基于預(yù)制艙的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站模塊化設(shè)計(jì)

劉 牛，徐 波，陳亞新

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

儲(chǔ)能作為能源服務(wù)新產(chǎn)品，是優(yōu)質(zhì)、可靠的毫秒級(jí)控制響應(yīng)資源，可提供有功無(wú)功的雙重支撐，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻[1]、備用、事故應(yīng)急響應(yīng)等多種服務(wù)。為緩解地區(qū)夏季高峰期間供電壓力和提高地區(qū)電網(wǎng)可再生能源[2]就地消納水平、削峰填谷[3]能力，結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)周期短、布點(diǎn)靈活的優(yōu)勢(shì)，可規(guī)劃實(shí)施電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)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(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙體戶外布置形式和模塊化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步縮短儲(chǔ)能電站的建設(shè)周期，提高投產(chǎn)效率。

1 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)制艙模塊

采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙體布置形式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的模塊化、設(shè)備基礎(chǔ)的通用化、施工建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化，且艙內(nèi)接線及單體設(shè)備調(diào)試要最大程度實(shí)現(xiàn)出廠前完成，以有效減少現(xiàn)場(chǎng)安裝、接線、調(diào)試工作，大大縮短建設(shè)周期。預(yù)制艙如圖1所示。表1則為一個(gè)8 MW/16 MW·h電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的各類預(yù)制艙的數(shù)量，本文以此為最小儲(chǔ)能單元進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。

圖1 儲(chǔ)能電站預(yù)制艙

表1 預(yù)制艙模塊（8 MW/16 MW·h）

1.2 電池艙模塊

每座電池艙系統(tǒng)輸出容量為2 MW·h。儲(chǔ)能電池系統(tǒng)以磷酸鐵鋰電芯（3.2 V/40 Ah）為基本單元進(jìn)行系統(tǒng)配置。每個(gè)U箱（20 V/320 Ah）由48個(gè)電芯按8并6串方式成組。將38個(gè)U箱按照串聯(lián)方式集成在具有散熱功能的鐵架內(nèi)，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池簇（760 V/320 Ah），再由10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池簇并聯(lián)，組成一個(gè)輸出容量為1 MW/2 MW·h的儲(chǔ)能電池單元。表2為1 MW/2 MW·h儲(chǔ)能電池各分類單元對(duì)應(yīng)的數(shù)量，圖2為對(duì)應(yīng)的電池艙模塊內(nèi)部原理接線圖。本文電池艙模塊采用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)，具有安全可靠性強(qiáng)、能量密度高[4]、充放電速率快以及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 PCS升壓艙模塊

每座PCS升壓艙與儲(chǔ)能電池艙一一對(duì)應(yīng)，如表3所示。每座PCS升壓艙含有2臺(tái)500 kW PCS變流器和1臺(tái)1 250 kVA變壓器，圖3為對(duì)應(yīng)的PCS升壓艙內(nèi)部原理接線圖。PCS變流器實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，將直流760 V轉(zhuǎn)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(chǔ)能電池進(jìn)線柜、1面SVG進(jìn)線柜、1面母線設(shè)備柜、1面計(jì)量柜、1面出線柜及相關(guān)附屬設(shè)備。該模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化了電氣主接線，如圖4所示，將進(jìn)線柜與PCS艙一一對(duì)應(yīng)的形式優(yōu)化為“一拖四”，將4座PCS艙相互連接后接入一面進(jìn)線柜，大幅降低了設(shè)備成本，有效減少了占地面積。

1.5 預(yù)制艙模塊布局

預(yù)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(chǔ)能電站的容量需求計(jì)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(kāi)展。為了方便接線和節(jié)約電纜，一般每座PCS升壓艙與儲(chǔ)能電池艙采取就近一一對(duì)應(yīng)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(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的模塊化應(yīng)用

某儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能系統(tǒng)（8 MW/16 MW·h）采用預(yù)制艙戶外布置方式，共設(shè)置8套儲(chǔ)能電池預(yù)制艙和8套PCS及升壓變成套裝置，每個(gè)電池預(yù)制艙容量為1 MW×2 h，采用40英尺非標(biāo)預(yù)制艙。每座PCS升壓艙與儲(chǔ)能電池艙一一對(duì)應(yīng)，每座PCS升壓艙含有2臺(tái)500 kW PCS變流器和1臺(tái)1 250 kVA雙繞組升壓變壓器。PCS變流器實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，將直流760 V轉(zhuǎn)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(chǔ)能電池進(jìn)線柜、1面SVG進(jìn)線柜、1面母線設(shè)備柜、1面計(jì)量柜、1面出線柜及相關(guān)附屬設(shè)備。每4座儲(chǔ)能電池艙與PCS升壓艙并聯(lián)接入10 kV匯流艙中的1面儲(chǔ)能電池進(jìn)線柜。10 kV匯流母線通過(guò)10 kV匯流艙中的1面出線柜，將新建10 kV線路接入對(duì)側(cè)110 kV變電站10 kV開(kāi)關(guān)柜。圖2為10 kV Ⅰ段匯流母線及其連接的設(shè)備。

圖4 10 kV Ⅰ段匯流母線及其連接的設(shè)備情況

如表5所示，當(dāng)需要建設(shè)16 MW/32 MW·h儲(chǔ)能戰(zhàn)時(shí)，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(biāo)預(yù)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(chǔ)能系統(tǒng)一樣的10 kV匯流母線并加裝分段開(kāi)關(guān)及手車柜即可。同樣，建設(shè)表中其他容量?jī)?chǔ)能電站時(shí)只需成倍復(fù)制10 kV匯流母線、電池艙和對(duì)應(yīng)的PCS升壓艙即可。但是，考慮到10 kV匯流艙的空間問(wèn)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(chǔ)能系統(tǒng)由于只有一段10 kV匯流母線，站內(nèi)所用變采取一臺(tái)開(kāi)關(guān)柜對(duì)應(yīng)一座站用變艙。表5中其他容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)由于存在2段及2段以上10 kV匯流母線。為了滿足所內(nèi)設(shè)備的供電可靠性，站內(nèi)所用變可采取2臺(tái)開(kāi)關(guān)柜對(duì)應(yīng)2座站用變艙。此2臺(tái)開(kāi)關(guān)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(jìn)線柜即可。

表5 幾種容量?jī)?chǔ)能電站的預(yù)制艙數(shù)量

3 結(jié) 論

綜上所述，理論上可無(wú)限擴(kuò)展儲(chǔ)能電站的容量，但需要考慮實(shí)際需求、占地面積以及監(jiān)控總量的控制。因此，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的模塊化選擇應(yīng)考慮以下注意事項(xiàng)。

（1）電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站應(yīng)采用“分散式布置、集中式控制”方式進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站應(yīng)由調(diào)度統(tǒng)一調(diào)控，應(yīng)充分利用電網(wǎng)現(xiàn)有變電站資源進(jìn)行建設(shè)。

（2）電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站接入源網(wǎng)荷系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備從“負(fù)荷”向“電源”的毫秒級(jí)轉(zhuǎn)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(wǎng)荷系統(tǒng)，通過(guò)源網(wǎng)荷終端、EMS和PCS緊密配合實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)控制。

（3）采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙體布置形式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的模塊化、設(shè)備基礎(chǔ)的通用化、施工建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化，從而縮短建設(shè)周期，節(jié)約建設(shè)成本。

（4）優(yōu)化電氣主接線，將進(jìn)線柜與PCS艙一一對(duì)應(yīng)的形式優(yōu)化為“一拖四”“一拖三”，將多面PCS艙相互連接后接入一臺(tái)進(jìn)線柜，大幅降低設(shè)備成本，有效減少占地面積。

（5）要考慮整個(gè)監(jiān)控接入的能力，目前每個(gè)電池艙有2萬(wàn)個(gè)信號(hào)，一個(gè)24 MW/48 MW·h站需要24個(gè)電池艙，則整個(gè)儲(chǔ)能電站有50～60萬(wàn)個(gè)信號(hào)。這么大的量接入整個(gè)監(jiān)控，對(duì)整個(gè)監(jiān)控的容量和數(shù)據(jù)分析提出了更高要求。所以，從整個(gè)數(shù)據(jù)量接入方面看，監(jiān)控系統(tǒng)要支撐足夠多信號(hào)的接入。