于2011年发布了电池储能的相关标准NB /T 310162011‘电池储能功率控制系统技术条件“㊂目前,共发布了9项电池储能相关的行业标准,涉及BESS 的可靠性评价㊁电网的测试条件和方法㊁电网的运行控制等㊂在企业标准制定方面,国家电网等电力企业共同制定并发布了多项相关标准,如T /CEC 1762018‘大型电化学储能电站电池监控数据管理规范“㊁T /CEC 1752018‘电化学储能系统方舱设计规范“等,涉及锂离子电池安全㊁储能系统监控等方面,规范了电化学电池储能技术的应用㊂在BESS 的设计方面,目前也有很多标准,其中,强制性的国家标准是GB 510482014‘电化学储能电站设计规范“㊂该标准从选址㊁布局设计㊁储能系统设计㊁电气一次与二次设计㊁土建设计㊁消防设计和给排水设计等方面,对储能电站的建设和运行进行了规范,意义重大㊂3㊀BESS 的设计原则及组成BESS 出现的时间并不长,相关技术还不太成熟㊂依据现行标准,BESS 的设计要遵循以下原则:①储能电池㊁PCS㊁BMS㊁监控与调度管理系统㊁电气一次及二次系统和通信系统等必要组成设备及系统,不可或缺;②直流侧电压应小于1kV;③尽量减少电池并联的数量;④PCS 应具备并网充放电功能;⑤应根据实际需求量,确定接入电网的电压等级;⑥电气主接线遵循运行可靠㊁维修方便等原则;⑦电站采用开放式网络结构,由值班人员通过监控系统查看全局㊂储能电池作为BESS 能量存储的载体,占据重要的位置㊂BESS 常用的电池有锂离子电池㊁铅酸电池㊁液流电池和钠硫电池等㊂锂离子电池的能量密度高㊁效率高且寿命长,但成本偏高㊁低温性能差;铅酸电池可实现免维护运行,但使用寿命短㊁比能量低;液流电池的循环寿命长㊁可深度放电,但能效低㊁设备易被腐蚀;钠硫电池的能量密度高㊁成本低廉且循环寿命长,但对运行环境的要求高,且维护较困难,易引发安全事故㊂目前,我国以锂离子电池为载体的储能技术应用较广泛,BESS 大多使用磷酸铁锂正极锂离子电池㊂BMS 的主要功能是监控并收集电池的状态参数信息(电池电压㊁回路电流和系统电阻等),进行分析计算,并根据计算结果启动相应的保护策略,保证储能单元的正常运行㊂此外,BMS 还能实现与其他系统设备(PCS㊁消防系统等)的信电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第51卷息交换,在出现故障时启动整体的联动控制,保证储能电站的可靠并网运行㊂BMS一般由电池单体管理单元(BMU)㊁电池簇管理单元(BCU)和电池堆管理单元(BAU)等3部分构成㊂三者协调工作,以实现对电池系统的健康管理㊂PCS将电池组和电网连接起来,使能量在两者之间转换㊂PCS由干式变压器㊁直流电容㊁断路器㊁交流滤波器㊁绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块和控制系统等构成,并通过脉冲宽度调制(PWM)技术,根据实际运行情况,利用控制算法控制电力电子开关,使电能在电池组与电网之间流动,实现能量的传输㊂目前,大部分BESS的PCS利用三相电压型两电平或三电平PWM整流器,以更方便地实现功率的双向流动,确保输出电流的平稳㊂在实际BESS中,PCS常用的拓扑类型有3种:①一级变换拓扑型,只包含交流电(AC)/直流电(DC),结构简单,可靠性高,应用广泛;②二级变换拓扑型,包含AC/DC和DC/DC,可实现功率的两级变换,特点是适应性强,电池组容量可灵活控制,但两级结构使功率转换效率较低;③H桥连式拓扑型,特点是将多个H桥功率模块串联起来,易于模块的封装,还能实现高电压输出㊂监控与调度管理系统具有故障诊断预警㊁优化调度决策㊁电网调节等功能㊂该系统将BESS与电网调度连接起来,系统将电网调度发出的指令传送到电池的各个储能单元,经过一系列分析计算后,确保BESS的安全平稳运行㊂常用的监控与调度管理系统由数据采集与监视控制(SCADA)工作站㊁操作员工作站㊁前置通信工作站㊁数据网关机㊁五防工作站㊁Web服务器㊁远程工作站㊁保信子站㊁通信管理机和规约转换器等构成,根据实际需要,以双节点或者多节点方式运行㊂在设计监控与调度管理系统时,要遵循以下原则:①系统的设计要按照相关标准执行;②系统的配置和功能要与BESS的规模和需求相适应;③系统采用开放式分布式架构,确保当部分设备出现故障后,系统整体能够正常运行;④系统应保持高冗余性;⑤系统软件采用模块化设计,以方便后续增加其他功能;⑥系统应具有强抗干扰性;⑦系统安全防护功能要到位,确保电力监控和调度网络的安全㊂电气一次系统设计包括电气一次设备的型号选择㊁摆放位置确定㊁线路设计等㊂如在BESS接入时,不仅要考虑电站容量和电网电压的等级,还要考虑电站的功率控制㊁无功补偿装置的配置等;在电气主接线设计时,要考虑电站的电压等级㊁容量线路的规划等;在设备接入时,要注意线路的短路计算以及设备的绝缘配合㊂4㊀BESS接入电网的要求近年来,BESS的规模不断扩大㊁容量不断增加,接入电网时要确保足够的安全性㊂2018年7月,我国发布了GB/T 365472018‘电化学储能系统接入电网技术规定“,对电化学储能系统接入电网时的电压等级㊁电能质量㊁功率控制和测试技术要求等进行了明确规定,为储能变流器的设计提供了参考㊂在储能变流器的并网控制算法设计中,利用锁相环实现变流器与电网的同步,利用电流控制环实现电流控制,利用比例积分调节器实现有功功率控制和无功/电压控制㊂在储能变流器的保护设计中,应设置过/欠压保护㊁过流保护㊁负序电流保护㊁绝缘监测和接地保护等㊂当系统检测到状况异常时,会发出警报声,储能变流器停止工作㊂GB/T365472018对BESS的并网测试项目进行了详细的规定,主要包括功率调节能力㊁过载能力㊁充放电响应㊁调节及转换时间和电能质量等㊂该书以实际BESS(24MW/48MWh,1个总控集装箱,24个电池集装箱,1个10kV小室)为例,进行并网测试实验分析㊂结果表明:该储能电站具备1.1倍频额定功率过载能力,稳态偏差最大值为-5.72%㊂5㊀BESS的防雷与消防设计当发生雷击时,BESS可能会受到影响,出现设备损坏㊁工作异常等情况,甚至会引发火灾㊁爆炸等,因此,防雷设计尤为重要㊂一次设备的防雷包括整站的防雷和各一次设备的防雷㊂为使BESS免遭雷击,可在站顶安装金属接闪针,将雷引入地下,实现整站的保护;BESS中的高压配电设备和电池储能单元,也可能因为雷电的袭击造成损坏,可在这类设备的端口安装避雷器和电涌保护器㊂此外,雷雨天气时,常常伴随雷电感应现象的发生,可能会干扰甚至损坏二次设备,因此,二次设备的防雷也很重要,主要遵循以下原则:①二次回路接地;②二次设备实现等电位连接;③电缆屏蔽层接地;④加增信号电涌保护器㊂在二次系统设计时,还要深入研究线路的整体布置,以减少被雷击的概率㊂BESS以锂离子电池作为载体,在运行过程中,可能会出现过热㊁短路和过度充放电现象,甚至引发火灾,因此,BESS 的消防设计必不可少㊂国内储能电站通常配备介质为七氟丙烷的气体灭火系统㊂这种方式的灭火效果并未得到有效验证㊂近年来,人们提出了多种储能电池消防技术,如基于全封闭消防管路的消防技术㊁基于物理隔离的消防技术等㊂这些技术的出现,有望提高储能电池系统的安全性㊂6㊀结语‘电池储能电站设计实用技术“一书将理论知识与实际案例结合,介绍了电池储能技术的发展及相关标准规范,详述了BESS的设计原则㊁基本设备组成和BESS接入电网的要求,最后阐述了BESS的防雷与消防设计方法㊂该书内容清晰㊁图文并茂,可供从事BESS设计的科研人员参考㊂书名:电池储能电站设计实用技术作者:严亚兵等㊀编著ISBN:9787519847944出版社:中国电力出版社出版时间:2020-12-01定价:￥48.00元收稿日期:2020-12-23Ⅳ。
