宋倩蕓

（1 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福建福州 350116 2 國(guó)家電網(wǎng)福建電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 福建福州 350001）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)、可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)、微電網(wǎng)的快速發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能［1-2］技術(shù)作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)近年來(lái)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。 特別是其中的鋰電池技術(shù)，由于其重量輕、體積小、無(wú)污染和溫度適應(yīng)范圍廣，并且能量密度和綜合循環(huán)效率高，發(fā)展速度更加迅猛， 同時(shí)鋰電池儲(chǔ)能站的建設(shè)也從小容量小規(guī)模試點(diǎn)發(fā)展成為大容量、規(guī)?；募蓱?yīng)用。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能電站在設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、管理上都按照電氣一次、二次等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行劃分，不僅建設(shè)工程量巨大，而且工程安全質(zhì)量難以保證，制約了儲(chǔ)能站的建設(shè)效率。隨著設(shè)備工藝的提升， 推動(dòng)了儲(chǔ)能站設(shè)計(jì)模塊化方案的可行性。 模塊化［3-5］建設(shè)是指依據(jù)功能緊密性、布局緊湊性、運(yùn)輸方便性及外形接口標(biāo)準(zhǔn)化的原則， 對(duì)儲(chǔ)能電站設(shè)備進(jìn)行模塊化劃分，合理化布置，標(biāo)準(zhǔn)化接口，系列化規(guī)模，從而提升設(shè)備的整合度和工廠預(yù)制化程度， 推動(dòng)模塊化組合設(shè)備的量化生產(chǎn)與規(guī)模效應(yīng)，減輕現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)施工工作量，全面提升儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)效率。

本研究對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電站模塊化建設(shè)方案［6-9］展開(kāi)研究，特別是針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電站預(yù)制艙式模塊化建設(shè)方案， 對(duì)儲(chǔ)能電站進(jìn)行規(guī)?；渲?，分析了模塊化子系統(tǒng)配置方案，提出了儲(chǔ)能電池艙、換流艙、變壓器艙的不同組合方式，縮短了儲(chǔ)能電站的建設(shè)周期，提高了運(yùn)行可靠性，提高了儲(chǔ)能電站建設(shè)的周期性。

1 儲(chǔ)能站建設(shè)方式

根據(jù)主要設(shè)備的布置方式及占地需求， 儲(chǔ)能站的模塊化建設(shè)方式主要可分為全戶(hù)外、半戶(hù)外和全戶(hù)內(nèi)3 種模式。 全戶(hù)外儲(chǔ)能電站是指儲(chǔ)能系統(tǒng)部分的所有設(shè)備均采用預(yù)制艙的型式，對(duì)設(shè)備進(jìn)行模塊化劃分，并規(guī)劃布置于不同標(biāo)準(zhǔn)尺寸的方艙內(nèi)，制定標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)外接口，所有模塊化設(shè)備事先在工廠內(nèi)完成預(yù)制安裝，分別整體運(yùn)輸至項(xiàng)目場(chǎng)地吊裝就位，并完成對(duì)外接線(xiàn)。 這種建設(shè)模式適用于工期要求特別緊急，中小型規(guī)模，場(chǎng)地充裕的儲(chǔ)能電站。 半戶(hù)外是指將儲(chǔ)能電池以艙式設(shè)備型式布置，其余設(shè)備布置于配電裝置樓內(nèi)，這種方式與全戶(hù)內(nèi)相比，減少了儲(chǔ)能樓，全站只需建設(shè)1 棟配電裝置樓即可。 由于儲(chǔ)能電站的電池安裝占據(jù)主要施工工作量， 如果儲(chǔ)能電池可以在工廠內(nèi)以預(yù)制艙的型式提前安裝接線(xiàn)， 并整體運(yùn)輸至項(xiàng)目場(chǎng)地，可以大幅減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，電池全部布置于地面一層，電池空間密度低，安全性得以提升，這種方式適用于工期要求緊，用地相對(duì)寬松的儲(chǔ)能電站。 全戶(hù)內(nèi)即含儲(chǔ)能設(shè)備及升壓站設(shè)備全部布置于建筑物內(nèi)的建設(shè)方式， 一般設(shè)置配電裝置樓和儲(chǔ)能樓， 升壓站設(shè)備及主要運(yùn)維室布置于配電裝置樓內(nèi)，儲(chǔ)能電池及變流器相關(guān)的一二次設(shè)備布置于儲(chǔ)能樓內(nèi)。這種方式可以顯著節(jié)省占地，并且與方艙式儲(chǔ)能電站不同，儲(chǔ)能電池便于集中布置，不受艙體大小限制，適合規(guī)模較大、用地受限的儲(chǔ)能電站。 本研究主要對(duì)全戶(hù)外儲(chǔ)能電站模塊化建設(shè)方案展開(kāi)研究。

2 模塊化劃分方案

集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可移動(dòng)、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)充、可拆卸等功能，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的大容量蓋度集成，當(dāng)前獲得廣泛的應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。依據(jù)ISO 標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)中最通用的尺寸規(guī)格，選擇20 尺、30 尺、40 尺3 種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。 Ⅰ-20 尺集裝箱：6 058 mm×2 438 mm×2 896 mm，Ⅱ-30 尺集裝箱：9 125 mm×2 438 mm×2 896 mm， Ⅲ-40 尺集裝箱：12 190 mm×2 438 mm×2 896 mm。

大規(guī)模儲(chǔ)能站模塊化設(shè)計(jì)主要針對(duì)幾種預(yù)制艙式儲(chǔ)能組合設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能艙主要可以分為儲(chǔ)能變壓器艙、換流器艙、 電池艙單獨(dú)艙體以及它們相互組合形成的變壓器換流艙、換流儲(chǔ)能電池艙、變壓器換流儲(chǔ)能電池艙組合艙體。

變壓器艙功能： 其中變壓器起著升高電壓或降低電壓的作用，分別對(duì)應(yīng)著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電或充電過(guò)程。

換流器艙功能：其中換流器即儲(chǔ)能變流器，可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。

儲(chǔ)能電池艙功能： 通過(guò)儲(chǔ)能的方式實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的削峰填谷，即在用電負(fù)荷低谷時(shí)段對(duì)電池充電，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段將存儲(chǔ)的電量釋放。

儲(chǔ)能站的模塊化建設(shè)模式主要有以下幾種預(yù)制艙式儲(chǔ)能組合設(shè)備模塊，見(jiàn)表1。

2.1 儲(chǔ)能子系統(tǒng)組合模式類(lèi)型

鑒于大規(guī)模儲(chǔ)能站，以電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能為主，具備調(diào)峰調(diào)頻能力，所以暫時(shí)按0.5C 倍率考慮儲(chǔ)能電池，組建子系統(tǒng)方案。 儲(chǔ)能站的模塊化建設(shè)模式主要有以下6 種預(yù)制艙式儲(chǔ)能子系統(tǒng)組合模式。

（1）分艙子系統(tǒng)組合模式。 分艙子系統(tǒng)組合模式含變壓器艙、換流艙、儲(chǔ)能電池艙3 種艙體。

（2）雙艙子系統(tǒng)組合模式。 ①雙艙子系統(tǒng)組合模式（一）含變壓器換流艙、儲(chǔ)能電池艙2 種艙體。 ②雙艙子系統(tǒng)組合模式（二）含變壓器艙、換流儲(chǔ)能電池艙2 種艙體。

（3）單艙子系統(tǒng)組合模式。 單艙子系統(tǒng)組合模式含變壓器換流儲(chǔ)能電池艙1 種艙體。

2.2 儲(chǔ)能子系統(tǒng)組合模式

儲(chǔ)能站可分為全戶(hù)外儲(chǔ)能站、半戶(hù)外儲(chǔ)能站、全戶(hù)內(nèi)儲(chǔ)能站3 種類(lèi)型。

（1）全戶(hù)外儲(chǔ)能站可采取子系統(tǒng)組合模式如下：

①分艙子系統(tǒng)組合模式：變壓器艙+換流艙+儲(chǔ)能電池艙。

此分艙子系統(tǒng)組合模式為變壓器艙、換流艙、儲(chǔ)能電池艙三種獨(dú)立艙體組合在一起。

②雙艙子系統(tǒng)組合模式 （一）： 變壓器換流艙+儲(chǔ)能電池艙。

此雙艙子系統(tǒng)組合模式（一）為變壓器換流艙、儲(chǔ)能電池艙兩種獨(dú)立艙體組合在一起。

③雙艙子系統(tǒng)組合模式 （二）： 變壓器艙+換流儲(chǔ)能電池艙。

此雙艙子系統(tǒng)組合模式（二）為變壓器艙、換流儲(chǔ)能電池艙兩種獨(dú)立艙體組合在一起。

④單艙子系統(tǒng)模式：變壓器換流儲(chǔ)能艙。

此單艙子系統(tǒng)模式為變壓器換流儲(chǔ)能艙一種獨(dú)立艙體。

（2）半戶(hù)外儲(chǔ)能站采取子系統(tǒng)組合模式如下：

①變壓器戶(hù)內(nèi)布置，換流器、儲(chǔ)能電池戶(hù)外布置方式：換流艙+儲(chǔ)能電池艙；

此模式為變壓器戶(hù)內(nèi)布置， 換流器和儲(chǔ)能電池兩種艙體戶(hù)外布置。

②變壓器、換流器戶(hù)內(nèi)布置，儲(chǔ)能電池戶(hù)外布置方式：儲(chǔ)能電池艙。

（3）全戶(hù)內(nèi)儲(chǔ)能站，設(shè)備均布置于戶(hù)內(nèi)，不帶戶(hù)外艙體。

3 全戶(hù)外站模塊化建設(shè)方案

同容量等級(jí)儲(chǔ)能站以單位容量占地最小、艙數(shù)最少、主設(shè)備最少為原則。 其中控制成本最重要的2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)是單位面積（m2）的容量和單位容量（MWh）的艙體個(gè)數(shù)，其次就是單位容量（MWh）的電纜根數(shù)。 本研究以容量密度、單位容量艙體個(gè)數(shù)、單位容量電纜根數(shù)為主要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)不同子系統(tǒng)模塊組合方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式

子系統(tǒng)模塊分艙組合方式見(jiàn)表2。子系統(tǒng)方案1 與子系統(tǒng)方案2 的對(duì)比： 這2 種方案變壓器艙均配置2 臺(tái)大容量變壓器共5 000 kVA， 儲(chǔ)能電池艙均配置4 個(gè)， 容量總共10 000 kWh；換流艙方案1 配置8 臺(tái)每臺(tái)630 kW 換流器，方案2 配置12 臺(tái)每臺(tái)500 kW 換流器。這2 個(gè)方案參數(shù)基本相同，但方案1 的每平方米容量密度為21.6 kWh/m2，優(yōu)于方案2。

子系統(tǒng)方案3 與子系統(tǒng)方案1、2 的對(duì)比： 方案1、2 是1個(gè)變壓器艙配1 個(gè)換流艙和4 個(gè)儲(chǔ)能電池艙， 方案3 是2 個(gè)相同規(guī)模的變壓器艙配1 個(gè)大功率的換流艙和8 個(gè)儲(chǔ)能電池艙， 容量密度為22.0 kWh/m2， 艙數(shù)0.55 個(gè)/MWh 均優(yōu)于方案1、2；方案1、2 艙體總數(shù)均為6 個(gè)作為一個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)相對(duì)比較小，易于靈活運(yùn)用，適合儲(chǔ)能站的擴(kuò)建，方案3 艙體總數(shù)為11 個(gè)作為一個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)相對(duì)比較大，相對(duì)配套設(shè)備較多，易受場(chǎng)地限制；并機(jī)數(shù)量方案1、3 優(yōu)于方案2，方案2 為6臺(tái)并機(jī)，多于正常并機(jī)數(shù)5 臺(tái)，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以不予推薦。

表1 幾種預(yù)制艙式儲(chǔ)能組合設(shè)備模塊

表2 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式

分艙組合方式特點(diǎn)：界面清晰，布置靈活，但接線(xiàn)較多。

（1）分艙組合方式子系統(tǒng)方案1：并機(jī)數(shù)量合適，PCS 容量浪費(fèi)少，場(chǎng)地布置較靈活，占地略大。

（2）分艙組合方式子系統(tǒng)方案2：并機(jī)臺(tái)數(shù)6 臺(tái)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，占地大，每MWh 電纜根數(shù)最多，不推薦。

（3）分艙組合方式子系統(tǒng)方案3：并機(jī)臺(tái)數(shù)適合，但配套設(shè)備多，PCS 容量浪費(fèi)多。

從以上內(nèi)容看， 子系統(tǒng)方案1 的每平方容量密度為18.1 kWh/m2，每MWh 艙數(shù)1 個(gè)，比起子系統(tǒng)方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 艙數(shù)值高，每MWh 電纜根數(shù)多，所以不推薦選用子系統(tǒng)方案1。

子系統(tǒng)方案2、 子系統(tǒng)方案3 每平方米容量密度值、每MWh 艙數(shù)值和每MWh 電纜根數(shù)值相對(duì)方案1 較好。

子系統(tǒng)方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 艙數(shù)值好，方案6 每MWh 電纜根數(shù)值較優(yōu)，但方案5、6 總艙數(shù)相對(duì)較多。

3.2 子系統(tǒng)模塊雙艙組合方式

3.2.1 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式（一）具體見(jiàn)表3。

子系統(tǒng)方案1 容量密度為18.1 kWh/m2， 艙數(shù)1 個(gè)/MWh，比起子系統(tǒng)方案2～6 看，每平方米容量密度值低，每MWh 艙數(shù)值高，每MWh 電纜根數(shù)多，所以不推薦選用子系統(tǒng)方案1。

子系統(tǒng)方案2、 子系統(tǒng)方案3 每平方米容量密度值、每MWh 艙數(shù)值和每MWh 電纜根數(shù)值相對(duì)方案1 較好。

子系統(tǒng)方案4、5、6 相比方案1、2、3 每平方米容量密度值和每MWh 艙數(shù)值好，方案6 每MWh 電纜根數(shù)值較優(yōu)，但方案5、6 總艙數(shù)相對(duì)較多。

雙艙組合方式（一）特點(diǎn)：升壓換流艙與儲(chǔ)能電池艙的組合方式界面清晰，便于實(shí)施。

（1）雙艙組合方式子系統(tǒng)方案1：并機(jī)數(shù)量合適，但每平方米容量密度值、每MWh 艙數(shù)值和每MWh 電纜根數(shù)值不佳，不予推薦。

（2）雙艙組合方式子系統(tǒng)方案2、3：并機(jī)數(shù)量合適，每平方米容量密度值和每MWh 艙數(shù)值一般。

（3）雙艙組合方式子系統(tǒng)方案4、5：方案4 每平方米容量密度值較優(yōu)，每MWh 艙數(shù)值最少，并機(jī)數(shù)量合理，布局相對(duì)靈活，場(chǎng)地受限情況下優(yōu)先考慮。 方案5 次于方案4。

表3 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式一

表4 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式二

表5 子系統(tǒng)模塊單艙組合方式

（4）雙艙組合方式子系統(tǒng)方案6：每平方米容量密度值最優(yōu)，每MWh 艙數(shù)值較少，每MWh 電纜根數(shù)值較優(yōu)，規(guī)模較大的儲(chǔ)能站推薦用此方案。

3.2.2 子系統(tǒng)模塊分艙組合方式（二）

雙艙組合方式（二）特點(diǎn)：升壓艙與換流儲(chǔ)能電池艙的組合方式界面不清晰，預(yù)制艙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

從以上表格中看出子系統(tǒng)方案9、10 的每平方米容量密度值、每MWh 艙數(shù)值、每MWh 艙數(shù)值和每MWh 電纜根數(shù)值優(yōu)于子系統(tǒng)方案7、8， 方案7 每平方米容量密度值最低，每MWh 艙數(shù)值最高，每MWh 電纜根數(shù)值最高，而方案10 的每平方米容量密度值、 每MWh 艙數(shù)值和每MWh 電纜根數(shù)值最優(yōu)。

3.3 子系統(tǒng)模塊單艙組合方式

單艙組合方式特點(diǎn)：系統(tǒng)獨(dú)立，并機(jī)數(shù)量少，附屬設(shè)備冗余，每平方米容量密度值和每MWh 艙數(shù)值不佳，適合小型規(guī)模儲(chǔ)能站。

4 總結(jié)

本研究提出了大規(guī)模儲(chǔ)能電站模塊化建設(shè)方案， 提出了儲(chǔ)能電池艙、換流艙、變壓器艙的不同組合方式。 針對(duì)全戶(hù)外儲(chǔ)能電站模塊化建設(shè)方案， 提出了全戶(hù)外儲(chǔ)能電站的子系統(tǒng)模塊分艙、雙艙、單艙組合方式的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。 根據(jù)容量密度、 單位容量艙體個(gè)數(shù)等指標(biāo)對(duì)不同子系統(tǒng)模塊化方案進(jìn)行對(duì)比分析，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。