基于預制艙的電網側儲能電站模塊化設計

劉 牛，徐 波，陳亞新

（國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

儲能作為能源服務新產品，是優質、可靠的毫秒級控制響應資源，可提供有功無功的雙重支撐，為電網提供調峰、調頻[1]、備用、事故應急響應等多種服務。為緩解地區夏季高峰期間供電壓力和提高地區電網可再生能源[2]就地消納水平、削峰填谷[3]能力，結合電化學儲能電站建設周期短、布點靈活的優勢，可規劃實施電網側儲能電站項目。電網側儲能電站主要由電池艙、PCS升壓艙、10 kV匯流艙、智能總控艙、SVG艙和站用變艙組成。本文通過采用標準預制艙體戶外布置形式和模塊化設計，可進一步縮短儲能電站的建設周期，提高投產效率。

1 電網側儲能電站的模塊化設計

1.1 預制艙模塊

采用標準預制艙體布置形式，實現設計方案的模塊化、設備基礎的通用化、施工建設的標準化，且艙內接線及單體設備調試要最大程度實現出廠前完成，以有效減少現場安裝、接線、調試工作，大大縮短建設周期。預制艙如圖1所示。表1則為一個8 MW/16 MW·h電網側儲能電站的各類預制艙的數量，本文以此為最小儲能單元進行模塊設計。

圖1 儲能電站預制艙

表1 預制艙模塊（8 MW/16 MW·h）

1.2 電池艙模塊

每座電池艙系統輸出容量為2 MW·h。儲能電池系統以磷酸鐵鋰電芯（3.2 V/40 Ah）為基本單元進行系統配置。每個U箱（20 V/320 Ah）由48個電芯按8并6串方式成組。將38個U箱按照串聯方式集成在具有散熱功能的鐵架內，組成一個標準電池簇（760 V/320 Ah），再由10個標準電池簇并聯，組成一個輸出容量為1 MW/2 MW·h的儲能電池單元。表2為1 MW/2 MW·h儲能電池各分類單元對應的數量，圖2為對應的電池艙模塊內部原理接線圖。本文電池艙模塊采用磷酸鐵鋰電池作為儲能介質，具有安全可靠性強、能量密度高[4]、充放電速率快以及使用壽命長的優點。

1.3 PCS升壓艙模塊

每座PCS升壓艙與儲能電池艙一一對應，如表3所示。每座PCS升壓艙含有2臺500 kW PCS變流器和1臺1 250 kVA變壓器，圖3為對應的PCS升壓艙內部原理接線圖。PCS變流器實現DC/AC轉換，將直流760 V轉化為交流315 V，然后由升壓變壓器升壓至10 kV，并分別接入兩段匯流母線。

表2 電池艙模塊

圖2 電池艙模塊

表3 PCS升壓艙模塊

圖3 PCS升壓艙模塊

1.4 10 kV Ⅰ段匯流母線模塊

如表4所示，每座10 kV匯流艙含2面儲能電池進線柜、1面SVG進線柜、1面母線設備柜、1面計量柜、1面出線柜及相關附屬設備。該模塊設計優化了電氣主接線，如圖4所示，將進線柜與PCS艙一一對應的形式優化為“一拖四”，將4座PCS艙相互連接后接入一面進線柜，大幅降低了設備成本，有效減少了占地面積。

1.5 預制艙模塊布局

預制艙各模塊的占地面積固定，可根據選址靈活安排各艙的位置，也可根據儲能電站的容量需求計算需要的模塊數量，從而估算大致的需求占地面積，方便選址工作的開展。為了方便接線和節約電纜，一般每座PCS升壓艙與儲能電池艙采取就近一一對應布置。電池艙與PCS升壓艙模塊布局如圖5所示。

圖5 布局圖

表4 10 kV Ⅰ段母線模塊

2 電網側儲能電站的模塊化應用

某儲能電站儲能系統（8 MW/16 MW·h）采用預制艙戶外布置方式，共設置8套儲能電池預制艙和8套PCS及升壓變成套裝置，每個電池預制艙容量為1 MW×2 h，采用40英尺非標預制艙。每座PCS升壓艙與儲能電池艙一一對應，每座PCS升壓艙含有2臺500 kW PCS變流器和1臺1 250 kVA雙繞組升壓變壓器。PCS變流器實現DC/AC轉換，將直流760 V轉化為交流315 V，然后由升壓變壓器升壓至10 kV并分別接入10 kV匯流母線。10 kV匯流艙含2面儲能電池進線柜、1面SVG進線柜、1面母線設備柜、1面計量柜、1面出線柜及相關附屬設備。每4座儲能電池艙與PCS升壓艙并聯接入10 kV匯流艙中的1面儲能電池進線柜。10 kV匯流母線通過10 kV匯流艙中的1面出線柜，將新建10 kV線路接入對側110 kV變電站10 kV開關柜。圖2為10 kV Ⅰ段匯流母線及其連接的設備。

圖4 10 kV Ⅰ段匯流母線及其連接的設備情況

如表5所示，當需要建設16 MW/32 MW·h儲能戰時，只需另外增加8座電池艙和8座PCS升壓艙。10 kV匯流艙由于采用40英尺非標預制艙，還有空間容納兩段10 kV匯流母線，只需新增同8 MW/16 MW·h儲能系統一樣的10 kV匯流母線并加裝分段開關及手車柜即可。同樣，建設表中其他容量儲能電站時只需成倍復制10 kV匯流母線、電池艙和對應的PCS升壓艙即可。但是，考慮到10 kV匯流艙的空間問題，3段以上的10 kV匯流母線需要另外增加10 kV匯流艙。8 MW/16 MW·h儲能系統由于只有一段10 kV匯流母線，站內所用變采取一臺開關柜對應一座站用變艙。表5中其他容量的儲能系統由于存在2段及2段以上10 kV匯流母線。為了滿足所內設備的供電可靠性，站內所用變可采取2臺開關柜對應2座站用變艙。此2臺開關柜一般布置在匯流艙中第一段母線和最后一段母線，因此中間段母線模塊中去掉所用變進線柜即可。

表5 幾種容量儲能電站的預制艙數量

3 結 論

綜上所述，理論上可無限擴展儲能電站的容量，但需要考慮實際需求、占地面積以及監控總量的控制。因此，電網側儲能電站的模塊化選擇應考慮以下注意事項。

（1）電網側儲能電站應采用“分散式布置、集中式控制”方式進行規劃、設計和建設，電網側儲能電站應由調度統一調控，應充分利用電網現有變電站資源進行建設。

（2）電網側儲能電站接入源網荷系統應能實現儲能設備從“負荷”向“電源”的毫秒級轉變，為高峰期間供電壓力提供緊急功率支撐[5]。比如，接入源網荷系統，通過源網荷終端、EMS和PCS緊密配合實現毫秒級控制。

（3）采用標準預制艙體布置形式，實現設計方案的模塊化、設備基礎的通用化、施工建設的標準化，從而縮短建設周期，節約建設成本。

（4）優化電氣主接線，將進線柜與PCS艙一一對應的形式優化為“一拖四”“一拖三”，將多面PCS艙相互連接后接入一臺進線柜，大幅降低設備成本，有效減少占地面積。

（5）要考慮整個監控接入的能力，目前每個電池艙有2萬個信號，一個24 MW/48 MW·h站需要24個電池艙，則整個儲能電站有50～60萬個信號。這么大的量接入整個監控，對整個監控的容量和數據分析提出了更高要求。所以，從整個數據量接入方面看，監控系統要支撐足夠多信號的接入。