焦煤集团5MW10MWh储能技术方案

焦煤集团储能技术方案

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Rev01新建2023-05-18

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I句第三方公开。-1-南京南瑞继保电之箝南心言

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目录

1总体概述.........................................................5

2储能配置.........................................................5

3运行策略及经济性分析...........................................6

3.1运行策略.................................................................6

3.2经济性分析...............................................................6

3.2.1投资预算............................................................6

3.2.2运彳亍收益............................................................6

3.2.3风险提示............................................................7

4电气一次系统方案................................................7

4.1电网接入方案.............................................................7

5系统构成及控制目标..............................................8

5.1主接线图..................................................................8

5.2控制目标.................................................................9

5.3负荷构成及特性..........................................................9

6应急电源方案...................................................10

6.1准备工作.................................................................10

6.2黑启动方案..............................................................10

6.3电源恢复.................................................................II

7变流升压一体机技术方案.........................................11

7.1变流升压一体机整体方案................................................11

7.2变流器...................................................................12

7.2.1变流器规格书.....................................................14

7.2.2变流器故障保护功能............................................17

7.3升压变压器..............................................................19

7.3.1变压器型式......................................................19

7.3.2变压器温度监控...................................................20

7.3.3变压器高压室.....................................................20

7.3.4通讯动力柜........................................................20

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8电池舱技术方案.................................................21

8.1总体方案................................................................21

8.2电池及电池架...........................................................23

8.2.1电池单体..........................................................23

8.2.2电池模组..........................................................23

8.2.3电池簇.............................................................23

8.2.4电池架.............................................................24

8.3电池舱热管理系统.......................................................25

8.3.1空调选型..........................................................25

8.3.2散热仿真..........................................................25

8.4电池管理系统...........................................................26

8.4.1BMS三级构成....................................................26

8.4.2BMS具体功能....................................................27

8.4.3南瑞继保BMS的技术优势.......................................28

8.4.4高压控制箱........................................................29

8.5汇流控制柜..............................................................30

8.6消防系统................................................................32

8.6.1方案概述..........................................................32

8.6.2电池舱防火设计...................................................32

8.6.3灭火设施及消防器材.............................................32

8.6.4火灾报警系统及联动.............................................33

8.6.5消防供电、防雷接地.............................................33

8.6.6防爆通风、空气调节.............................................33

8.6.7防烟、排烟........................................................33

8.7舱体.....................................................................34

9电气二次系统方案................................................35

9.1电气二次设计原则.......................................................35

9.2二次系统通讯结构.......................................................35

9.3EMS方案................................................................36

9.3.1监控方案..........................................................36

9.3.2监控软件方案.....................................................38

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9.3.3快速协调控制系统...............................................49

9.4继电保护及安全自动装置................................................55

9.4.1设计原则..........................................................55

9.4.2继电保护及安全自动装置配置..................................55

9.5系统供电方案............................................................57

9.6辅控系统方案...........................................................57

9.6.1视频方案.........................................................57

9.6.2环境监测方案....................................................58

9.6.3消防灭火及报警联动方案........................................58

10储能系统供货配置清单..........................................60

10.1储能电池舱配置清单...................................................60

10.2变流升压一体机配置清单...............................................60

10.3EMS配置清单..........................................................61

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1总体概述

本项目储能电站接入项目所在的1OkV开关站，总容量5MW/1OMWh,以一回储

能集电线路接入10kV母线，集电线路有2个2.5MW/5.018MWh(实际配置容

量)储能单元。每个储能单元由一个变流升压一体机和一个电池舱构成。

配置EMS能量管理系统一套，实现储能电站内所有信息采集显示以及控制，

并与升压站监控系统进行通讯，上送关键储能信息，实现就地控制策略编制和执

行。

储能电站配置视频、消防报警等辅助监控设备。视频摄像头按舱布置，对电

池舱和变流升压一体机实现实时监视，信息统一汇总后接入升压站主控室。每个

储能电池舱内配置一套完整的消防报警和自动灭火系统，变流升压一体机设置火

灾探测器，电池舱和变流升压一体机的火灾报警信息上传至升压站的主控室。

2储能配置

根据收集到的2023年焦煤集团赵固二矿UOkV变电站10kV负荷资料，考虑

到储能主要目的是作为井下重要负荷的应急电源，容量配置原则按照2小时，平

时运行50%储能容量做峰谷套利。

(1)作为应急电源：赵固二矿最低保安负荷功率为3.88MW,考虑到不同安

保安负荷顺序启动，保安负荷带变频器的启动功率暂按L5倍额定功率考虑，最

低保安负荷中单台电机最大功率为L25MW,则储能系统容量需求为：1.25MWX

1.5+2.63MW=4.505MWo

(2)平时峰谷套利：统计赵固二矿运行负荷功率可知，在一天中8:00-14:00

负荷功率较低，约为5-6MW左右。考虑到储能充电时，不能导致系统容量电费

增加，即负荷功率与储能充电功率之和，不能超过该系统受电容量；储能放电

时，负荷可以有效利用储能中电量。

综上所述，建议配置5MW/10MWh储能系统。其中5MWh储能作为应急电

源，保障最低保安负荷；另外5MWh储能峰谷套利，回收部分成本。

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3运行策略及经济性分析

3.1运行策略

根据河南省2023年1月HOkV工业用户代理电价计算（实际电价可能略有

差异），尖峰时段电价为1.342313元/度电，高峰时段电价为1.170126元/度电，

平时段电价为0.696279元/度电，低谷时段为0.342562元/度电。

根据分时电价时段，储能系统可以实现每天两充两放。

第一次充电：23:00-7:00谷时电价时段充电，充电尽量采用小功率充电，避

免造成容量电费增加；

第一次放电:10:00-14:00尖高峰电价时段放电（7-8月时，12:00-14:00尖

峰电价时段放电）；

第二次充电：14:00~17:00平时电价时段充电，充电尽量采用小功率充电，

避免造成容量电费增加；

第二次放电：17:00~21:00尖高峰时电价时段放电。（7-8月时，20:00~21:00

尖峰电价时段放电，1、12月时，18:00~19:00尖峰电价时段放电）。

3.2经济性分析

3.2.1投资预算

初步按储能系统EPC总包1.8元/瓦时计算，项目总投资约为1800万元。

3.2.2运行收益

收益主要来源于储能系统峰谷套利，储能在平谷时电价时段充电，在尖高峰

电价时段放电，从而产生二者之间的电费差。特殊情况下，如限电时，储能还会

起到更大的应急支撑作用，保证办公和部分生产，本章节暂不考虑该部分收益。

计算条件：考虑5MWh的储能作为应急电源，剩余5MWh容量用于峰谷套

利，参考测算数据，储能整体运行效约为85%,每年运行330天，每天按以上运

行策略两充两放，生命周期10年（电池效率EOL不低于70%）,折旧率5%。

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表1运行收益表

年限电池循环次数单年收益(元)逐年总收益(元)

1660¥1,941,197.75¥1,941,197.75

21320¥1,808,031.59¥3,749,229.34

31980¥1,699,730.49¥5,448,959.83

42640¥1,621,372.92¥7,070,332.75

53300¥1,559,922.89¥8,630,255.64

63960¥1,514,217.14¥10,144,472.78

74620¥1,482,267.16¥11,626,739.95

85280¥1,456,920.39¥13,083,660.34

95940¥1,432,007.06¥14,515,667.40

106600¥2,307,519.74¥16,823,187.13

从上表可知：

(1)仅考虑峰谷套利实现收益，大约10年可以收回1682万元的成本。

3.2.3风险提示

(1)储能电池逐年衰减效率无法准确评估;

(2)运行天数需要得以保障。

(3)以上计算中未考虑运维成本；

4电气一次系统方案

4.1电网接入方案

5MW/10MWh储能系统由2个2.5MW/5MWh储能单元构成，每个储能单元由

2组2.508MWh电池堆分别经2台1250kW(1725kW降容使用)变流器逆变成

交流690V,2台变流器交流侧并联接入升压变的低压绕组，如下图储能单元接

线示意图所示，每台升压变的变比10kV/0.69kV,容量2500kVA,采用干变形

式。接入一个10kV间隔并网。如下图储能系统主接线示意图。

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余营次南京南瑞继保电W向用心川

❷,1995.

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至10kV触集械

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图4-1单个储能系统主接线示意图

5系统构成及控制目标

5.1主接线图

焦煤集团赵固二矿变电站现有2台110kV主变，10kV低压侧采用单母分段

接线方式，I段母线重要负荷为通风机I回，副井绞车I回，H段母线重要负荷

为通风机II回，副井绞车II回。5MW/10MWh储能集电线路规划接入10kVI

段备用间隔。

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❷,1995.

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赵固二矿变电站」

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5.2控制目标

本项目采用高安全性磷酸铁锂电池储能方案，保证通风及提升系统安全平稳

运行，减少停电事故对生产安全的影响，满足备用电源和削峰填谷功能使用。

正常情况储能系统工作在削峰填谷模式，通过峰谷差价获取收益，同时需保

留应急电源容量。离网情况作为应急电源给关键负载供电，关键负载的间断供电

需控制在5min内。本方案仅考虑I段II段进线电源均失电场景，I段或H段

单电源失电后的恢复策略不在此方案范围内。

5.3负荷构成及特性

储能黑启动前应明确黑启动的范围，范围的确定应以实际需求及黑启动能力

为根据。黑启动范围以外的回路应提前分断电气连接，以避免负荷过重和安全问

题。

确定黑启动范围后，应对范围内的所有负荷进行统计，尤其应关注变压器、

电机以及单个容量较大或启动冲击较大的负荷。本本项目关键负荷构成如下：

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AAA-Aigs南京南瑞城保电生日用公,

JN■*ZARI-RFlAYSFlECTRICC。LTD

赵固二矿最低保安负荷功率为3.88MW,考虑到不同安保安负荷顺序启动，

保安负荷带变频器的启动功率暂按L5倍额定功率考虑，最低保安负荷中单台电

机最大功率为1.25MW,则储能系统容量需求为：1.25MWX

1.5+2.63MW=4.505MWo

原方案储能配置容量5M肌满足要求。

6应急电源方案

6.1准备工作

新增1台故障解列装置PCS-9658,采集储能所在10kVI段母线电压。

1）原升压站备自投装置检测到I母首先失压时，切I母进线电源及储

能支路，合母联开关。II母进线电源同时带I、H母负载，此时若II母进线电

源也失电，I母失压，故障解列装置动作，切除母联开关及I段母线所有支路开

关（包含进线电源和储能支路），故障解列动作整定延时配合备自投时间。关键

负载仅需切除400V侧开关，保障黑启动时仅带配变软启动。

开关全部按照动作逻辑分开后，运维人员在后台检查开关状态，确保储能黑

启动前无负荷接入，且网侧开关及母联开关处于分闸状态。同时，后台画面编制

校验逻辑，可辅助运维人员确认准备条件。

2）原升压站备自投装置检测到II母首先失压时，切H母进线电源，

合母联开关。I母进线电源同时带I、H母负载，此时若I母进线电源也失电，

I母失压，故障解列装置动作，切除母联开关及I段母线所有支路开关（包含进

线电源及储能支路）。关键负载仅需切除400V侧开关，保障黑启动时仅带配变

软启动。

开关位置确认工作同1）所述。

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6.2黑启动方案

由于储能系统中电池及PCS过载能力较弱，一般只允许1.ri.5倍的短时过

载。黑启动时变压器类负荷的励磁涌流天然存在，需要PCS的电流输出能力与励

磁涌流匹配才能成功，同时要考虑电机类负荷的启动冲击电流影响，并保证充足

的电量存储。

1）负荷必要性。原则上只给黑启动过程中必须带电的负荷供电，以减小储

能的功率和能量需求。

2）负荷功率。单个负荷的额定功率不宜超过储能容量的50%,负荷总功率不

宜超过储能总容量的80%o

3）运行特性。对于较大容量的变压器，应提前闭合输入侧开关，随储能系

统一同软启动；对于较大容量的电机类负荷，需配置变频器或软启动设备。电压

建立后不宜直接投入储能容量10%以上的变压器或电机。

4）电量保证。应根据黑启动需要的电量，提前将电池剩余电量S0C调整到

合适范围。紧急情况未能提前调整S0C时，根据S0C可运行至最低10%估算系统

黑启动后能持续的供电时间。

确保上述条件满足情况下，合储能支路开关，切换储能PCS运行在离网模式

下，电压建立后逐步投入负荷。

6.3电源恢复

网侧电源恢复时，协调控制装置采集并网点两侧电压值作为同期合闸的判

据。并网开关同期合闸，储能PCS调整至PQ模式，实现无缝并网。

7变流升压一体机技术方案

7.1变流升压一体机整体方案

变流升压一体机主要由储能变流器、升压变压器等设备组成，升压变压器为

欧式箱变，是集干式变压器、断路器柜、通讯动力柜于一体的组合变压器。

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6^6⑥1995.南京南瑞墉配电之用限公之

J■ZARI-RFlAYSFlECTRICC。LTD

变流器实现交直流变换的功率控制，升压变压器实现交流升压和变流器隔

离，箱变高压侧的断路器实现本储能单元检修和保护的开断，通讯动力柜内集成

了变压器测控保护、本储能单元变流器和BMS的通讯，以及本储能单元辅助信息

的采集，通讯动力柜包含自供电辅助变压器及辅助配电回路，实现本储能单元的

辅助供电。

A储能单元2.5MW变流升压一体机尺寸为（长*宽*高）：

7600*3000*2880mmo变流升压一体机包含2台PCS变流器户外柜，1个2.5MVA

10kVA）.69kV升压变压器（欧式箱变，集成10kV断路器柜、通讯动力柜），及其

他集装箱辅助设备。具体内部配置如图。

图7-12.5MW变流升压一体机布局图

7.2变流器

PCS-9567储能变流器采用基于IGBT的电压源型换流器拓扑，通过交流侧滤

波器实现对开关频率谐波的滤波，通过交、直流侧EMC滤波器实现对高频谐波干

扰的滤波，直流侧设置负荷开关和熔丝实现直流侧故障的保护和隔离，交流侧设

置接触器和断路器实现交流侧电网的联接以及故障的隔离。具有以下特点：

安全

•一二次仓分仓隔离设计，可靠性高

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南京南瑞继保电用公足

1995,ZARI-RFlAYSFlFCTRICCCITD

•IP65高防护等级，可靠应对恶劣环境

•独立循环散热设计，提高散热效率及可靠性

高效

•风冷散热，系统损耗小

•PCS三电平拓扑，最高效率99%

电网友好

•PQ、构网等多种控制模式，适用各种应用场景

•支持IEC61850协议及快速通讯接口，毫秒级响应

•支持故障录波，方便故障分析及定位

集成度高

•功率模组模块化设计，便于运行维护

•单元积木功能，支持多柜交流侧并联

•功率及能量密度提升＞50%

PCS-9567储能变流器可通过脉宽调制(PWM)灵活控制输出的电压相位和幅

值，利用输出电压与电网电压的相位和幅值差，在输出侧滤波电感上形成有功和

无功电流，从而达到控制注入电网的有功、无功功率四象限运行的目的。

下图为PCS-9567双向储能变流器的一次结构及二次原理图：

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❷,1995.品次南京南瑞继保电W向用心川

■ENARI-RFlAYSFlFCTRICCOLTD

直流交流交流

断路号DC/AC逆变接触器断路器

直流交流//

交流

EMI

滋波器EMI

浊波器灌波器

由

防雷器。接地

温度,a流开出

i▼

人机交互采样锁相PLLVSGLVRT

开入

通讯管理电与统计开入PQ控制保护防孤岛

通讯指令联锁保护

事件管理文件管理开出VF控制PWM控制绝缘监视

图7-2PCS-9567储能变流器一次结构及二次原理图

图7-3PCS-9567储能变流器外观

7.2.1变流器规格书

表7-1南瑞继保储能变流器参数

技术参数PCS-9567

直流电压工作范围1050V-1500V

直流最大输入电压1500V

最大输入电流1833A

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余属谈南京南瑞继保电w自限公白

1995.■、防&NARI-RFIAYSFlFCTRICCO1TO

额定交流电压690V

额定频率50Hz

交流额定交流电流1046A

1250kW

额定交流功率

（1750kWPCS降额使用）

最大输出电流1150A

直流过欠压保护支持

直流过流保护支持

直流反接保护支持

交流过欠压保护支持

保护

交流过欠频保护支持

交流过流保护支持

浪涌保护支持

接地保护支持

防护等级IP65

工作温度范围-35-50℃

系统相对湿度0-95%

冷却方式自适应强制风冷

最高海拔6000（＞3000需降额使用）

尺寸1200W*2350H*1400Dmm

机械

重量1600kg

RS485支持

通讯以太网支持

高速光纤组网支持

双向储能变流器作为储能装置和电网的柔性接口，采用高可靠性智能化功率

模块开发，通过充、放电一体化的设计，实现交流系统和直流系统的能量双向流

动。南瑞继保PCS-9567双向储能变流器主要能够实现以下功能：

•准确灵活的充放电控制模式

提供CAN或以太网接口，实现与电池管理系统（BMS）的实时通讯，能够准

确的监测当前电池的运行信息，不仅可以控制变流器的充、放电状态，还可以方

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便的切换成恒流、恒压或恒功率等多种充放电模式，从而实现以最优化的策略对

电池进行充放电控制。支持各种类型的储能元件，不同型号仅控制软件不同。

•并网运行模式和孤网运行模式的自由切换

PCS-9567既可以在并网运行模式下实现与电网的能量双向交换，也可以在孤

网运行模式下作为主电源支撑孤网的运行，两种运行模式可以自由切换。

•软并网控制和电能质量控制

控制系统根据在线监测到的电网电压信息，实时准确的控制变流器的输出电

压，能够消除静态和动态误差，实现无冲击并网。此外控制系统内部集成了谐波

在线监测功能，无需设置独立的数据采集单元，通过通讯总线共享数据，增加独

立的谐波分析软件模块，就能完成所有的分析数据计算功能，实现对并网电能的

优化控制，确保并网电能质量。

•响应EMS指令进行削峰填谷

可以在EMS（能量管理系统）的调度下，用电低谷时存储电能，用电高峰时

释放电能，减弱电网峰谷差，改善电网负荷特性，实现电力系统负荷水平控制和

负荷转移。

•电网频率和电网无功功率调节功能

并网运行时，与电网调度系统及AGC相配合，可实现电网一次和二次调频；

与AVC相配合，可实现电网静态无功控制。

•完备的自检和保护功能

自检的范围覆盖控制系统、10单元、变流器功率模块及总线等相关设备。自

诊断的周期确保在1ms内检测到系统内部的故障，并做出相应的闭锁触发脉冲或

跳闸响应。完善的各种继电保护功能，有效保障变流器的正常运行。

•暂态故障录波功能

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❷,1995.品次南京南瑞继保电W向用心川

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系统能连续记录故障前和故障后一段时间内的信号。记录的数据文件存放于

运行人员工作站的共享目录，可以用于故障分析，文件格式为国际标准的

COMTRADE格式。

PCS-9567具有如下显著特点：

•采用南京南瑞继保电气有限公司高性能高可靠性的UAPC平台，友好的人机

界面；

•元器件采用进口高质量产品，保证装置可靠安全运行，转换效率高；

•具备全面的充放电限制功能，保证充放电过程中电池不过压、不过温，确保

充放电过程电池安全；

•完善可靠的保护功能，保证产品可靠安全运行，或安全迅速地保护停机；

•响应快速，充放电转换时间短，参与电网调峰，缓解电网压力；

•高电能质量，产品并网电能质量优于相关标准的技术指标要求；

•适应高海拔应用＜6000米（超过3000米需降额使用）；

•接口丰富，具有CAN、RS485、以太网等多种通信接口，便于对上、对下各

种通信方式实现。

7.2.2变流器故障保护功能

运行过程中，PCS-9567控制装置会实时检测自身工作状态以及储能电池和交

流电网的状态，一旦检测到故障及异常，变流器会停止工作，并发出报警信号。

•交流过/欠压保护

变流器并网运行过程中，电网接口处的电网电压允许偏差为额定值的±10%,

当电网电压超出规定范围时，变流器停止工作，并在控制装置液晶显示屏上显示

相应的报警信息。

•交流过/欠频保护

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1995.南京南瑞墉配电之用限公之

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变流器并网运行过程中，当电网频率超出规定范围时，变流器停止工作，并

在控制装置液晶显示屏上显示相应的报警信息。

•交流过流保护

变流器并网运行过程中，电网发生短路时，变流器可限制交流输出电流为额

定值的120%之内，同时在设定时间内将储能装置同电网断开；当变流器严重过

流时，变流器触发速断保护，立刻并发出相应的报警信息。

•负序电流保护

变流器并网运行过程中，电网负序电流超出允许范围时，逆变器停止向电网

供电，并发出相应的报警信息。

•负序电压保护

逆变器并网运行过程中，当电网的负序电压超出允许范围时，逆变器停止工

作，并发出相应的报警信息。

•孤岛检测保护

PCS-9567储能变流器装置配置了主动式与被动式双重孤岛检测方法，当电网

发生孤岛故障时，变流器可迅速检测出电网孤岛故障，并将储能装置同电网断

开，并发出相应的报警信息。

•直流过压保护

PCS-9567储能变流器根据电池的特性以及变流器内部的元件耐压水平，综合

确定直流过压保护的限定值，当变流器检测到输入电压高于此限