李建輝，劉 洋，唐 俊

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2022》不完全統(tǒng)計(jì)，截止2021年底，我國新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中89.7%采用鋰電池作為儲(chǔ)能電池。采用預(yù)制艙式的儲(chǔ)能電站具有施工周期短、施工質(zhì)量便于把控、占地面積小、總投資較小等優(yōu)點(diǎn)，一大批預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行，容量不斷刷新[1]。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)長期面臨的最大問題是電池能量密度不能做到足夠大，自鉛酸電池發(fā)明一百多年來，人類花費(fèi)了數(shù)千億美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，然而從鉛酸電池的90 Wh/kg到鋰離子電池260 Wh/kg，電池能量密度并沒有得到根本改變，儲(chǔ)能電池容量提升將跟不上儲(chǔ)能變流器(power conversion system，PCS)的更新?lián)Q代速度，能量密度限制了單個(gè)預(yù)制式電池集裝箱(簡(jiǎn)稱“電池艙”)的裝機(jī)容量。文獻(xiàn)[2]中提出當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)亟須解決的問題包括降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本和提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。而采用非步入式電池集裝箱能夠最大化的提高單元裝機(jī)容量，能夠降低工程造價(jià)，提高系統(tǒng)安全性，在當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)下是一種不錯(cuò)的選擇。本文以某運(yùn)行功率60 MW、總?cè)萘?20 MWh的儲(chǔ)能電站(簡(jiǎn)稱“60 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站”)為例，對(duì)儲(chǔ)能電池采用非步入式集裝箱(冷卻方式為風(fēng)冷)搭配PCS的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為未來大規(guī)模儲(chǔ)能電站的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 模塊化預(yù)制艙在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

預(yù)制艙是由預(yù)制艙體、一二次設(shè)備、艙體輔助設(shè)施等組成，在工廠內(nèi)完成制作、組裝、配線、調(diào)試等工作，并作為一個(gè)整體運(yùn)輸至工程現(xiàn)場(chǎng)，就位于安裝基礎(chǔ)上。預(yù)制艙及其內(nèi)部的一二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)整套由廠家集成，實(shí)現(xiàn)工廠化加工，減少現(xiàn)場(chǎng)一二次接線，減少設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、工作量，簡(jiǎn)化檢修維護(hù)工作，縮短建設(shè)周期，有效支撐了項(xiàng)目的快速建設(shè)。采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙體布置形式，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池、PCS和升壓變不必分別進(jìn)行集中布置，可采用全戶外一對(duì)一或一對(duì)多布置，儲(chǔ)能單元相對(duì)獨(dú)立，易于安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)。

電池艙和PCS升壓艙的選型和布置是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)整個(gè)電站的安全和造價(jià)起決定性作用，目前的PCS更新?lián)Q代較快，電池技術(shù)相對(duì)發(fā)展較慢，需要結(jié)合具體工程對(duì)該儲(chǔ)能電站中儲(chǔ)能單元配置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便提高系統(tǒng)的安全性和降低工程造價(jià)。

1.1 PCS升壓艙模塊設(shè)計(jì)

在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，PCS連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負(fù)荷)之間，是實(shí)現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)換的裝置，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的存儲(chǔ)電能與釋放電能的過程，進(jìn)行整流與逆變操作，同時(shí)在電網(wǎng)掉電的應(yīng)用場(chǎng)所可以輸出交流電，為交流負(fù)荷供電[3]，根據(jù)需要工作于不同模式。

常規(guī)戶外布置儲(chǔ)能電站均由PCS和升壓變壓器組成PCS升壓艙。升壓變壓器容量從幾百kVA到幾百M(fèi)VA均有成熟產(chǎn)品，易于選擇配置，由PCS升壓艙集成商成套提供。在儲(chǔ)能電站容量核定的情況下，為了降低儲(chǔ)能電站的成本，使用較高電壓等級(jí)的PCS提高系統(tǒng)功率是必然的選擇。目前PCS主流有直流端輸入電壓1 000 V和1 500 V兩類產(chǎn)品，功率主要有250 kW、500 kW、630 kW、750 kW、1 000 kW、1 250 kW、1 500 kW、2 000 kW及以上幾種規(guī)格，采用直流端輸入電壓1 500 V功率在1 000 kW以上的PCS即將成為儲(chǔ)能電站主流應(yīng)用。

1.2 電池艙模塊設(shè)計(jì)

電池艙(以當(dāng)前儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用最多的磷酸鐵鋰電池為例)按照運(yùn)維通道設(shè)計(jì)，分為步入式和非步入式兩種類型。步入式電池集裝箱主要采用短端雙開門設(shè)計(jì)，內(nèi)設(shè)人工操作空間及運(yùn)維通道等，內(nèi)部通道只能用于BESS設(shè)備的檢查、維護(hù)和維修，步入式電池集裝箱的布置如圖1所示。受制于電池性能和容量的限制，目前40呎電池集裝箱步入式方案最大裝機(jī)容量約3.84 MWh。國內(nèi)投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目，考慮到防護(hù)等級(jí)、溫度控制、運(yùn)行維護(hù)、消防滅火等原因，其電池集裝箱大多以步入式為主，隨著目前大功率PCS的應(yīng)用，主流儲(chǔ)能單元總功率已達(dá)2.5 MW(單個(gè)PCS額定功率1.25 MW)及以上，按照時(shí)長2 h的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，其儲(chǔ)能電池所需容量已超過5 MWh，而步入式集裝箱安裝電池容量較小，單套儲(chǔ)能單元不得不配置2臺(tái)儲(chǔ)能電池艙。

圖1 步入式電池集裝箱布置示意圖

非步入式電池集裝箱則為緊湊型設(shè)計(jì)，內(nèi)部不設(shè)操作空間和運(yùn)維通道，對(duì)設(shè)備的操作與運(yùn)維全部在箱外完成，主要為兩側(cè)開門，人不能進(jìn)入集裝箱內(nèi)部停留，非步入式電池集裝箱的布置如圖2所示。目前40呎電池集裝箱非步入式方案，最大裝機(jī)量約5.76 MWh。

圖2 非步入式電池集裝箱布置示意圖

相比步入式電池集裝箱，非步入式電池集裝箱方案電池簇體積更大，一臺(tái)集裝箱電池裝機(jī)容量更高。非步入式集裝箱方案100%外維護(hù)，人不進(jìn)入箱體內(nèi)部，降低了人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著我國電池儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，非步入式集裝箱在防護(hù)等級(jí)、溫度控制、運(yùn)行維護(hù)、消防滅火等方面得到突破性進(jìn)展，其技術(shù)日趨成熟，加之儲(chǔ)能行業(yè)各種標(biāo)準(zhǔn)的制定和進(jìn)一步完善，非步入式集裝箱將在國內(nèi)儲(chǔ)能電站中廣泛使用。

1.3 儲(chǔ)能單元模塊化布置設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能單元是指由電池組、電池管理系統(tǒng)及其相連的功率變換系統(tǒng)組成的最小儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般由一臺(tái)PCS升壓艙與配套電池艙組成，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能單元的組成

預(yù)制艙各模塊的占地面積固定，可根據(jù)選址靈活安排各艙的位置，也可根據(jù)儲(chǔ)能電站的容量需求計(jì)算需要的模塊數(shù)量，從而估算大致的需求占地面積，方便選址工作的開展。為了方便接線和節(jié)約電纜，一般每臺(tái)PCS升壓艙與儲(chǔ)能電池艙采取就近一一對(duì)應(yīng)布置[1]。

由于運(yùn)輸原因，國內(nèi)儲(chǔ)能電站所使用的單體電池集裝箱尺寸一般為40呎和45呎兩種尺寸，本項(xiàng)目以40呎電池集裝箱展開設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的PCS和儲(chǔ)能電池容量的搭配，全戶外預(yù)制艙式儲(chǔ)能電站單套儲(chǔ)能單元典型的布置方案主要有以下3種：

方案一：?jiǎn)翁變?chǔ)能單元由1臺(tái)PCS升壓艙和1臺(tái)40呎電池艙構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能單元布置方案一

方案二：?jiǎn)翁變?chǔ)能單元由1臺(tái)PCS升壓艙和2臺(tái)40呎電池艙構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能單元布置方案二

方案三：?jiǎn)翁變?chǔ)能單元構(gòu)成同方案2，為節(jié)約占地面積，考慮在2臺(tái)40呎儲(chǔ)能電池艙之間修建防火墻，如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能單元布置方案三

三種布置方案，最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)省占地面積的是方案一，單套儲(chǔ)能單元由1臺(tái)PCS升壓艙和1臺(tái)電池艙構(gòu)成。往往受制于單臺(tái)預(yù)制艙可安裝蓄電池總?cè)萘康南拗?，?shí)際投運(yùn)的項(xiàng)目中采用1臺(tái)PCS升壓艙和2臺(tái)電池艙組成儲(chǔ)能單元的方案較多。《電化學(xué)儲(chǔ)能電站典型設(shè)計(jì)》中，多種儲(chǔ)能電站布置基本均采用了單套儲(chǔ)能單元由2臺(tái)電池艙間加裝防火墻的設(shè)計(jì)方案。

而采用非步入式電池集裝箱的方案，40呎集裝箱安裝電池容量可以超過5 MWh，單套儲(chǔ)能單元可以由1臺(tái)PCS升壓艙和1臺(tái)40呎電池艙構(gòu)成，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單且利于設(shè)計(jì)和運(yùn)維，也不需要加裝防火墻，其不僅降低了占地面積，節(jié)省了初期投入，同時(shí)其采用100%外部運(yùn)維設(shè)計(jì)，還降低了人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性。

2 采用非步入式電池集裝箱解決方案

由于目前40呎步入式電池集裝箱最大裝機(jī)容量約3.84 MWh，如果想采用大功率的PCS則必須配置2臺(tái)40呎電池集裝箱，甚至儲(chǔ)能單元還采用多種規(guī)格的搭配，不利于采購、布置、安裝和運(yùn)維。因此本儲(chǔ)能項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提出一種更為合理的解決方案：即儲(chǔ)能單元采用1套PCS升壓艙(2臺(tái)1 250 kW PCS +1臺(tái)2 500 kVA變壓器組成)，配套1臺(tái)40呎非步入式5 MWh儲(chǔ)能電池艙，單套儲(chǔ)能單元標(biāo)稱功率/容量為2.5 MW/5 MWh，60 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站共計(jì)需24套儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能系統(tǒng)部分的布置如圖7所示。

圖7 60 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站布置圖

60 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站電池艙采用非步入式集裝箱方案后，相比按照步入式電池艙方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，總共節(jié)省24個(gè)40呎電池集裝箱艙體(含暖通及消防設(shè)計(jì))及基礎(chǔ)，儲(chǔ)能系統(tǒng)部分節(jié)省占地約40%(相比采用加裝防火墻方案節(jié)省占地約30%，另外節(jié)省24堵防火墻)。目前一座60 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能部分總造價(jià)約2.22億元(估算方式：電池按1.5元/Wh、PCS 按0.15元/Wh，土建按0.2元/Wh)，本項(xiàng)目?jī)?yōu)化后按照1個(gè)40呎電池集裝箱箱體造價(jià)約20～25萬元、1個(gè)40呎電池集裝箱基礎(chǔ)加1堵防火墻土建費(fèi)用約4.5萬元，共計(jì)節(jié)約24套，初步估算可節(jié)省投資約600萬元，約占儲(chǔ)能系統(tǒng)總造價(jià)的2.7%。

3 結(jié)論

結(jié)合目前電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和商業(yè)化發(fā)展方向，中大型儲(chǔ)能電站推薦采用直流側(cè)1 500 V輸入的大功率PCS和非步入式電池集裝箱，非步入式電池集裝箱不僅能夠最大化的提高單元裝機(jī)容量和儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性，節(jié)省占地，還可以節(jié)省儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)約2.7%。