練志斌,劉文平,羅海鑫,侯 偉,曾 威

(南方電網(wǎng)廣東中山供電局,廣東 中山 528401)

0 引 言

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,儲(chǔ)能電站廣泛用于新能源發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、通信基站等領(lǐng)域[1-2]。新型電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)峰調(diào)頻、靈活輸出、無(wú)功支撐等功能提出更高要求,隨著新能源裝機(jī)容量不斷增加,導(dǎo)致傳統(tǒng)電源調(diào)峰調(diào)頻能力不足,對(duì)新能源的消納與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響,儲(chǔ)能電站在調(diào)峰調(diào)頻方面的性能和應(yīng)用效果逐步被驗(yàn)證[3]。電化學(xué)儲(chǔ)能成本低、可靠性高,正逐漸成為發(fā)展主力。

歐洲自2019年開始實(shí)施清潔能源計(jì)劃(clean energy programme, CEP),積極推動(dòng)儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè),裝機(jī)容量不斷增加;美國(guó)得益于政策的大力支持,近2年大型儲(chǔ)能項(xiàng)目快速增加;中國(guó)在“十四五”雙碳戰(zhàn)略提出后,儲(chǔ)能項(xiàng)目得到國(guó)家大力扶持,儲(chǔ)能裝機(jī)量迎來高速發(fā)展期[4-5]。據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的數(shù)據(jù),2021年中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)容量高達(dá)42.66 GW,其中電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量為2.18 GW,增速達(dá)85%。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站開展了相應(yīng)研究,文獻(xiàn)[6]建立一種改進(jìn)人工蜂群算法的儲(chǔ)能能量管理模型,提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率;文獻(xiàn)[7]建立三電平儲(chǔ)能變流器(power conversion system, PCS)模型,采用PI控制算法控制PCS的輸出功率,從而增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力;文獻(xiàn)[8]建立基于復(fù)合相變材料與空氣冷卻的儲(chǔ)能電池?zé)峁芾砟Ｐ?并對(duì)空氣冷卻與相變材料冷卻進(jìn)行了仿真分析;文獻(xiàn)[9]提出電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)的預(yù)警和控制技術(shù),降低了火災(zāi)發(fā)生的概率;文獻(xiàn)[10]分析了目前電化學(xué)儲(chǔ)能電站存在的風(fēng)險(xiǎn),通過建立安全應(yīng)急平臺(tái),監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電站運(yùn)行狀況。以上文獻(xiàn)注重理論分析,缺乏實(shí)際應(yīng)用,未有效解決現(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能電站存在的適應(yīng)性、安全性、穩(wěn)定性等問題。如何提升供電能力、提高供電質(zhì)量、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性是一個(gè)迫切需要解決的問題。

該文提出并研制了一種10 kV電化學(xué)儲(chǔ)能電站,應(yīng)用一體化能量管理平臺(tái)技術(shù)、儲(chǔ)能雙向變流器技術(shù)、風(fēng)冷式熱管理技術(shù)、電池自動(dòng)滅火技術(shù),具有供電可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、智能化水平高等特點(diǎn)。

1 儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

方案按照《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè),儲(chǔ)能電站的主接線采用單母線單分段兩段母線接線方式,一次接線如圖1所示。這種電氣主接線具有接線簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)規(guī)模如表1所示。

圖1 儲(chǔ)能電站一次主接線圖

表1 儲(chǔ)能電站建設(shè)規(guī)模Table 1 Energy storage power station construction scale

站內(nèi)設(shè)備艙室一、二次設(shè)備先在工廠內(nèi)安裝,然后將預(yù)制艙單元通過汽車運(yùn)輸至作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)拼接。該站主要設(shè)備包括5個(gè)1 MW·h/3 MW·h儲(chǔ)能變室預(yù)制艙、3個(gè)儲(chǔ)能變預(yù)制艙、1個(gè)10 kV高壓室預(yù)制艙、1個(gè)主控室預(yù)制艙、1個(gè)站變室預(yù)制艙、1個(gè)備品備件及安全工具艙,儲(chǔ)能電站分布如圖2所示。儲(chǔ)能電池艙主要由磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)、儲(chǔ)能變流器、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等構(gòu)成,1 MW·h/3 MW·h儲(chǔ)能裝置艙經(jīng)箱變升壓至10 kV后接入一次設(shè)備艙,一次設(shè)備艙完成升壓后電能的匯集和向電網(wǎng)的輸送,二次設(shè)備艙包括繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備、通信設(shè)備,儲(chǔ)能電站分布圖如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能電站分布圖

1.2 儲(chǔ)能電站主要模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 主控室預(yù)制艙

主控室預(yù)制艙包括艙體、屏柜、電纜通道、主控臺(tái)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)。艙體內(nèi)外墻由多塊水平布置的橫板拼接而成,之間填充阻燃、隔熱、保溫、耐高低溫材料;屏柜包括兩列屏柜平行間隔設(shè)置于艙體內(nèi),其中有1個(gè)蓄電池屏柜,作為儲(chǔ)能電站直流系統(tǒng)的備用電源;電纜通道包括多個(gè)收集電纜的電纜盒;主控臺(tái)設(shè)置于艙體內(nèi),監(jiān)控計(jì)算機(jī)放置于主控臺(tái)上方。圖3所示為主控室外觀圖。

圖3 主控室外觀圖

1.2.2 儲(chǔ)能變室預(yù)制艙

儲(chǔ)能變室預(yù)制艙包括艙體、儲(chǔ)能變壓器、變低負(fù)荷開關(guān)柜、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)。儲(chǔ)能變壓器由變壓器本體、散熱器、減振器組成,艙體內(nèi)安裝座上的兩側(cè)設(shè)置有交錯(cuò)的通風(fēng)口,散熱器通過溫度傳感器檢測(cè)艙體內(nèi)的溫度值控制風(fēng)機(jī)的功率,變壓器本體設(shè)置于安裝座底部的減振器上。通過交錯(cuò)設(shè)置的通風(fēng)口,可以避免兩側(cè)的風(fēng)機(jī)對(duì)吹,配合溫度感應(yīng)器,可以根據(jù)艙體內(nèi)的溫度改變風(fēng)機(jī)的功率,實(shí)現(xiàn)為艙體內(nèi)的儲(chǔ)能變壓器本體降溫;通過減振器可以降低運(yùn)行過程中本體的振動(dòng)。消防系統(tǒng)包括消防控制主機(jī)、噴淋器與火災(zāi)探測(cè)器,當(dāng)煙霧濃度值超過設(shè)定濃度值時(shí),控制器控制噴淋器啟動(dòng)。圖4所示為儲(chǔ)能變室外觀圖。

圖4 儲(chǔ)能變室外觀圖

1.2.3 儲(chǔ)能電池室預(yù)制艙

儲(chǔ)能電池室預(yù)制艙包括艙體、儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)。儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)艙包含5個(gè)電池儲(chǔ)能分系統(tǒng),每個(gè)儲(chǔ)能分系統(tǒng)包含蓄電池分系統(tǒng)、蓄電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),其中蓄電池分系統(tǒng)包括16個(gè)蓄電池簇,1個(gè)蓄電池簇包括15個(gè)電池模塊,1個(gè)電池模塊里面包含多個(gè)單節(jié)蓄電池。每個(gè)電池模塊自帶風(fēng)機(jī)散熱,通過其自身攜帶的電池簇管理單元將電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給儲(chǔ)能電站主控系統(tǒng),儲(chǔ)能電站主控系統(tǒng)匯總所有電池簇管理單元的數(shù)據(jù)與微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能變流器協(xié)調(diào)控制優(yōu)化調(diào)整其整個(gè)儲(chǔ)能站的系統(tǒng)出力。并實(shí)時(shí)顯示異常數(shù)據(jù),如溫度過高、單節(jié)電池欠壓過壓、負(fù)荷電流過大、電池艙消防動(dòng)作、通信異常等異常信號(hào)。通過與電池艙消防系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng),在電池艙出現(xiàn)火災(zāi)問題時(shí)出口動(dòng)作跳開儲(chǔ)能站高壓側(cè)出線,有效保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備的安全。圖5所示為儲(chǔ)能電池室外觀圖。

圖5 儲(chǔ)能電池室外觀圖

1.2.4 站變室預(yù)制艙

站變室預(yù)制艙包括艙體、站用變壓器、交流柜和通風(fēng)系統(tǒng)。2個(gè)交流柜放置在2個(gè)站變之間,交流柜作為雙電源切換監(jiān)控,艙體兩邊分別設(shè)有艙門,便于運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)和檢查。通風(fēng)系統(tǒng)包括控制器、溫濕度傳感器、百葉窗和風(fēng)機(jī),當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到室內(nèi)溫濕度大于設(shè)定的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)定值時(shí),控制器控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)通風(fēng);當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到室內(nèi)溫濕度小于風(fēng)機(jī)設(shè)定的風(fēng)機(jī)停機(jī)定值時(shí),控制器控制風(fēng)機(jī)停機(jī),同時(shí)關(guān)閉活動(dòng)百葉,保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖6所示為站變室外觀圖。

圖6 站變室外觀圖

2 儲(chǔ)能電站關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一體化能量管理平臺(tái)技術(shù)

能量管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能站各個(gè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視與控制,監(jiān)視數(shù)據(jù)包括電壓、電流、AGC指令等。

該平臺(tái)具有遠(yuǎn)方AGC/AVC控制功能,EMS通過控制單臺(tái)PCS進(jìn)行啟停機(jī),充放電。在EMS分別合上直流斷路器和交流接觸器之后,EMS對(duì)單臺(tái)PCS進(jìn)行遙調(diào)功率,會(huì)在PCS監(jiān)控圖上的儀表盤和下方功率遙調(diào)位置顯示出來,如圖7所示。

圖7 PCS監(jiān)控圖

當(dāng)投入AGC控制模式后,遠(yuǎn)方調(diào)度依據(jù)系統(tǒng)要求,給儲(chǔ)能站發(fā)送AGC有功指令。在響應(yīng)遠(yuǎn)方AGC指令的同時(shí),實(shí)時(shí)計(jì)算AGC的上下限值,進(jìn)而計(jì)算響應(yīng)具體的出力,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

該平臺(tái)具有一次調(diào)頻功能,通過檢測(cè)儲(chǔ)能站進(jìn)線的電壓頻率設(shè)計(jì)儲(chǔ)能站一次調(diào)頻控制回路,補(bǔ)償量的計(jì)算在EMS控制器中實(shí)現(xiàn)。判斷測(cè)點(diǎn)頻率和額定頻率的差值是否大于死區(qū),據(jù)此來選擇調(diào)頻模式,分別為調(diào)頻休眠、一段式、二段式。調(diào)頻休眠功率值為0,但反向禁止功能依然生效。一段式和二段式分別通過其相對(duì)應(yīng)的模型生成功率值,進(jìn)行調(diào)頻。一次調(diào)頻功能在具有一次調(diào)頻投入允許的情況下,下發(fā)一次調(diào)頻投入的功能后才夠進(jìn)行。監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 一次調(diào)頻監(jiān)控圖

該平臺(tái)還有與遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)交互的功能,包括將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)動(dòng)機(jī),供調(diào)度讀取監(jiān)測(cè),也可以接收調(diào)度的遙調(diào)信號(hào),對(duì)于功率進(jìn)行遙調(diào)。遠(yuǎn)方調(diào)度可將計(jì)劃功率曲線下發(fā)到本地接收裝置,接收裝置根據(jù)時(shí)間將功率值下發(fā)至控制器并發(fā)出有功指令。

2.2 儲(chǔ)能雙向變流器技術(shù)

儲(chǔ)能變流器是電網(wǎng)與儲(chǔ)能電池之間的重要設(shè)備之一,能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷較低時(shí)將電能整流后存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中,負(fù)荷較高時(shí)將存儲(chǔ)的電能逆變后向電網(wǎng)輸出[11]。儲(chǔ)能雙向變流器技術(shù)通過充放電一體化的設(shè)計(jì),使交直流系統(tǒng)的電能雙向流動(dòng),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)充放電控制、切換并網(wǎng)與離網(wǎng)運(yùn)行方式、按指令削峰填谷、電能質(zhì)量控制、暫態(tài)故障錄波等功能。

當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)能電池虧電時(shí),首先采用恒流充電方式充電。此時(shí),為實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的恒流充電,采用電流雙閉環(huán)控制方式,將外環(huán)控制器采樣蓄電池的充電電流與給定充電電流指令值做比較。經(jīng)外環(huán)PI調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán)有功電流大小的給定。隨著恒流充電的進(jìn)行,電池的反電勢(shì)和端電壓不斷升高。當(dāng)電池的端電壓達(dá)到設(shè)定的最大容許電壓時(shí),充電過程進(jìn)入下一階段。

恒壓及浮充工作模式下,外環(huán)控制器采用定電壓控制方式。蓄電池的采集電壓值與給定電壓值比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定值,內(nèi)環(huán)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT,實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒壓充電。當(dāng)電池恒壓充電的電流逐漸減小至浮充電流時(shí),電池達(dá)到充滿電狀態(tài)。恒壓運(yùn)行一定時(shí)間后,裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充階段。PCS控制原理如圖9所示。

圖9 PCS控制原理圖

2.3 風(fēng)冷式熱管理技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理技術(shù)主要有風(fēng)冷、液冷和相變冷卻3種技術(shù),其中風(fēng)冷與液冷是目前較為成熟的技術(shù)[12-13],風(fēng)冷式熱管理技術(shù)在目前儲(chǔ)能系統(tǒng)中占主流地位。3種熱管理技術(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 熱管理技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of thermal management techniques

風(fēng)冷式熱管理技術(shù)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠,并且易于實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能電站風(fēng)冷系統(tǒng)由艙體、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、空調(diào)和風(fēng)道等組成。在電池艙外安裝2個(gè)大功率一體式空調(diào),通過一體式空調(diào)自帶的冷卻內(nèi)通道與艙內(nèi)熱量進(jìn)行空氣熱交換,從而達(dá)到將電池艙內(nèi)的熱量帶出艙外的效果。一體式空調(diào)省去空調(diào)內(nèi)掛機(jī)的安裝費(fèi)用,也便于維護(hù)和返廠檢修。一般電池艙一體式空調(diào)規(guī)格為950 mm×450 mm×300 mm左右,只需要一兩個(gè)檢修人員簡(jiǎn)單卸除螺絲固定螺栓就可以將整個(gè)設(shè)備拆除,不需要敷設(shè)復(fù)雜的熱傳導(dǎo)銅管,節(jié)省大量銅管費(fèi)用。且一體式空調(diào)貼近艙壁安裝,制冷空氣可以很好地?cái)U(kuò)散至旁邊的蓄電池附近,有效降低冷源擴(kuò)散,提高蓄電池的降溫效率。如果后期需要增加空調(diào),只需在電池艙艙壁的備用窗口卸除蓋板后直接掛上去密封好即可,方便日后的制冷系統(tǒng)擴(kuò)建。儲(chǔ)能電站風(fēng)冷系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能電站風(fēng)冷系統(tǒng)

2.4 電池室自動(dòng)滅火技術(shù)

電池室自動(dòng)滅火技術(shù)通過采用高靈敏度傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電池箱內(nèi)因電池故障而引起的溫度和煙霧濃度變化、特征氣體等早期特征,并綜合判斷燃燒階段,根據(jù)火災(zāi)情勢(shì)劃分3種不同的告警級(jí)別,對(duì)應(yīng)不同的啟動(dòng)策略,同時(shí)配置降溫型全氟己酮火災(zāi)抑制劑,具有“先斷電、后滅火”的效果,防止電池艙著火失控或火情波及相鄰間隔正在運(yùn)行中的電池艙,實(shí)現(xiàn)早期感知、智能判斷、火情抑制、阻隔熱擴(kuò)散條件,最大限度地保護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全。

3 應(yīng)用實(shí)例

所述方案應(yīng)用于中山供電局某儲(chǔ)能電站,儲(chǔ)能電站外觀如圖11所示,右上方為110 kV某變電站,下方為10 kV某儲(chǔ)能電站。變電站附近區(qū)域建設(shè)儲(chǔ)能電站更加方便能源的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存,也便于后期運(yùn)行人員維護(hù)管理。

圖11 儲(chǔ)能電站外觀圖

該儲(chǔ)能電站于2022年3月投運(yùn),運(yùn)行人員通過一年來的日常巡視維護(hù)工作,未見艙體滲水痕跡,隔熱、保溫性能良好,通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行正常。儲(chǔ)能站按平均每天充放電2次、放電深度90%、充電效率93.8%、全年消納天數(shù)350天計(jì)算,中山地區(qū)大工業(yè)峰段電價(jià)為1.07元/(kW·h),平段電價(jià)為0.64元/(kW·h),谷段電價(jià)為0.26元/(kW·h)。經(jīng)計(jì)算,該儲(chǔ)能電站一年收入為507.5萬(wàn)元,成本按70萬(wàn)元計(jì)算,利潤(rùn)為437.5萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為中山供電局首個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目,該儲(chǔ)能電站削峰填谷調(diào)節(jié)裝置工程,能夠減小變電站負(fù)荷峰谷差,提高站內(nèi)設(shè)備利用率,減少電網(wǎng)大規(guī)模轉(zhuǎn)送電的壓力;同時(shí),該儲(chǔ)能電站具有防風(fēng)防腐、保溫防水、通風(fēng)防塵、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),大大提升了運(yùn)維效率,具有很好的應(yīng)用、示范效益。