储能电站总体技术规划方案docx.docx

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储能电站总体技术方案

2011-12-20

1•概述3

2.设计标准4

3.储能电站（配合光伏并网发电）方案6

3.1系统架构6

3.2光伏发电子系统8

3.3储能子系统8

3.3.1储能电扌也组8

3.3.2电池管理系统（BMS）10

3.4并网控制子系统14

3.5储能电站联合控制调度子系统16

4.储能电站（系统）整体发展前景19

1•概述

大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史，早期主要用于孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。

电池储能系统在新能源并网中的应用，国外也已开展了一定的研究。

上世纪90年代末德国在Heme1MW的光伏电站和Bocholt2MW的风电场分别配置了容量为l・2MWh的电池储能系统，

提供削峰、不中断供电和改善电能质量功能。

从2003年开始，日本在Hokkaido

30.6MW风电场安装了6MW/6MWh的全锐液流电池（VRB）储能系统，用于平抑输出功率波动。

2009年英国EDF电网将600kW/200kWh锂离子电池储能

系统配置在东部一个11KV配电网STATCOM中，用于潮流和电压控制，有功和无功控制。

总体来说，储能电站（系统）在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配

合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷”等几大功能应用。

比如：

削峰填谷，改善电网运行曲线，通俗一点解释，储能电站就像一个储电银行，可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，这样就减少了电能的浪费；此外储能电站还能减少线损，增加线路和

设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量。

而储能电站的绿色优势则主要体现在：

科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少

资源消耗等方面。

2•设计标准

GB21966-2008

锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求

GJB4477-2002

锂离子蓄电池组通用规范

QC/T743-2006

电动汽车用锂离子蓄电池

GB/T12325-2008

电能质量供电电压偏差

GB/T12326-2008

电能质量电压波动和闪变

GB/T14549-1993

电能质量公用电网谐波

GB/T15543-2008

电能质量三相电压不平衡

GB/T2297-1989

太阳光伏能源系统术语

DI7T527-2002

静态继电保护装置逆变电源技术条件

GB/T13384-2008

机电产品包装通用技术条件

GB/T14537-1993

量度继电器和保护装置的冲击与碰撞试验

GB/T14598.27-2008量度继电器和保护装置第27部分：

产品安全要求

DI7T478-2001

静态继电保护及安全自动装置通用技术条件

GB/T2423.1-2008电工电子产品环境试验第2部分：

试验方法试验A：

低

GB/T2423.3-2006电工电子产品环境试验第2部分：

试验方法试验Cab:

恒定湿热试验

GB/T2423.8-1995电工电子产品环境试验第2部分：

试验方法试验Ed:

自由跌落

GB/T2423.10-2008电工电子产品环境试验第2部分：

试验方法试验Fc：

振动（正弦）

GB4208-2008

外壳防护等级（IP代码）

GB/T17626-2006

电磁兼容试验和测量技术

GB14048.1-2006

低压开关设备和控制设备第1部分：

总则

GB7947-2006

或数字标识

人机界面标志标识的基本和安全规则导体的颜色

GB8702-88

电磁辐射防护规定

DI7T5429-2009

电力系统设计技术规程

DI7T5136-2001

火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程

DI7T620-1997

交流电气装置的过电压保护和绝缘配合

DI7T621-1997

交流电气装置的接地

GB50217-2007

电力工程电缆设计规范

GB2900.11-1988

蓄电池名词术语

IEC61427-2005

求和试验方法

光伏系统（PVES）用二次电池和蓄电池组一般要

Q/GDW564-2010

储能系统接入配电网技术规定

QC/T743-2006

《电动汽车用锂离子蓄电池》

GB/T18479-2001地面用光伏（PV）发电系统概述和导则

GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求

GB/T20046-2006光伏（PV）系统电网接口特性

GB2894安全标志（neqISO3864:

1984）

GB16179安全标志使用导则

GB/T178830.2S和0.5S级静止式交流有功电度表

DI7T448能计量装置技术管理规定

DI7T614多功能电能表

DI7T645多功能电能表通信协议

DI7T5202电能量计量系统设计技术规程

SJ/T11127光伏（PV）发电系统过电压保护一一导则

EC61000-4-30电磁兼容第4・30部分试验和测量技术——电能质量

IEC60364-7-712建筑物电气装置第7-712部分：

特殊装置或场所的要求太阳光伏（PV）发电系统

3.储能电站（配合光伏并网发电）方案

3.1系统架构

在本方案中，储能电站（系统）主要配合光伏并网发电应用，因此，整个系

统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统（BMS）、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。

系统架构图如下:

光伏组件

监控主机

■■MM-*

储能电站（配合光伏并网发电应用）架构图

1、光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对

锂电池组充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

2、智能控制器根据日照强度及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进

行切换和调节：

一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。

另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。

发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

4、并网逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的380V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。

5、锂电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。

它将光伏发

电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

3.2光伏发电子系统

略。

3.3储能子系统

»>

3.3.1储能电池组

（1）电池选型原则

作为配合光伏发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储

能电站，储能电池是非常重要的一个部件，必须满足以下要求：

容易实现多方式组合，满足较高的工作电压和较大工作电流；

电池容量和性能的可检测和可诊断，使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制;

高安全性、可靠性：

在正常使用情况下，电池正常使用寿命不低于15年;

在极限情况下，即使发生故障也在受控范围，不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障；

具有良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力；较高的充放电转换效率；

易于安装和维护；

具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；

符合环境保护的要求，在电池生产、使用、回收过程中不产生对环境的破坏和污染；

（2）主要电池类型比较

表1、几种电池性能比较

钠硫电池

全飢液流电池

磷酸铁锂电池

阀控铅酸电池

现有应用

规模等级

]00kW〜34MW

5kW〜6MW

kW〜MW

kW〜MW

比较适合

大规模削峰填谷、

大规模削峰填

可选择功率型或

大规模削峰填谷、

的应用场

平抑可再生能源

谷、平抑可再生

能量型，适用范围

平抑可再生能源发

合

发电波动

能源发电波动

广泛

电波动

安全性

不可过充电；钠、

安全

需要单体监控，安

安全性可接受，但

硫的渗漏，存在潜

全性能已有较大

废旧铅酸蓄电池严

在安全隐患

突破

重污染土壤和水源

能量密度

100-700Wh/kg

-

120-150Wh/kg

30-50Wh/kg

倍率特性

5-10C

1.5C

5-15C

0.1-1C

转换效率

>95%

>70%

>95%

>80%

寿命

>2500次

>15000次

>2000次

>300次

成本

23000元/kWh

15000元/kWh

3000元/kWh

700元/kWh

资源和环

资源丰富；存在一

资源丰富

资源丰富；环境友

资源丰富；存在一

保

定的环境风险

好

定的坏境风险

MW级系

150-200平米

800-1500平米

100-150平米

150-200平米MW

统占地

/MW

/MW

/MW（h）

关注点

安全、一致性、成

可靠性、成熟性、

一致性

一致性、寿命

本

成本

（3）建议方案

从初始投资成本来看，锂离子电池有较强的竞争力，钠硫电池和全机液流电池未形成产业化，供应渠道受限，较昂贵。

从运营和维护成本来看，钠硫需要持续供热，全飢液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营成本，而锂电池儿乎不需要维护。

根据国内外储能电站应用现状和电池特点，建议储能电站电池选型主要为磷酸铁锂电池。

3.3.2电池管理系统（BMS）

（1）电池管理系统的要求

在储能电站中，储能电池往往由几十串甚至几百串以上的电池组构成。

由于

电池在生产过程和使用过程中，会造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。

这种差异表现为电池组充满或放完时串联电芯之间的电压不相同，或能量的不相

同。

这种情况会导致部分过充，而在放电过程中电压过低的电芯有可能被过放，从而使电池组的离散性明显增加，使用时更容易发生过充和过放现象，整体容量

急剧下降，整个电池组表现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量，最

终导致电池组提前失效。

因此，对于磷酸铁锂电池电池组而言，均衡保护电路是必须的。

当然，锂电池的电池管理系统不仅仅是电池的均衡保护，还有更多的要求以保证锂电池储能系统稳定可靠的运行。

（2）电池管理系统BMS的具体功能

基本保护功能

单体电池电压均衡功能

此功能是为了修正串联电池组中由于电池单体自身工艺差异引起的电压、或

能量的离散性，避免个别单体电池因过充或过放而导致电池性能变差甚至损坏情况的发生，使得所有个体电池电压差异都在一定的合理范围内。

要求各节电池之

间误差小于±30mvo

电池组保护功能

单体电池过压、欠压、过温报警，电池组过充、过放、过流报警保护，切断等。

数据采集功能

采集的数据主要有：

单体电池电压、单体电池温度（实际为每个电池模组的温度）、组端电压、充放电电流，计算得到蓄电池内阻。

通讯接口：

采用数字化通讯协议IEC61850o在储能电站系统中，需要和调

度监控系统进行通讯，上送数据和执行指令。

诊断功能

BMS应具有电池性能的分析诊断功能，能根据实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压、计算得到的电池内阻等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量（SOC）的诊断，单体电池健康状态（SOH）的诊断、电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时

（目前

间的估算。

根据电动汽车相关标准的要求《锂离子蓄电池总成通用要求》储能电站无相关标准），对剩余容量（SOC）的诊断精度为5%,对健康状态（SOH）的诊断精度为8%o

热管理

锂电池模块在充电过程中，将产生大量的热能，使整个电池模块的温度上升,因而，BMS应具有热管理的功能。

故障诊断和容错

若遇异常，BMS应给出故障诊断告警信号，通过监控网络发送给上层控制

系统。

对储能电池组每串电池进行实时监控，通过电压、电流等参数的监测分析，

计算内阻及电压的变化率，以及参考相对温升等综合办法，即时检查电池组中是

否有某些已坏不能再用的或可能很快会坏的电池，判断故障电池及定位，给出告

警信号，并对这些电池采取适当处理措施。

当故障积累到一定程度，而可能出现或开始出现恶性事故时，给出重要告警信号输出、并切断充放电回路母线或者支路电池堆，从而避免恶性事故发生。

采用储能电池的容错技术，如电池旁路或能量转移等技术，当某一单体电池

发生故障时，以避免对整组电池运行产生影响。

管理系统对系统自身软硕件具有自检功能，即使器件损坏，也不会影响电池安全。

确保不会因管理系统故障导致储能系统发生故障，甚至导致电池损坏或发生恶性事故。

建议方案

均衡保护技术

建议能量转移法（储能均衡）。

其它保护技术

对于电池的过压、欠压、过流等故障情况，采取了切断回路的方式进行保护。

对瞬间的短路的过流状态，过流保护的延时时间一般至少要几百微秒至毫

秒，而短路保护的延时时间是微秒级的，几乎是短路的瞬间就切断了回路，可以

避免短路对电池带来的巨大损伤。

在母线回路中一般采用快速熔断器，在各个电池模块中，采用高速功率电子器件实现快速切断。

蓄电池在线容量评估SOC

在测量动态内阻和真值电压等基础上，利用充电特性与放电特性的对应关

系，釆用多种模式分段处理办法，建立数学分析诊断模型，来测量剩余电量SOC。

分析锂电池的放电特性，基于积分法采用动态更新电池电量的方法，考虑电池自放电现象,对电池的在线电流、电压、放电时间进行测量；预测和计算电池在不同放电情况下的剩余电量，并根据电池的使用时间和环境温度对电量预测进行校正，给出剩余电量SOC的预测值。

使用上一次所放出的电量作为本次放电的基准电量，这样随着电池的使用，电池

电量减小体现为基准电量的减小；同时基准电量还需要根据外界环境温度变化进行相应修正。

蓄电池健康状态评估SOH

对锂电池整个寿命运行曲线充放电特性的对应关系分析，进行曲线拟合和比

对，得出蓄电池健康状态评估值SOH,同时根据运行环境对评估值进行修正。

蓄电池组的热管理

在电池选型和结构设计中应充分考虑热管理的设计。

圆柱形电芯在排布中的透气孔设计及铝壳封装能帮助电芯更好的散热，可有效防鼓，保证稳定。

BMS含有温度检测，对电池的温度进行监控，如果温度高于保护值将开启

风机强制冷却，若温度达到危险值，该电池堆能自动退出运行。

3.4并网控制子系统

本子系统包括储能电站内将直流电变换成交流电的设备。

用于将电能变换成

适合于电网使用的一种或多种形式的电能的电气设备。

最大功率跟踪控制器、逆

变器和控制器均叮属于本子系统的一部分。

（1）大功率pcs拓扑

设计原则

符合大容量电池组电压等级和功率等级；

结构简单、可靠稳定，功率损耗低；

能够灵活进行整流逆变双向切换运行；

采用常规功率开关器件，设计模块化、标准化；并网谐波含量低，滤波简单;

发展现状

低压等级（2kV以下）电池组的PCS系统早期一般是采用基于多重化技术的多脉波变换器，功率管采用晶闸管或GTOo随着新型电池技术的出现、功率

器件和拓扑技术的发展，较高电压等级（5kV〜6kV）的电池组的PCS系统一般

采用多电平技术，功率管采用IGCT或IGBT串联。

另外一种方案是采用DC/DC+DC/AC两级变换结构，通过DC/DC先将电池组输出升压，再通过DC/AC逆变。

适合大功率电池应用的DC/DC变换器拓扑主要采用非隔离型双向Buck/Boost电路，多模块交错并联实现扩容；DC/AC部

分主要包括多重化、多电平、交错并联等大功率变流技术，以降低并网谐波，简化并网接口。

建议方案

大容量电池储能系统可采用电压源型PCS，并联接入电网，PCS设计成四象限运行，能独立的进行有功、无功控制。

目前电池组电压等级一般低于2kV,

大容量电池储能系统具有低压大电流特点。

考虑两级变换结构损耗大，建议采用单级DC/AC变换结构，通过升压变接入电网。

利用多变流器单元并联技术进行扩容，采用移相载波调制和环流抑制实现单元间的功率均分。

结构简单、易控制、模块化、容错性好和效率高。

（2）PCS控制策略

控制要求

高效安全电池充放电；满足电网相关并网导则;

进行有功、无功独立调节;

能够适应电网故障运行。

研究现状

国内外对分布式发电中并网变流器控制策略已经展开了广泛研究，常采用双

闭环控制，外环根据控制目标的不同，提出了PQ控制、下垂控制、虚拟同步机控制等，内环一般采用电流环，提出了自然坐标系、静止坐标系和同步坐标系下的控制策略。

电池储能系统PCS控制除了满足常规的并网变流器要求，更重要的要满足电池充放电要求，尤其是电网故障情况下的控制。

建议方案

采用多目标的变流器控制策略，一方面精确控制充放电过程中的电压、

电流，确保电池组高效、安全充放电；另一方面根据调度指令，进行有功、

无功控制。

低电压穿越能力强，逆变器对电网电压应始终工作在恒流工作模式，输

出端压跟随市电，可以在很低电压下运行，甚至在输出端短路时仍可输出，

此时逆变器保持额定的输出电流不变。

实现电网故障状态下电池储能系统紧急控制，以及电网恢复后电池储能

系统的重新同步控制。

3.5储能电站联合控制调度子系统

常规的储能电站控制系统使用的产品来自于不同的供应商。

几乎每个产品供

应商都具有一套自己的标准，整个储能电站里运行的规约就可能达到好几种。

于