2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統的設計

孫鳳雙

上海電氣集團股份有限公司輸配電分公司 上海 200050

1 設計背景

隨著風力發電、光伏發電等新能源發電容量的逐漸增大且不斷并網,并網所引起的波動性、隨機性使電網的穩定性變弱,不能滿足國家電網穩定可靠運行的要求。為了使輸出功率平滑穩定,同時減小棄風、棄光對企業經濟效益帶來的影響,在新能源市場急需一種新技術,集裝箱式儲能系統應運而生。集裝箱式儲能系統可以有效解決風光等新能源發電的波動性、隨機性,改善電網的電能質量,提高可再生能源的利用率,助力實現碳達峰、碳中和。集裝箱式儲能系統具有容量大、靈活性強、可靠性強、可擴展性強、安裝吊卸方便、適應環境能力強等優點。相對于傳統儲能電站,集裝箱式儲能系統還具有外形美觀、調試簡單、成本低等特點,特別適用于海拔高、嚴寒、海邊、沙漠等復雜惡劣環境中的并離網儲能需求[1-3]。

上海電氣風電集團基于市場需求,大膽嘗試,在廣東汕頭推出“能源互聯網+”示范項目。這一項目集風力發電、光伏發電、儲能于一體,探索在高比例可再生能源滲透條件下,通過網-源-荷-儲動態控制管理技術,保證供電的高可靠性和高電能質量,實現能源的自組織、自平衡、自優化。

“能源互聯網+”項目還設計了并離網無縫切換功能,利用儲能作為電池組的支撐,可以黑啟動進入孤島模式,為園區內部的重要負荷供電。

基于集裝箱式儲能系統的各種優點,“能源互聯網+”項目采用集裝箱式儲能,不同的系統布置在不同的集裝箱內,整個系統設置在園區內。

上海電氣輸配電集團技術中心為“能源互聯網+”項目設計了2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統。筆者以“能源互聯網+”項目為例,對2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統進行介紹。

2 “能源互聯網+”項目系統

“能源互聯網+”項目選址在廣東省汕頭市濠江區上海電氣海上風電產業園區內的上海電氣汕頭智慧能源基地。

“能源互聯網+”項目系統包括一臺8 MW海上風力發電機、一臺4 MW海上風力發電機、2.42 MW屋頂集中式光伏、2 MW/2 MWh儲能、汽車充電樁、智能樓宇監控設備、5G工廠物聯網系統、微網控制系統、能量調度管理平臺等,可以實現并離網狀態下的持續性供電。“能源互聯網+”項目系統拓撲如圖1所示。

圖1 “能源互聯網+”項目系統拓撲

3 主回路

2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統主要由集裝箱箱體、四臺500 kW儲能雙向變流器,一臺1 250 kVA、10 kV/0.38 kV變壓器,一臺1 250 kVA、10 kV/0.31 kV變壓器,一臺250 kVA、10 kV/0.38 kV隔離變壓器,以及配套高壓開關柜、低壓配電柜、就地監控系統柜組成,主要用于風力發電和光伏發電的新能源平滑出力。

兩臺儲能雙向變流器作為一組,這一組儲能雙向變流器的直流側接入680～907 V、500 kWh磷酸鐵鋰電池組,交流側接入1 250 kVA、10 kV/0.38 kV變壓器的二次側。另外兩臺儲能雙向變流器的直流側分別接入550～900 V、500 kWh液流電池組,交流側分別接入1 250 kVA、10 kV/0.31 kV變壓器的二次側。兩臺1 250 kVA變壓器的高壓側并聯接入10 kV高壓開關柜。系統的總輸出為2 MW、10 kV三相交流電,能量可以在直流側和交流側雙向流動。由于液流電池組和磷酸鐵鋰電池組的放電特性不同,因此對兩個電池組的充放電進行獨立控制管理。系統主回路如圖2所示。

圖2 2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統主回路

4 通信

就地監測系統通過通用面向對象變電站事件(GOOSE)光纖接口,接收園區繼保和微網控制器指令。內置規約轉換器,將通用面向對象變電站事件通信指令轉換為RS485通信指令,向四臺儲能雙向變流器發送開關機、工作模式、有功無功指令。通過兩路ModBus-TCP與鋰電池組和液流電池組的電池控制單元通信,在上報狀態和故障同時接收電池控制單元對儲能雙向變流器的停機指令。

本地監控裝置通過RS485通信協議和開關量輸入接口、模擬量輸入接口采集集裝箱箱體動力環境監控信息,以及儲能雙向變流器、變壓器、高壓開關柜、低壓配電柜的狀態。當溫度、電流等出現異常,或變壓器、儲能雙向變流器發生其它形式故障時,對系統進行停機保護,并將故障信息上傳記錄。

儲能雙向變流器和電池組之間通過控制器局域網絡通信和輸入輸出信號傳送狀態信息。監控系統通信架構如圖3所示。

圖3 監控系統通信架構

5 結構設計

2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統根據功能分為電氣室和變壓器室。集裝箱布局如圖4所示。

圖4 集裝箱布局

圖4中,左半部分為電氣室,內部布置有儲能雙向變流器、就地監測柜、空調內機等;右半部分為變壓器室,設置主變壓器和隔離變壓器。

6 防腐設計

6.1 箱體防腐

集裝箱箱體按照ISO 12944:2017《色漆和清漆 — 防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護》中C4H防腐等級進行防腐處理,使用年限長于15 a。

所有鋼材表面應進行噴砂或噴丸預處理。所有結構件在焊接拼裝完成后必須進行二次噴砂,然后才可以涂裝[4]。

集裝箱箱體涂裝無機鋅車間底漆、環氧富鋅底漆、環氧中間漆、聚氨脂面漆,保證5 a不變色。車間底漆的厚度不小于20μm。鋼構件外表面涂層總干漆膜厚度不小于240μm[4]。

現場焊接時和安裝后,對被破壞的漆面按照油漆修復工藝進行補漆。對于所有封閉的箱形結構,在封閉前對內表面進行油漆。

6.2 電氣設備防腐

對集裝箱箱體進出風口進行防腐設計。按照GB/T 4797.6—2013《環境條件分類 自然環境條件 塵、沙、鹽霧》和文獻[5],在海上和沿海地區,98%的鹽霧顆粒是直徑大于1.6μm 的顆粒。對此,在集裝箱百葉窗上加裝高等級空氣過濾棉,對鹽霧顆粒進行過濾,進而實現對集裝箱內部電氣設備的鹽霧防護。

選用高等級空氣過濾棉作為集裝箱進風過濾材質,其組成材質為聚對苯二甲酸乙二酯骨架無紡布和聚丙烯熔噴濾層,直徑為0.3μm 的顆粒過濾效率高于65%,能濾除絕大多數直徑大于0.3μm 的鹽霧顆粒。高等級空氣過濾棉的通風效率與普通防護濾棉基本持平,并且不影響通風散熱效果。

就地監測柜、低壓配電柜、變流器柜等的外殼均使用專用噴涂工藝和材料,使柜體達到ISO 12944:2017中的C3M防腐等級。

對電氣柜內銅排進行加厚鍍錫防護。鈑金件采用覆鋁鋅板,切口處做防護處理。對所有電路板進行防霉菌、防潮濕、防鹽霧處理。

7 子系統設計

7.1 高壓系統

高壓側采用10 kV高壓開關柜接入園區10 kV母線,一進兩出,一路通過高壓斷路器向并聯的兩臺1 250 kVA變壓器供電,一路通過負荷隔離開關加熔斷器向250 kVA隔離變壓器供電。

環網柜具備隔離開關、熔斷器、斷路器、防雷設備、帶電指示設備、故障指示設備、電流互感器、綜合保護裝置。綜合保護裝置通過監控系統參數控制斷路器跳閘,實現就地和遠程操作。

變壓器溫度監控系統的跳閘保護信號串聯接入斷路器控制回路。變壓器具有溫度顯示、溫控保護功能。溫控系統的溫度可以根據要求進行設定和調整。溫度控制裝置具有RS485通信協議接口和干節點信號。變壓器繞組溫度超過規定值時,發出報警信號。繞組溫度超過允許值時,輸出跳閘信號。繞組溫度降至規定值時,自動停運風機。

7.2 就地監測系統

就地監測系統安裝在就地監測柜內,以可編程序控制器為核心,用于實現變壓器、高低壓開關、變流器、消防設備、空調、照明設備、安防設備等的狀態采集和系統通信,帶有人機交互界面,顯示2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統的狀態和參數。

變流器協調控制器用于將上級系統的統一指令分配給四臺儲能雙向變流器,儲能雙向變流器和變流器協調控制器之間通過控制器局域網絡進行通信協調。

就地監測柜內配置5 kW、220 V不間斷電源,為10 kV環網柜、儲能雙向變流器等提供可持續性控制電源。

7.3 儲能雙向變流器

儲能雙向變流器是核心部件,是實現2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統高效、穩定、安全、可靠運行和風光能源利用最大化的重要保障。結合現場使用環境和實際運行要求,設計儲能雙向變流器實現并網和離網運行功能。

儲能雙向變流器長期并聯在大電網上運行,園區負荷小時向電池系統充電,園區負荷大時電池放電。 要求儲能雙向變流器具有并網運行功能,實現對有功功率、無功功率的獨立解耦控制,并且能夠與上級監控系統協調配合,實現園區內電網系統的各種應用。

儲能雙向變流器并網充放電功率和放電方式可以自由選擇,以適應不同的電網需求。充放電功率可以通過后臺監控系統界面進行設定。充電方式包括恒功率充電、恒流充電、恒壓充電,放電方式包括恒功率放電、恒電流放電,可以在界面中自由選擇。與監控系統配合時,可根據監控指令控制儲能雙向變流器的有功功率輸出,接收和實時跟蹤、執行監控系統傳送的有功功率控制信號,根據電網側電壓頻率、控制指令等信號實現有功功率輸出的自動調節,確保功率變化率、最大輸出功率不超過設定值,保證在電網供電故障或其它特殊運行狀況下園區供電系統的穩定性[6-8]。

儲能雙向變流器可快速調整有功、無功功率輸出,依據交流側電壓水平、監控系統控制指令等信號來快速跟蹤并調節無功功率輸出。

儲能雙向變流器具備電網電壓跌落控制功能,在電網電壓跌落的時刻,動態無功電流快速響應,時間短于30 ms。

當電網斷電時,園區重要負載需持續可靠供電,要求儲能雙向變流器具備離網運行功能。

離網運行時,儲能雙向變流器進行輸出電壓與頻率的正比例控制,為負載提供恒幅恒頻的交流電壓。儲能雙向變流器同時具有單機黑啟動功能,可按照規定的條件脫離電網,在一定時間、容量允許范圍內為園區重要負荷提供恒頻恒壓的穩定供電。

儲能雙向變流器具有完善且全面的保護功能,確保在各種故障狀況下整個2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統的安全性。

儲能雙向變流器的通信設計包括:① 與就地監測系統和外部上級能源管理系統的通信,應用RS485通信協議接口,方便接入就地監測系統和外部能源管理系統;② 與電池管理系統進行控制器局域網絡通信。

儲能雙向變流器采用模塊化結構,可靈活配置滿足不同應用場合不同容量的要求。2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統中,500 kW儲能雙向變流器采用十個50 kW交流或直流模塊并聯而成,每個模塊采用三電平設計,機柜內另配防雷、斷路器等保護元件。儲能雙向變流器拓撲結構如圖5所示。

圖5 儲能雙向變流器拓撲結構

8 其它硬件配置

8.1 散熱系統

散熱系統主要分為電氣室和變壓器室兩部分。電氣室采用空調散熱,空調選型需注意制冷量和風壓。根據熱損耗,結合空調產品的制冷曲線,選出適合實際工況的制冷量。2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統中,環境溫度為40 ℃,集裝箱電氣室內設定溫度為35 ℃,額定工況下電氣室內熱損耗為40 kW,空調冷卻曲線如圖6所示,由此選取額定冷卻量為60 kW的工業空調[9-10]。

圖6 空調冷卻曲線

變壓器室采用強迫風冷散熱。集裝箱側壁下方進風,對面側壁上方出風,出風口采用風罩設計,放止雨水倒流。

8.2 消防系統

消防系統由園區統一設計,集裝箱內部預留消防系統安裝位置,如緊急啟動按鈕、聲光報警設備等。

8.3 照明系統

電氣室和變壓器室均配置常規照明和應急照明,室內門邊配置照明控制開關。 當集裝箱系統斷電時,應急照明立即開啟,時間要求不短于30 min。

8.4 門禁及視頻監控系統

門禁采用斷電打開式電磁式密碼鎖。電氣室和變壓器室均配置防爆式視頻監控攝像頭,由網線供電,實現中控室統一監控。

9 技術優勢

2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統現場調試照片如圖7所示。2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統應用后,助力上海電氣風電集團實現國內首臺8 MW海上風力發電機黑啟動成功。

圖7 2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統現場調試照片

核心設備雙向儲能變流器通過分散邏輯控制算法和無互聯線下垂控制技術,實現了十臺50 kW交流或直流模塊并聯運行。2 MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統還是國內首個集液流電池和鋰電池控制功能于一體的集裝箱儲能系統,為行業內集裝箱式儲能系統的設計提供了參考。