非步入式電池集裝箱在儲能電站工程中的應用

李建輝，劉 洋，唐 俊

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟發(fā)布的《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2022》不完全統(tǒng)計，截止2021年底，我國新型儲能系統(tǒng)中89.7%采用鋰電池作為儲能電池。采用預制艙式的儲能電站具有施工周期短、施工質(zhì)量便于把控、占地面積小、總投資較小等優(yōu)點，一大批預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能項目并網(wǎng)運行，容量不斷刷新[1]。

電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)長期面臨的最大問題是電池能量密度不能做到足夠大，自鉛酸電池發(fā)明一百多年來，人類花費了數(shù)千億美元的研發(fā)經(jīng)費，然而從鉛酸電池的90 Wh/kg到鋰離子電池260 Wh/kg，電池能量密度并沒有得到根本改變，儲能電池容量提升將跟不上儲能變流器(power conversion system，PCS)的更新?lián)Q代速度，能量密度限制了單個預制式電池集裝箱(簡稱“電池艙”)的裝機容量。文獻[2]中提出當前儲能技術亟須解決的問題包括降低儲能系統(tǒng)的建設成本和運行維護成本和提高儲能系統(tǒng)的安全性。而采用非步入式電池集裝箱能夠最大化的提高單元裝機容量，能夠降低工程造價，提高系統(tǒng)安全性，在當前發(fā)展趨勢下是一種不錯的選擇。本文以某運行功率60 MW、總?cè)萘?20 MWh的儲能電站(簡稱“60 MW/120 MWh儲能電站”)為例，對儲能電池采用非步入式集裝箱(冷卻方式為風冷)搭配PCS的優(yōu)化設計，為未來大規(guī)模儲能電站的應用提供技術參考。

1 模塊化預制艙在儲能電站中的應用

預制艙是由預制艙體、一二次設備、艙體輔助設施等組成，在工廠內(nèi)完成制作、組裝、配線、調(diào)試等工作，并作為一個整體運輸至工程現(xiàn)場，就位于安裝基礎上。預制艙及其內(nèi)部的一二次設備實現(xiàn)整套由廠家集成，實現(xiàn)工廠化加工，減少現(xiàn)場一二次接線，減少設計、施工、調(diào)試、工作量，簡化檢修維護工作，縮短建設周期，有效支撐了項目的快速建設。采用標準預制艙體布置形式，儲能系統(tǒng)中的電池、PCS和升壓變不必分別進行集中布置，可采用全戶外一對一或一對多布置，儲能單元相對獨立，易于安裝、調(diào)試、運行和維護。

電池艙和PCS升壓艙的選型和布置是整個儲能系統(tǒng)設計的關鍵，對整個電站的安全和造價起決定性作用，目前的PCS更新?lián)Q代較快，電池技術相對發(fā)展較慢，需要結(jié)合具體工程對該儲能電站中儲能單元配置進行優(yōu)化設計，以便提高系統(tǒng)的安全性和降低工程造價。

1.1 PCS升壓艙模塊設計

在電化學儲能系統(tǒng)中，PCS連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負荷)之間，是實現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)換的裝置，可實現(xiàn)儲能電池的存儲電能與釋放電能的過程，進行整流與逆變操作，同時在電網(wǎng)掉電的應用場所可以輸出交流電，為交流負荷供電[3]，根據(jù)需要工作于不同模式。

常規(guī)戶外布置儲能電站均由PCS和升壓變壓器組成PCS升壓艙。升壓變壓器容量從幾百kVA到幾百MVA均有成熟產(chǎn)品，易于選擇配置，由PCS升壓艙集成商成套提供。在儲能電站容量核定的情況下，為了降低儲能電站的成本，使用較高電壓等級的PCS提高系統(tǒng)功率是必然的選擇。目前PCS主流有直流端輸入電壓1 000 V和1 500 V兩類產(chǎn)品，功率主要有250 kW、500 kW、630 kW、750 kW、1 000 kW、1 250 kW、1 500 kW、2 000 kW及以上幾種規(guī)格，采用直流端輸入電壓1 500 V功率在1 000 kW以上的PCS即將成為儲能電站主流應用。

1.2 電池艙模塊設計

電池艙(以當前儲能項目應用最多的磷酸鐵鋰電池為例)按照運維通道設計，分為步入式和非步入式兩種類型。步入式電池集裝箱主要采用短端雙開門設計，內(nèi)設人工操作空間及運維通道等，內(nèi)部通道只能用于BESS設備的檢查、維護和維修，步入式電池集裝箱的布置如圖1所示。受制于電池性能和容量的限制，目前40呎電池集裝箱步入式方案最大裝機容量約3.84 MWh。國內(nèi)投運的儲能項目，考慮到防護等級、溫度控制、運行維護、消防滅火等原因，其電池集裝箱大多以步入式為主，隨著目前大功率PCS的應用，主流儲能單元總功率已達2.5 MW(單個PCS額定功率1.25 MW)及以上，按照時長2 h的儲能系統(tǒng)配置，其儲能電池所需容量已超過5 MWh，而步入式集裝箱安裝電池容量較小，單套儲能單元不得不配置2臺儲能電池艙。

圖1 步入式電池集裝箱布置示意圖

非步入式電池集裝箱則為緊湊型設計，內(nèi)部不設操作空間和運維通道，對設備的操作與運維全部在箱外完成，主要為兩側(cè)開門，人不能進入集裝箱內(nèi)部停留，非步入式電池集裝箱的布置如圖2所示。目前40呎電池集裝箱非步入式方案，最大裝機量約5.76 MWh。

圖2 非步入式電池集裝箱布置示意圖

相比步入式電池集裝箱，非步入式電池集裝箱方案電池簇體積更大，一臺集裝箱電池裝機容量更高。非步入式集裝箱方案100%外維護，人不進入箱體內(nèi)部，降低了人員受傷的風險。

隨著我國電池儲能技術的進步，非步入式集裝箱在防護等級、溫度控制、運行維護、消防滅火等方面得到突破性進展，其技術日趨成熟，加之儲能行業(yè)各種標準的制定和進一步完善，非步入式集裝箱將在國內(nèi)儲能電站中廣泛使用。

1.3 儲能單元模塊化布置設計

儲能單元是指由電池組、電池管理系統(tǒng)及其相連的功率變換系統(tǒng)組成的最小儲能系統(tǒng)，一般由一臺PCS升壓艙與配套電池艙組成，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 儲能單元的組成

預制艙各模塊的占地面積固定，可根據(jù)選址靈活安排各艙的位置，也可根據(jù)儲能電站的容量需求計算需要的模塊數(shù)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(jié)約電纜，一般每臺PCS升壓艙與儲能電池艙采取就近一一對應布置[1]。

由于運輸原因，國內(nèi)儲能電站所使用的單體電池集裝箱尺寸一般為40呎和45呎兩種尺寸，本項目以40呎電池集裝箱展開設計。根據(jù)不同的PCS和儲能電池容量的搭配，全戶外預制艙式儲能電站單套儲能單元典型的布置方案主要有以下3種：

方案一：單套儲能單元由1臺PCS升壓艙和1臺40呎電池艙構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 儲能單元布置方案一

方案二：單套儲能單元由1臺PCS升壓艙和2臺40呎電池艙構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 儲能單元布置方案二

方案三：單套儲能單元構(gòu)成同方案2，為節(jié)約占地面積，考慮在2臺40呎儲能電池艙之間修建防火墻，如圖6所示。

圖6 儲能單元布置方案三

三種布置方案，最簡單、最經(jīng)濟、最節(jié)省占地面積的是方案一，單套儲能單元由1臺PCS升壓艙和1臺電池艙構(gòu)成。往往受制于單臺預制艙可安裝蓄電池總?cè)萘康南拗疲瑢嶋H投運的項目中采用1臺PCS升壓艙和2臺電池艙組成儲能單元的方案較多。《電化學儲能電站典型設計》中，多種儲能電站布置基本均采用了單套儲能單元由2臺電池艙間加裝防火墻的設計方案。

而采用非步入式電池集裝箱的方案，40呎集裝箱安裝電池容量可以超過5 MWh，單套儲能單元可以由1臺PCS升壓艙和1臺40呎電池艙構(gòu)成，系統(tǒng)更加簡單且利于設計和運維，也不需要加裝防火墻，其不僅降低了占地面積，節(jié)省了初期投入，同時其采用100%外部運維設計，還降低了人員受傷的風險，提高了系統(tǒng)的安全性。

2 采用非步入式電池集裝箱解決方案

由于目前40呎步入式電池集裝箱最大裝機容量約3.84 MWh，如果想采用大功率的PCS則必須配置2臺40呎電池集裝箱，甚至儲能單元還采用多種規(guī)格的搭配，不利于采購、布置、安裝和運維。因此本儲能項目的設計提出一種更為合理的解決方案：即儲能單元采用1套PCS升壓艙(2臺1 250 kW PCS +1臺2 500 kVA變壓器組成)，配套1臺40呎非步入式5 MWh儲能電池艙，單套儲能單元標稱功率/容量為2.5 MW/5 MWh，60 MW/120 MWh儲能電站共計需24套儲能單元，儲能系統(tǒng)部分的布置如圖7所示。

圖7 60 MW/120 MWh儲能電站布置圖

60 MW/120 MWh儲能電站電池艙采用非步入式集裝箱方案后，相比按照步入式電池艙方案進行設計，總共節(jié)省24個40呎電池集裝箱艙體(含暖通及消防設計)及基礎，儲能系統(tǒng)部分節(jié)省占地約40%(相比采用加裝防火墻方案節(jié)省占地約30%，另外節(jié)省24堵防火墻)。目前一座60 MW/120 MWh儲能電站儲能部分總造價約2.22億元(估算方式：電池按1.5元/Wh、PCS 按0.15元/Wh，土建按0.2元/Wh)，本項目優(yōu)化后按照1個40呎電池集裝箱箱體造價約20～25萬元、1個40呎電池集裝箱基礎加1堵防火墻土建費用約4.5萬元，共計節(jié)約24套，初步估算可節(jié)省投資約600萬元，約占儲能系統(tǒng)總造價的2.7%。

3 結(jié)論

結(jié)合目前電池儲能技術的發(fā)展狀況和商業(yè)化發(fā)展方向，中大型儲能電站推薦采用直流側(cè)1 500 V輸入的大功率PCS和非步入式電池集裝箱，非步入式電池集裝箱不僅能夠最大化的提高單元裝機容量和儲能系統(tǒng)的安全性，節(jié)省占地，還可以節(jié)省儲能系統(tǒng)造價約2.7%。