電網側電池儲能電站監控與調度管理系統
——評《電池儲能電站設計實用技術》

薛志榮

(1.江蘇省江陰中等專業學校,江蘇無錫 214433;2.江蘇聯合職業技術學院江陰中專辦學點,江蘇無錫 214433)

科技進步帶動了電化學技術的發展,以電化學技術為主導的電池儲能技術日益成熟。嚴亞兵等著的《電池儲能電站設計實用技術》一書,聚焦電化學電池儲能電站(BESS)的研究,首先對電池儲能技術及應用進行簡要介紹,并給出電池儲能技術的標準規范和BESS的設計規范,然后詳述BESS的設計原則和設備配置,接著介紹BESS接入電網的要求,最后,對BESS的防雷與消防設計方法進行具體說明。

1 電化學電池儲能技術及應用

電化學電池儲能的規模大,載體比能量高,充放電速度快,還能實現并網,應用范圍廣泛。基于電化學電池儲能技術,科研人員設計了BESS。BESS是以電化學電池為主要儲能元件的電站,可實現在用戶端和電網側電能的儲存、轉換及釋放。BESS由多個系統模塊組成,根據功能的不同,可劃分為儲能單元、功率變換系統(PCS)和監控調度系統等。儲能單元由電池組和電池管理系統(BMS)組成,通常設計成集裝箱方式,并配備空調,以保證電池穩定運行;PCS由變流器及控制系統組成,主要功能是實現電網電能和電池堆能量的相互傳輸;監控調度系統能夠實現故障診斷預警、優化調度等功能,確保BESS安全穩定運行。目前,電化學電池儲能已經商業化,很多國家建立了以電化學電池儲能技術為核心的儲能工程,如德國的BEWAG工程、美國的Oahu工程、愛爾蘭風電場和日本的Fukuoka工程,我國也建設了張北風光儲輸示范工程、長沙電化學電池儲能示范工程等。

2 電池儲能技術標準

在BESS的設計方面,目前也有很多標準,其中,強制性的國家標準是GB 51048 2014《電化學儲能電站設計規范》。該標準從選址、布局設計、儲能系統設計、電氣一次與二次設計、土建設計、消防設計和給排水設計等方面,對儲能電站的建設和運行進行了規范,意義重大。

3 BESS的設計原則及組成

BESS出現的時間并不長,相關技術還不太成熟。依據現行標準,BESS的設計要遵循以下原則:①儲能電池、PCS、BMS、監控與調度管理系統、電氣一次及二次系統和通信系統等必要組成設備及系統,不可或缺;②直流側電壓應小于1 kV;③盡量減少電池并聯的數量;④PCS應具備并網充放電功能;⑤應根據實際需求量,確定接入電網的電壓等級;⑥電氣主接線遵循運行可靠、維修方便等原則;⑦電站采用開放式網絡結構,由值班人員通過監控系統查看全局。

儲能電池作為BESS能量存儲的載體,占據重要的位置。BESS常用的電池有鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池等。鋰離子電池的能量密度高、效率高且壽命長,但成本偏高、低溫性能差;鉛酸電池可實現免維護運行,但使用壽命短、比能量低;液流電池的循環壽命長、可深度放電,但能效低、設備易被腐蝕;鈉硫電池的能量密度高、成本低廉且循環壽命長,但對運行環境的要求高,且維護較困難,易引發安全事故。目前,我國以鋰離子電池為載體的儲能技術應用較廣泛,BESS大多使用磷酸鐵鋰正極鋰離子電池。

BMS的主要功能是監控并收集電池的狀態參數信息(電池電壓、回路電流和系統電阻等),進行分析計算,并根據計算結果啟動相應的保護策略,保證儲能單元的正常運行。此外,BMS還能實現與其他系統設備(PCS、消防系統等)的信息交換,在出現故障時啟動整體的聯動控制,保證儲能電站的可靠并網運行。BMS一般由電池單體管理單元(BMU)、電池簇管理單元(BCU)和電池堆管理單元(BAU)等3部分構成。三者協調工作,以實現對電池系統的健康管理。

PCS將電池組和電網連接起來,使能量在兩者之間轉換。PCS由干式變壓器、直流電容、斷路器、交流濾波器、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)功率模塊和控制系統等構成,并通過脈沖寬度調制(PWM)技術,根據實際運行情況,利用控制算法控制電力電子開關,使電能在電池組與電網之間流動,實現能量的傳輸。目前,大部分BESS的PCS利用三相電壓型兩電平或三電平PWM整流器,以更方便地實現功率的雙向流動,確保輸出電流的平穩。在實際BESS中,PCS常用的拓撲類型有3種:①一級變換拓撲型,只包含交流電(AC)/直流電(DC),結構簡單,可靠性高,應用廣泛;②二級變換拓撲型,包含AC/DC和DC/DC,可實現功率的兩級變換,特點是適應性強,電池組容量可靈活控制,但兩級結構使功率轉換效率較低;③H橋連式拓撲型,特點是將多個H橋功率模塊串聯起來,易于模塊的封裝,還能實現高電壓輸出。

監控與調度管理系統具有故障診斷預警、優化調度決策、電網調節等功能。該系統將BESS與電網調度連接起來,系統將電網調度發出的指令傳送到電池的各個儲能單元,經過一系列分析計算后,確保BESS的安全平穩運行。常用的監控與調度管理系統由數據采集與監視控制(SCADA)工作站、操作員工作站、前置通信工作站、數據網關機、五防工作站、Web服務器、遠程工作站、保信子站、通信管理機和規約轉換器等構成,根據實際需要,以雙節點或者多節點方式運行。在設計監控與調度管理系統時,要遵循以下原則:①系統的設計要按照相關標準執行;②系統的配置和功能要與BESS的規模和需求相適應;③系統采用開放式分布式架構,確保當部分設備出現故障后,系統整體能夠正常運行;④系統應保持高冗余性;⑤系統軟件采用模塊化設計,以方便后續增加其他功能;⑥系統應具有強抗干擾性;⑦系統安全防護功能要到位,確保電力監控和調度網絡的安全。

電氣一次系統設計包括電氣一次設備的型號選擇、擺放位置確定、線路設計等。如在BESS接入時,不僅要考慮電站容量和電網電壓的等級,還要考慮電站的功率控制、無功補償裝置的配置等;在電氣主接線設計時,要考慮電站的電壓等級、容量線路的規劃等;在設備接入時,要注意線路的短路計算以及設備的絕緣配合。

4 BESS接入電網的要求

近年來,BESS的規模不斷擴大、容量不斷增加,接入電網時要確保足夠的安全性。2018年7月,我國發布了GB/T 36547-2018《電化學儲能系統接入電網技術規定》,對電化學儲能系統接入電網時的電壓等級、電能質量、功率控制和測試技術要求等進行了明確規定,為儲能變流器的設計提供了參考。在儲能變流器的并網控制算法設計中,利用鎖相環實現變流器與電網的同步,利用電流控制環實現電流控制,利用比例積分調節器實現有功功率控制和無功/電壓控制。在儲能變流器的保護設計中,應設置過/欠壓保護、過流保護、負序電流保護、絕緣監測和接地保護等。當系統檢測到狀況異常時,會發出警報聲,儲能變流器停止工作。GB/T 36547-2018對BESS的并網測試項目進行了詳細的規定,主要包括功率調節能力、過載能力、充放電響應、調節及轉換時間和電能質量等。該書以實際BESS(24 MW/48 MWh,1個總控集裝箱,24個電池集裝箱,1個10 kV小室)為例,進行并網測試實驗分析。結果表明:該儲能電站具備1.1倍頻額定功率過載能力,穩態偏差最大值為-5.72%。

5 BESS的防雷與消防設計

當發生雷擊時,BESS可能會受到影響,出現設備損壞、工作異常等情況,甚至會引發火災、爆炸等,因此,防雷設計尤為重要。一次設備的防雷包括整站的防雷和各一次設備的防雷。為使BESS免遭雷擊,可在站頂安裝金屬接閃針,將雷引入地下,實現整站的保護;BESS中的高壓配電設備和電池儲能單元,也可能因為雷電的襲擊造成損壞,可在這類設備的端口安裝避雷器和電涌保護器。此外,雷雨天氣時,常常伴隨雷電感應現象的發生,可能會干擾甚至損壞二次設備,因此,二次設備的防雷也很重要,主要遵循以下原則:①二次回路接地;②二次設備實現等電位連接;③電纜屏蔽層接地;④加增信號電涌保護器。在二次系統設計時,還要深入研究線路的整體布置,以減少被雷擊的概率。

社會實踐的發展，不斷提出需要解決的新課題，推動著人類的認識不斷發展，人們在總結實踐提供的新經驗基礎上，提出新理論，解決新問題。我國北方某縣在20世紀80年代開始發展大田糧食作物噴灌，不僅有效緩解了當地農業用水緊缺狀況，增加了城市供水，取得了實實在在的節水效益，而且在噴灌工程建設過程中充分調動多方積極性，做到了國家和地方、集體和農民共同投入，同時將土地經營規模適度集中，創造了噴灌技術的良好應用條件，加之良好的管理維護和澆地專業隊等服務網絡保障了噴灌系統的良好運行。正是因為對噴灌技術與設備的再認識，又把這些認識再次應用到具體的實踐中去，在新的認識水平上開展農業節水噴灌工作，才取得了長久效益。

BESS以鋰離子電池作為載體,在運行過程中,可能會出現過熱、短路和過度充放電現象,甚至引發火災,因此,BESS的消防設計必不可少。國內儲能電站通常配備介質為七氟丙烷的氣體滅火系統。這種方式的滅火效果并未得到有效驗證。近年來,人們提出了多種儲能電池消防技術,如基于全封閉消防管路的消防技術、基于物理隔離的消防技術等。這些技術的出現,有望提高儲能電池系統的安全性。

6 結語

《電池儲能電站設計實用技術》一書將理論知識與實際案例結合,介紹了電池儲能技術的發展及相關標準規范,詳述了BESS的設計原則、基本設備組成和BESS接入電網的要求,最后闡述了BESS的防雷與消防設計方法。該書內容清晰、圖文并茂,可供從事BESS設計的科研人員參考。

書名:電池儲能電站設計實用技術

作者:嚴亞兵等 編著

ISBN:9787519847944

出版社:中國電力出版社

出版時間:2020-12-01

定價:￥48.00元