儲能電站在大型商業綜合體中的應用

楊 璽， 汪 海， 劉 鋒

(1. 北京維拓時代建筑設計股份有限公司，北京 100020； 2. 萬達商業規劃研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

隨著我國經濟的高速增長，大型商業綜合體的負荷峰谷差逐漸增大，配電線路也日趨復雜，傳統的調節手段已難以完全滿足大型商業綜合體的電力系統調控的需要，而儲能電站技術作為一種全新的調節手段，已經成為支持大型商業綜合體電力系統運營管理的最優選擇之一。 一方面儲能電站具有能量時序調節作用，具有削峰填谷重要特性，在一定程度上實現電力供需的分離，改變傳統大型商業綜合體開業即用電高峰的瞬時性特點；另一方面，儲能電站具有靈活性、精準性和可靠性等特點，對大型商業綜合體延緩供配電基礎設施升級投資、提升電能質量、保證電網安全運行等方面起著不可估量的作用。

1 項目背景

本文以北京昌平區某大型商業綜合體為例，該項目建筑面積約16 萬m2，設置A1、A2 和B 共3 座變電所，分別內設2 臺1 600kVA 變壓器。 因臨近八達嶺長城景區，計劃將本項目升級為美食網紅一條街。

改造前本項目存在如下問題:餐飲少、娛樂少、體驗業態少、無影院、無超市、客流量低，整體商業運營狀況失去活力。 現狀變壓器容量為9 600kVA，就近的上級開閉站無富裕容量，如增容需由較遠處上級電源供給。

本次改造需求:商業業態調整，增加餐飲、娛樂體驗業態、影院及超市等，且地下車庫要預留一定數量的電動汽車充電樁；經負荷計算，新增負荷容量較原負荷容量增加1 800kW。

2 供電方案分析

2.1 負荷分析

因上級電源容量無富裕，如何解決用電負荷缺口是十分關鍵的問題。 經過對負荷的分析，本項目新增用電量較大的負荷比如餐飲、娛樂體驗、超市等均為周期性很強的負荷，用電高峰集中在白天，尤其餐飲負荷，一般用電時段集中在11:00-14:00，17:00-19:00。

2.2 方案分析

筆者所在團隊考慮采用儲能設施進行削峰增益，也符合國家提出的“碳中和、碳達峰”策略的要求，但是大型儲能電站在地產行業尚未有應用，尤其是大型公建改造項目(本項目應屬首例)，對于其設備安全隱患、供電潮流計算、配電柜母線改造以及儲能電站運行策略等都需要詳細的方案論證。

因本項目屬于人員密集場所，兼顧安全性考慮，方案確定為在室外設置4 組500kW 集裝箱式鋰電池儲能電站(共計2 000kW，滿足本項目負荷缺口)。

3 儲能電站安全性措施

3.1 問題分析

儲能系統電氣部分由匯流柜、變流器、變壓器等電氣設備組成，實現電池本體與外部電源的電量交換。 一般來說，電氣設備本身的制造工藝和技術成熟度很高，電氣保護技術也比較成熟，正常運行過程出現故障的可能性不大。 但儲能電站空間緊密，因拓撲設計不合理、選型不匹配、外部故障等引發的電氣設備發熱、放電等不正常運行狀態，極有可能傳導至電池本體，間接造成電站事故。 消防設施設計合理、配置到位、系統完好，儲能發生火災后造成的損失就會得到降低，其發生火災的概率和造成的后果也就越小。

3.2 站址選擇

本項目儲能系統直接面向商業應用場景，坐落在人員或設備密集區。 相比于變壓器等電氣設備，儲能系統發生起火爆炸的概率大，且由于儲能本體特殊的化學性能特性，火災事故容易擴展，儲能電池作為一種能量存儲裝置在受外部環境刺激或內部制造缺陷的影響下會發生熱失控現象，在密閉空間中一旦某一電池儲能單元發生火災，可能引起相鄰多個單元的聯鎖火災甚至爆炸，其對安全性有更高要求，因此在土建設計階段應予以充分考慮。

基于火災危險性考慮，本項目將儲能電站設置于室外綠地，距建筑外墻20m，同時可以避免對原有土建結構大拆大改、節約施工周期和項目成本，儲能電站總圖位置見圖1，平面詳圖見圖2。

圖1 儲能電站總平面示意圖

圖2 儲能電站平面詳圖

3.3 儲能電站安全措施

3.3.1 電池分艙布置

每艙電池容量200kWh，艙室之間填充耐火2 h材料，電池艙采用外開門設計，實現艙室間物理隔離，可保證在某一艙內出現火情，不會蔓延到其他艙室，當電池發生熱失控后，將火災影響降低至最低范圍，分倉布置情況見圖3。

圖3 電池分倉布置

3.3.2 浸沒式水冷卻系統

將火災控制在萌芽狀態，杜絕電池復燃。 在電池出現故障引起內部溫度升高，鋰電池SEI 膜鈍化層分解前到熱失控的幾分鐘時間內，“浸沒式”水冷卻系統向故障電池艙內注水冷卻。

3.3.3 可燃氣體探測及氣體滅火系統

針對國內外出現的儲能系統爆炸事故，設置靈敏的可燃氣體監測設備，通過消防聯動通風系統避免可燃氣體聚集，開發了全新的消防系統聯動邏輯，可將爆炸風險降為最低。 通風直排室外，設置靈敏的可燃氣體監測設備，將可燃氣體爆炸風險降為最低。 同時配備“探火管式”氣體消防系統作為后備保護。

4 儲能電站供配電設計

4.1 電氣一次主接線

本次改造項目采用儲能電站系統容量為2 MW/8 MWh，以500kW/2 MWh 為1 個儲能單元，每個500kW/2 MWh 儲能單元由1 臺雙向儲能變流器PCS 帶隔離變裝置和1 套500kW/2 MWh 的儲能子系統組成，共4 個儲能單元。 儲能電站以交流380V 接入低壓配電系統，接入點為B 座變電所兩臺變壓器TD1 和變壓器TD2 低壓側，一次接線圖見圖4。

圖4 一次接線示意圖

4.2 變電所原有空間布置

在B 座變電所新增2 個380V 并網柜。 基于原變電所排布，同時考慮檢修、逃生、用電安全等因素，采用母線橋方式將原有低壓柜與新增并網柜可靠連接，母線橋需配置合理數量的支吊架。 在實際施工過程中，應注意母線橋開孔與原有低壓柜相匹配，并網柜平面布置圖見圖5。

圖5 并網柜平面布置圖

4.3 原有低壓母排分析

本次設計分別在B 座變電所兩臺變壓器的380V母線末端各接入兩組500kW 儲能單元，兩臺變壓器容量均為1 600kVA。 在正常營業期間，每段380V 母線需承受1 600kVA 變壓器和1 000kW 儲能并列運行。

針對該負荷情況，利用ETAP 軟件對單段母線進行建模仿真，以4 個500kVA 負荷和1 個600kVA負荷為例，在380V 母線兩端分別加一臺1 600kVA變壓器(參數同實際變壓器)和一臺1 000kVA 變壓器(模擬2 組500kW 儲能電源)，由ETAP 的潮流計算功能得到潮流結果(圖6)。

圖6 潮流計算示意圖

從潮流結果可看出，各段母線通過的電流分別為1 510A、1 510A、755A、755A、1 510A、2 415A、 2 415A，均沒有超過原低壓母排額定載流量3 200A。故變壓器和儲能電站正常運行時，母線電流不會超過原低壓母排額定載流量3 200A，可不做更換，節材節能。

5 儲能電站運營策略制定

儲能電站常見充放電模式包括:兩充兩放(谷充峰放、平充峰放)、一充一放(谷充峰放)和一充兩放(谷充、峰放、平放)。 項目背景中已交代本項目改造后存在巨大用電缺口問題，在運營期間(電價對應平、峰)儲能電站不能實現充電模式，故兩充兩放在本項目中并不適用。 另考慮新增用電負荷特性為用電高峰集中，一充一放比一充兩放更加貼合負荷特性。 綜上分析，本項目充放電模式最終選擇為一充一放。 針對本項目商業運營的特點，制定如下運營策略。

5.1 開業、節假日客流高峰期

(1)隨時監測變壓器負載率，當負載率到85%時，投運一組500kW 儲能電池放電。 另一組500kW儲能電池，勿輕易投切。

(2)當監測到變壓器負載率85%，一組500kW儲能電池滿載時，再次投切第二組。

(3)節假日客流高峰的前一天晚上，在晚上12點到第二天(節假日)上午8 點之前，務必確保2 000kW 儲能電池充滿(一般充滿需6～8 h)，典型運營圖見圖7。

圖7 一充一放(谷充峰放)典型運營圖

5.2 平時客流低谷期

兼顧到儲能電站安全性及使用壽命，采取平時白天投入50%儲能電站且需要分時段投入的方式，比如在中午或下午用電量大的時段投入。 經過實際運營，滿足使用要求。

6 經濟效益分析

儲能電站在峰谷電價差很大的區域(如本項目所在地北京市昌平區)設置，投資回報率高，且設置儲能電站后，供電系統更加可靠。

本項目在電價低谷期(閉店期)將所有儲能電池充電完畢，于電價高峰期將儲能電池放電完畢，本項目儲能電站具體配置參數見表1。

表1 儲能電站配置參數

本項目總投資額:1.8 元/Wh×2 000kW×1 000×4 h ＝1 440 萬元。

本項目電價效益:2 000kW×365×4 h×(1.226 8-0.240 7)元/kWh ＝288 萬元/a。

投資回收期:1 440 萬元/288 萬元/a ＝5 年。

根據以上計算，約五年就可以收回成本，儲能電站新型鋰電池更換周期一般為十年，另外五年則為凈收益。

7 應用前景

(1)通過總結分析峰谷電價差大于0.8 元/kWh，谷電價、峰電價連續時段持續時間不低于3 h，具有更好的經濟性。

(2)儲能疊加光伏，將光伏發電量(上網電價0.3～0.5 元/kWh)不上網，存入儲能電池在用戶電價高峰時(高峰電價0.8～1.0 元/kWh) 儲能放電，提升整個系統經濟性。

(3)電力現貨交易市場放開后，電力商品屬性更加突顯，高峰電價將更高，低谷電價更低，用戶峰谷電價差進一步拉大，通過儲能調節峰谷購電負荷，可為用戶節省更多電費。

8 結束語

本項目是目前地產行業首批應用大型儲能電池作為供電擴容的成功實踐案例，本設計在整體配電方案、設備安全性、潮流計算分析、配電柜母線改造分析以及儲能電站運行策略等方面積累了很多值得學習和推廣的經驗。 隨著城市更新的進展，越來越多的既改項目提上日程，本項目在設計及應用過程中提升了地產改造行業創新能力，既降低了投入成本又節能環保，減少碳排放。

儲能電站是供電系統微擴容的一個新方法。特別是改造項目，當外電源擴容困難的情況下，這也是一個新思路。