储能系统方案.doc

序号术语定义1单体蓄电池，Cell由电极和电解质组成，构成蓄电池组的最小单元，能将所获得的电能以化学能的形式贮存并将化学能转为电能的一种电化学装置。2电池模块,Battery Module用电气方式连接起来的用作能源的两个或者多个单体蓄电池。3电池簇,Battery Cluster由若干个电池模块串联，并与电路系统相联组成的电池系统，电路系统一般由监测、保护电路、电气、通讯接口及热管理装置等组成。4电池堆,Battery Array由连接在同一台能量转换系统（PCS）上的若干个电池簇并联而成的可整体实现功率输入、输出的电池系统，并受后台监控系统控制。5电池管理系统,Battery Management System,BMS用于对蓄电池充、放电过程进行管理，提高蓄电池使用寿命，并为用户提供相关信息的电路系统的总称，由BMU、MBMS和BAMS等管理单元组成，可根据储能系统配置选用两层或三层架构。6电池管理单元,Battery Management Unit, BMU具有监测电池模块内单体电池电压、温度的功能，并能够对电池模块充、放电过程进行安全管理，为蓄电池提供通信接口的系统。BMU是电池管理系统（BMS）的最小组成管理单元，通过通信接口向电池簇管理系统（MBMS）提供电池模块内部信息。7电池簇管理系统,Main Battery Management System,MBMS是由电子电路设备构成的实时监测与管理系统，有效地对电池簇充、放电过程进行安全管理，对可能出现的故障进行报警和应急保护处理，保证电池安全、可靠、稳定的运行。MBMS是电池管理系统的中间层级，向下收集电池管理单元（BMU）信息，并向上层电池堆管理系统（BAMS）提供信息。8电池堆管理系统,Battery Array Management System, BAMS是由电子电路设备构成的实时监测与管理系统，对整个储能电池堆的电池进行集中管理，保证电池安全、可靠、稳定的运行。BAMS是电池管理系统的最高层级，向下连接接电池簇管理系统（MBMS）。9电池荷电状态,State of Charge,SOC电池当前实际可用电量与额定电量的比值。10电池健康状态,State of Health,SOH电池当前可充放电总电量与额定电量的比值。11能量转换系统 Power Conversion System,PCS实现电池与交流电网之间双向能量转换的装置，其核心部分是由电力电子器件组成的换流器。12后台监控系统, Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA对储能系统、外部电网、负载进行监测和协调控制的系统平台，由BAMS或MBMS（二层构架时）与其进行通信，完成储能电池堆的信息传输和后台控制。储能系统技术方案1、方案简介储能系统（EnergyStorageSystem，简称ESS）是一个可完成存储电能和供电的系统，具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。可以使太阳能、风能发电平滑输出，减少其随机性、间歇性、波动性给电网和用户带来的冲击；通过谷价时段充电，峰价时段放电可以减少用户的电费支出；在大电网断电时，能够孤岛运行，确保对用户不间断供电。储能系统是电力系统“采-发-输-配-用-储”的重要组成部分，是构建新能源微电网的基础。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平抑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备、降低用电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、参与调频调压、补偿负荷波动的一种有效手段。2、储能系统架构储能系统包括锂离子电池、BMS系统、PCS系统、EMS系统等。其中，电池模组采用模块化设计，由若干电池串并联组成。每个电池模组配置一个电池管理单元，对单体电池的电压、温度等参数进行监测；储能系统架构图2.1电池根据市场情况，储能电池选择为磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池具有一定的优势。1)长循环寿命由于风光资源的不确定性、间歇性，蓄电池经常处于部分荷电状态（PSOC）模式下运行。电池在这种状态下经常处于过充或欠充状态，尤其是欠充状态会导致电池寿命提前终止，磷酸铁锂电池使用年限达到15年，循环次数4500次以上。2)高能量转换效率储能电池经常处于充放电循环，电池的能量转换效率高低对规模储能电站的经济性好坏有决定性的影响。磷酸铁锂电池改善了电池部分荷电态（PSOC）模式下的充电接受能力，充电接受能力较普通电池提升40%以上，使电池具有了优异的充放电效率（97%以上），整个储能电站的能量转换效率可达到90%以上。3)经济性价比寿命期内性价比是评估储能技术是否可行的一项重要指标。磷酸铁锂电池既保持了电池高能量密度，又具有快速充放电、循环寿命长、价格低等优势，收益/投资比可达2.0；相比铅碳电池、管式胶体电池、三元锂电池相比，具有更低的成本及更高的性价比，可有效的降低储能电站运行成本。4)系统安全可靠性储能电站具有较高的安全可靠性要求，磷酸铁锂电热峰值可达350-500而锰酸锂和钴酸锂只在200左右。工作温度范围宽广（-20C-+75C），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350-500而锰酸锂和钴酸锂只在200左右。 电芯基本信息电 芯 基 本 信 息 电芯种类宁德时代 磷酸铁锂 储能电芯标称电压3.2V标称容量271Ah工作温度充电: 0 55放电: -20 55重量约5.47公斤尺寸 (厚宽高)71.5mm * 173.9mm * 207.3mm 电池组基本信息电 池 模 组 基 本 信 息 电芯排布1并14串标称电压44.8V标称容量12.14KWh (25, 0.5C / 0.5C)工作温度充电: 0 55放电: -20 55重量约143公斤尺寸 (宽深高)516mm * 690mm * 234mm 电箱基本信息 电 箱 基 本 信 息电柜排布 16 个电箱串联 标称电压 716.8V标称容量 194.25KWh (25, 0.5C / 0.5C) 工作温度 充电: 0 55 放电: -20 55重量 约1800公斤 尺寸 (宽深高)1200mm * 725mm * 2300mmSBMS 1 个 控制箱 1 个 2.2电池管理系统（BMS）根据系统通信能力和系统安全性，电池管理系统采用三层架构，系统基本构架如图：电池管理系统通讯拓扑示意图从控采集每组单体电压、温度。主控通过通讯获取从控数据，以及采集电压、电流等。BMS具有以下功能：（1）电池模拟量高精度监测功能BMU层面，实时检测单模组电压。MBMS检测电池簇充放电电流，系统总压，系统绝缘等。（2）SOC估算通过电流积分，实现基本SOC估算。配合充满与放空校正功能，有效提高SOC精准度。另外，在BAMS的管理下单独完成容量标定和SOC标定。通过自身算法，得出经校正后的最新电池系统容量和SOC标定值，并以此做为后续电池充放电管理的依据，经此得出的SOC值误差小，同时在长时间累积过程中会避免SOC误差放大的现象。（3）电池系统报警以及保护功能电池管理系统在电池系统出现电压、电流、温度等模拟量出现超过安全保护门限的情况时，将进行故障隔离，将问题电池簇退出运行，同时上报保护信息，并在本地进行显示。（4）充、放电管理系统运行时，实时监测每个单体电压以及电池包温度，当单体电压达到最大充电电压时，BMS强制切断继电器，对电池进行保护；当单体电压低于最低放电电压时，BMS强制切断继电器，对电池进行保护；（5）均衡功能本电池管理系统使用被动均衡策略，能够很好得维护电池组的一致性。（6）运行参数设定功能（接入调试上位机后可进行设定）本电池管理系统提供本地对电池管理系统的各项运行参数进行修改。参数设定项目包括：单体电池充电上限电压单体电池放电下限电压电池运行最高温度电池运行最低温度电池簇过流门限电池短时温升过快门限（7）故障运行模式当系统电池组存在部分组电池故障，需要拆卸部分电池进行维护时，可关闭故障组电池组MBMS高压盒低压供电，对系统进行重新上电后，系统自检进入故障运行模式，通过功率限制，限制电流。可确保部分需要维修时，不会因电池维修，系统长时间不能运行。当电池组组间总压压差过大时，可通过上位机，强制控制部分组继电器吸合，手动控制PCS对电池组进行整组小电流充放电，达到减小压差功能。便于现场维护。（8）系统运行状态显示本电池管理系统能够在本地对电池系统的各项运行状态进行显示包括（接入调试上位机后可进行设定）：电池单体电压/温度查询及显示电池组电压/温度查询及显示电池簇电流/SOC/SOH查询及显示告警信息显示其他异常信息显示电池系统容量标定及SOC标定BMS基本技术参数BMS基本技术参数序号项目规格备注1系统电源DC24V2单电芯电压检测范围 (V)0V5V3单电芯电压检测精度(mV)5mV4温度检测范围(C)-40C85C5温度检测精度(C) 1C6总电压检测范围 (V)0V1000V7总电压检测精度 (%)1%FSR8绝缘检测支持最高电压1200V，检测误差小于10%9电流检测范围（A）-300A-300A10电流检测精度 (%)1.0%FSR11SOC 精度 (%)6%12均衡电流 (A)100mA14通讯方式CAN或48515显示工业显示屏16指示灯，蜂鸣器报警具备红绿指示灯以及蜂鸣器报警17保护包括：过充、过放、超温、短路等保护，且保护定值可整定2.3储能变流器（PCS）2.3.1 储能变流器功能简介储能系统中，储能变流器除了双向逆变功能外，同时可以进行实现支撑电网，保证电网系统的稳定运行，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，削峰填谷。设备拓扑采用三电平设计，相比较于两电平拓扑，三电平拓扑能够提高开关频率、转换效率和系统稳定性，降低输出谐波、开关损耗和变流器体积。2.3.2储能变流器选型设计电池设计输入电压范围为：604.8V-806.4V储能变流器电路主拓扑如图：储能变流器系统拓扑500kW储能变流器参数产品型号PWS1-500K直流侧参数直流电压范围600900V最大直流电流873A最大直流功率550kW直流电压精度1%直流电流精度1%（rms）交流并网参数额定输出功率500kW交流最大功率550kVA额定电网电压400V电网电压范围15%额定电网频率50Hz/60Hz电网频率范围2.5Hz交流额定电流720A输出THDi3%并网功率因数-1+1交流离网参数交流离网电压400V交流电压可调节范围10%交流离网频率50Hz/60Hz离网输出THDu2%系统参数整机最高效率97.3%隔离方式工频隔离冷却方式强制风冷噪声70dB温度范围-2050防护等级IP20海拔3000M湿度范围095%尺寸（W*H*D）2200mm*2160 mm *800 mm重量2000kg通讯方式显示触摸屏上位机通信方式Modbus TCP/IP通信接口网口、RS485、CAN本储能变流器具有以下功能：a、接入锂电池时分为恒功率充电和恒流充电两个阶段；b、并网放电，可以通过预先设置或者集中监控实时调度进行控制；c、四象限独立控制有功和无功；d、与电网调度系统配合，可按照历史曲线或者实时负荷进行调峰，实现电网的削峰填谷；e、与电网调度系统及AGC配合，可参与电网二次调频；f、与AVC相配合，可实现电网静态无功控制，紧急情况下可快速输出无功，避免负荷低压脱口及电压崩溃，实现紧急无功控制实现平抑各个间歇性电源功率，稳定输出；2.3.3储能变流器保护策略对于PCS保护策略，满足分布式发电系统接入电网的相关标准规定，具备但不限于以下保护功能：（1）、电网电压异常保护；（2）、电网频率异常保护；（3）、孤岛保护；（4）、输出过载保护；（5）、输出直流分量控制；（6）、输出短路保护；（7）、直流过压保护；（8）、直流接反保护；（9）、低压穿越保护；（10）、恢复并网保护；（11）、功率恢复速率控制；同时，根据不同电池的BMS要求，根据其控制策略对电池侧充放电状况进行保护，包括过充、过放、容量保护等。2.4能量管理系统（EMS）2.4.1 EMS系统功能简介能量管理系统是储能系统的重要组成部分，它为微电网调度控制中心提供数据管理、监视、控制和优化，保障储能系统的稳定高效运行。能量管理系统为储能系统内部每个能源控制器提供功率和电压设定点；确保满足系统中热负荷、电负荷需求；确保系统满足与主网系统间的运行协议；尽可能使能源消耗与系统损耗最小；提供系统故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑与控制方法（加并且网切换单元）等。2.4.2 EMS组网架构储能系统中，EMS通讯拓扑分为两层结构，顶层为总集中监控系统，底层设备：储能变流器、电池管理系统（BMS）、环境监测设备、消防系统、空调或门禁系统等均接入监控系统。监控主机完成现场测控系统之间的网络连接、转换、数据采集、数据本地处理、协议转换和命令的交换、本地用户画面监视操作、控制策略、WEB服务器功能，实现大容量实时数据的高速汇集传输，确保主站系统能够快速、准确地得到所有监测及监控信息，并及时反馈网络检测的系统异常与故障，确保快速定位与恢复。2.4.3 EMS功能设计（1）电站运行情况实时监控系统能对所有被监控的运行参数和状态进行实时和定时数据采集，对重要历史数据进行处理并存入数据库。包括：BMS系统的各组电池的总电压、电流、平均温度、SOC、SOH、 充放电电流和功率限值、单节最值电池电压、单节最值电池温度、故障及报警信息、历史充放电电量、历史充放电电能等常用信息。PCS的相关参数，包括：直流侧各分支的电压/电流/功率等、交流侧的各相有功功率、无功功率、电压、电流、功率因素、频率和温度、机柜温度、运行状态、报警及故障信息等常用信息，以及日充电量、日放电量、累计充电量、累计放电量等。负荷的各相电压、电流、有功功率、无功功率、频率等信息。图7 EMS系统主页面效果图（仅作参考）（2）电站运营数据显示系统可根据用户要求，自定义其所需的相关数据到指定界面，进行实时数据、历史数据的查看，并导出报表；（3）电站经济运行策略相比于常规变电站的经济运行分析主要是计算变压器在各种运行方式下的，变压器损耗随负荷电流变化的曲线，微网系统的经济运行分析将变压器替换为PCS和逆变器进行计算分析，分析当前储能电量和负载比例，得出最佳运行策略，并执行优化命令。（4）电站实时调度、远程调度根据现场监控层和总控中心对系统需求数据的不同，微网电站现场设备层可自由配置数据分别上传到现场监控层和中控中心，也可由现场监控层处理、筛选后上传到总控中心。（5）电站能量管理系统根据当前时段、当前负荷、当前上网电价、储能电池SOC，自动控制潮流方向，确定微网系统充放电时段。（6）故障报警系统提供各级事件的记录和查询功能，采用颜色对事件类型和重要程度进行区分和管理。（7）报表、实时曲线、能量流动显示系统提供实时曲线记录、分析和查询功能，自由选择所需记录和分析的数据，以曲线和棒图展现实时数据、历史数据及历史数据统计值，统计数据间隔为5分钟、15分钟、1小时和1天。系统可以按照用户要求自定义各类报表、分析图表，并导出office或PDF文件。（8）数据分析常见的数据分析工具包包括能流图、成本核算、节能分析、生产能效分析、能耗预测、对标分析；（9）电站运行效益分析、老板报表经济效益分析，主要靠能管系统建模，针对PCS出力、储能系统SOH，得出全系统运行效率；3、 集装箱安装3.1集装箱设计集装箱设计主要根据项目着落地的环境条件如气候条件，海拔高度等，进行有针对性的设计。主要包括下表中涉及的方面：项目功能备注防雷设计接地设计照明系统设计集装箱承重设计热管理方案环境监控系统消防安全系统集装箱主要参数如下：项目技术参数大小30尺集装箱重量TBD承重30T材料特种钢工作温度-1045集装箱内部温度1035集装箱系统设计需要能够保证集装箱具备良好的防腐、防火、防水、等相关功能，集装箱设计有以下特色接地设计集装箱提供接地铜排。接地铜排可与整个集装箱的非功能性导电导体（正常情况下不带电的集装箱金属外壳等）可靠联通，同时，集装箱以铜排的形式向用户提供2个符合最严格电力标准要求的接地点，向用户提供的接地点必须与整个集装箱的非功能性导电导体形成可靠的等电位连接，接地点位于集装箱的对角线位置。非功能性导电导体接地点。接地铜排局部视图见下图所示：接地铜排接地铜排局部视图防雷设计在线路上安装有防浪涌保护模块，并带有辅助报警开关，一旦发生雷击可通过监控平台发出对外报警信号。 监控系统实时监测防雷器信号，一旦发生报警，系统自动切换到相应的监控界面，同时产生报警事件及有相应的处理提示。防雷系统通过接地扁钢或接地圆钢连接至集装箱给用户提供的不少于2个的接地铜排上。照明系统设计可实现对集装箱内照明灯光的控制，照明灯具有防暴功能，为集装箱内部的监控提供一个安全的照明环境。管理人员可在现场用手动开关控制照明灯。另外，集装箱内至少配置5盏应急照明灯，一旦系统断电，集装箱内的应急照明灯会立即投入使用，5年内，单盏应急照明灯的有效照明时间不小于30分钟。安全及报警系统设计集装箱具有报警系统，通过在特殊位置安装一报警灯，能够为外界提供比较明显的信息，从而起到预警作用。集装箱内配置烟雾传感器、温度传感器、湿度传感器、应急灯、门磁开关、灭火器、防雷器等必不可少的安全设备，烟雾传感器和温度传感器和系统的控制开关形成电气连锁，一旦检测到环境参数超出合理范围、门磁开关报警、灭火器启动、雷击报警等，立即切断正在运行的电池成套设备，并进行声光报警，同时通过电池管理系统将数据上传远程监控平台，进行远程报警监测。集装箱报警器图消防系统设计消防系统由烟感探测器、温度探测器、声光报警器、灭火器组成，通过环境监控系统对集装箱系统进行实时监控。热管理设计方案电池是一种对温度较为敏感的储能介质，磷酸铁锂电池的适宜工作温度一般为030。电池放置于集装箱封闭环境中，需要合理的热管理措施以控制环境温度，保障电池的长寿命运行。集装箱热管理方案分为2部分温度检测部分，磷酸铁锂集装箱内有约1500个温度检测点，铅酸电池集装箱内有约300个温度检测点，可全面监测电池的温度，以便热管理控制系统进行合理的温度调整动作。空调和加热器是常用的温度控制设备，其功率设计的热管理设计的重要工作。空调和加热器功率设计原理如下：1）制热量计算假设室外温度最低-30，室内需要控制温度在20，储能现场海拔高度 3500m；空调的加热量P要大于环境载荷热量P1+设备热载荷量，这里计算假定设备（包括电池）热载荷量为0. P：空调需要的制热功率； c：空气比热，1.005KJ/kg*； m：空气质量=密度*体积=1.2kg/m*75m : 岩棉热阻系数0.040W/m 计算公式：集装箱箱内箱外导热功率（W）： P1=*A(Th-Tc)/为导热系数，A为导热面积，Th、Tc为高温面和低温面温度，为2个面之间的距离。集装箱表面积为：A=（12.192*2.438+12.192*2.591+2.438*2.591）*2=135.26mP1=*A(Th-Tc)/=0.040*135.26*50/0.08=3380(W)考虑门或其他缝隙导热，修正系数为2，即P1=3380*2=6760W。2）制冷量计算假