電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)
——評(píng)《電池儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)》

薛志榮

(1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,江蘇無錫 214433;2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江陰中專辦學(xué)點(diǎn),江蘇無錫 214433)

科技進(jìn)步帶動(dòng)了電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以電化學(xué)技術(shù)為主導(dǎo)的電池儲(chǔ)能技術(shù)日益成熟。嚴(yán)亞兵等著的《電池儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)》一書,聚焦電化學(xué)電池儲(chǔ)能電站(BESS)的研究,首先對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹,并給出電池儲(chǔ)能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和BESS的設(shè)計(jì)規(guī)范,然后詳述BESS的設(shè)計(jì)原則和設(shè)備配置,接著介紹BESS接入電網(wǎng)的要求,最后,對(duì)BESS的防雷與消防設(shè)計(jì)方法進(jìn)行具體說明。

1 電化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用

電化學(xué)電池儲(chǔ)能的規(guī)模大,載體比能量高,充放電速度快,還能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng),應(yīng)用范圍廣泛。基于電化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù),科研人員設(shè)計(jì)了BESS。BESS是以電化學(xué)電池為主要儲(chǔ)能元件的電站,可實(shí)現(xiàn)在用戶端和電網(wǎng)側(cè)電能的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換及釋放。BESS由多個(gè)系統(tǒng)模塊組成,根據(jù)功能的不同,可劃分為儲(chǔ)能單元、功率變換系統(tǒng)(PCS)和監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)等。儲(chǔ)能單元由電池組和電池管理系統(tǒng)(BMS)組成,通常設(shè)計(jì)成集裝箱方式,并配備空調(diào),以保證電池穩(wěn)定運(yùn)行;PCS由變流器及控制系統(tǒng)組成,主要功能是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能和電池堆能量的相互傳輸;監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷預(yù)警、優(yōu)化調(diào)度等功能,確保BESS安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前,電化學(xué)電池儲(chǔ)能已經(jīng)商業(yè)化,很多國家建立了以電化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)為核心的儲(chǔ)能工程,如德國的BEWAG工程、美國的Oahu工程、愛爾蘭風(fēng)電場和日本的Fukuoka工程,我國也建設(shè)了張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程、長沙電化學(xué)電池儲(chǔ)能示范工程等。

2 電池儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

在BESS的設(shè)計(jì)方面,目前也有很多標(biāo)準(zhǔn),其中,強(qiáng)制性的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB 51048 2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)從選址、布局設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣一次與二次設(shè)計(jì)、土建設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)和給排水設(shè)計(jì)等方面,對(duì)儲(chǔ)能電站的建設(shè)和運(yùn)行進(jìn)行了規(guī)范,意義重大。

3 BESS的設(shè)計(jì)原則及組成

BESS出現(xiàn)的時(shí)間并不長,相關(guān)技術(shù)還不太成熟。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),BESS的設(shè)計(jì)要遵循以下原則:①儲(chǔ)能電池、PCS、BMS、監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)、電氣一次及二次系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等必要組成設(shè)備及系統(tǒng),不可或缺;②直流側(cè)電壓應(yīng)小于1 kV;③盡量減少電池并聯(lián)的數(shù)量;④PCS應(yīng)具備并網(wǎng)充放電功能;⑤應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求量,確定接入電網(wǎng)的電壓等級(jí);⑥電氣主接線遵循運(yùn)行可靠、維修方便等原則;⑦電站采用開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由值班人員通過監(jiān)控系統(tǒng)查看全局。

儲(chǔ)能電池作為BESS能量存儲(chǔ)的載體,占據(jù)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(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行,但使用壽命短、比能量低;液流電池的循環(huán)壽命長、可深度放電,但能效低、設(shè)備易被腐蝕;鈉硫電池的能量密度高、成本低廉且循環(huán)壽命長,但對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求高,且維護(hù)較困難,易引發(fā)安全事故。目前,我國以鋰離子電池為載體的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)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(jiān)控并收集電池的狀態(tài)參數(shù)信息(電池電壓、回路電流和系統(tǒng)電阻等),進(jìn)行分析計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)策略,保證儲(chǔ)能單元的正常運(yùn)行。此外,BMS還能實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)設(shè)備(PCS、消防系統(tǒng)等)的信息交換,在出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)整體的聯(lián)動(dòng)控制,保證儲(chǔ)能電站的可靠并網(wǎng)運(yùn)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(gòu)成。三者協(xié)調(diào)工作,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的健康管理。

PCS將電池組和電網(wǎng)連接起來,使能量在兩者之間轉(zhuǎn)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(tǒng)等構(gòu)成,并通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù),根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況,利用控制算法控制電力電子開關(guān),使電能在電池組與電網(wǎng)之間流動(dòng),實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng),確保輸出電流的平穩(wěn)。在實(shí)際BESS中,PCS常用的拓?fù)漕愋陀?種:①一級(jí)變換拓?fù)湫?只包含交流電(AC)/直流電(DC),結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,應(yīng)用廣泛;②二級(jí)變換拓?fù)湫?包含AC/DC和DC/DC,可實(shí)現(xiàn)功率的兩級(jí)變換,特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng),電池組容量可靈活控制,但兩級(jí)結(jié)構(gòu)使功率轉(zhuǎn)換效率較低;③H橋連式拓?fù)湫?特點(diǎn)是將多個(gè)H橋功率模塊串聯(lián)起來,易于模塊的封裝,還能實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。

監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)具有故障診斷預(yù)警、優(yōu)化調(diào)度決策、電網(wǎng)調(diào)節(jié)等功能。該系統(tǒng)將BESS與電網(wǎng)調(diào)度連接起來,系統(tǒng)將電網(wǎng)調(diào)度發(fā)出的指令傳送到電池的各個(gè)儲(chǔ)能單元,經(jīng)過一系列分析計(jì)算后,確保BESS的安全平穩(wěn)運(yùn)行。常用的監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)工作站、操作員工作站、前置通信工作站、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)、五防工作站、Web服務(wù)器、遠(yuǎn)程工作站、保信子站、通信管理機(jī)和規(guī)約轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成,根據(jù)實(shí)際需要,以雙節(jié)點(diǎn)或者多節(jié)點(diǎn)方式運(yùn)行。在設(shè)計(jì)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)時(shí),要遵循以下原則:①系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行;②系統(tǒng)的配置和功能要與BESS的規(guī)模和需求相適應(yīng);③系統(tǒng)采用開放式分布式架構(gòu),確保當(dāng)部分設(shè)備出現(xiàn)故障后,系統(tǒng)整體能夠正常運(yùn)行;④系統(tǒng)應(yīng)保持高冗余性;⑤系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),以方便后續(xù)增加其他功能;⑥系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)抗干擾性;⑦系統(tǒng)安全防護(hù)功能要到位,確保電力監(jiān)控和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的安全。

電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電氣一次設(shè)備的型號(hào)選擇、擺放位置確定、線路設(shè)計(jì)等。如在BESS接入時(shí),不僅要考慮電站容量和電網(wǎng)電壓的等級(jí),還要考慮電站的功率控制、無功補(bǔ)償裝置的配置等;在電氣主接線設(shè)計(jì)時(shí),要考慮電站的電壓等級(jí)、容量線路的規(guī)劃等;在設(shè)備接入時(shí),要注意線路的短路計(jì)算以及設(shè)備的絕緣配合。

4 BESS接入電網(wǎng)的要求

近年來,BESS的規(guī)模不斷擴(kuò)大、容量不斷增加,接入電網(wǎng)時(shí)要確保足夠的安全性。2018年7月,我國發(fā)布了GB/T 36547-2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)的電壓等級(jí)、電能質(zhì)量、功率控制和測試技術(shù)要求等進(jìn)行了明確規(guī)定,為儲(chǔ)能變流器的設(shè)計(jì)提供了參考。在儲(chǔ)能變流器的并網(wǎng)控制算法設(shè)計(jì)中,利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)變流器與電網(wǎng)的同步,利用電流控制環(huán)實(shí)現(xiàn)電流控制,利用比例積分調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)有功功率控制和無功/電壓控制。在儲(chǔ)能變流器的保護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)設(shè)置過/欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、絕緣監(jiān)測和接地保護(hù)等。當(dāng)系統(tǒng)檢測到狀況異常時(shí),會(huì)發(fā)出警報(bào)聲,儲(chǔ)能變流器停止工作。GB/T 36547-2018對(duì)BESS的并網(wǎng)測試項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定,主要包括功率調(diào)節(jié)能力、過載能力、充放電響應(yīng)、調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)換時(shí)間和電能質(zhì)量等。該書以實(shí)際BESS(24 MW/48 MWh,1個(gè)總控集裝箱,24個(gè)電池集裝箱,1個(gè)10 kV小室)為例,進(jìn)行并網(wǎng)測試實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明:該儲(chǔ)能電站具備1.1倍頻額定功率過載能力,穩(wěn)態(tài)偏差最大值為-5.72%。

5 BESS的防雷與消防設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí),BESS可能會(huì)受到影響,出現(xiàn)設(shè)備損壞、工作異常等情況,甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、爆炸等,因此,防雷設(shè)計(jì)尤為重要。一次設(shè)備的防雷包括整站的防雷和各一次設(shè)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(shí)現(xiàn)整站的保護(hù);BESS中的高壓配電設(shè)備和電池儲(chǔ)能單元,也可能因?yàn)槔纂姷囊u擊造成損壞,可在這類設(shè)備的端口安裝避雷器和電涌保護(hù)器。此外,雷雨天氣時(shí),常常伴隨雷電感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生,可能會(huì)干擾甚至損壞二次設(shè)備,因此,二次設(shè)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(shè)備實(shí)現(xiàn)等電位連接;③電纜屏蔽層接地;④加增信號(hào)電涌保護(hù)器。在二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),還要深入研究線路的整體布置,以減少被雷擊的概率。

社會(huì)實(shí)踐的發(fā)展，不斷提出需要解決的新課題，推動(dòng)著人類的認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展，人們在總結(jié)實(shí)踐提供的新經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出新理論，解決新問題。我國北方某縣在20世紀(jì)80年代開始發(fā)展大田糧食作物噴灌，不僅有效緩解了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水緊缺狀況，增加了城市供水，取得了實(shí)實(shí)在在的節(jié)水效益，而且在噴灌工程建設(shè)過程中充分調(diào)動(dòng)多方積極性，做到了國家和地方、集體和農(nóng)民共同投入，同時(shí)將土地經(jīng)營規(guī)模適度集中，創(chuàng)造了噴灌技術(shù)的良好應(yīng)用條件，加之良好的管理維護(hù)和澆地專業(yè)隊(duì)等服務(wù)網(wǎng)絡(luò)保障了噴灌系統(tǒng)的良好運(yùn)行。正是因?yàn)閷?duì)噴灌技術(shù)與設(shè)備的再認(rèn)識(shí)，又把這些認(rèn)識(shí)再次應(yīng)用到具體的實(shí)踐中去，在新的認(rèn)識(shí)水平上開展農(nóng)業(yè)節(jié)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(yùn)行過程中,可能會(huì)出現(xiàn)過熱、短路和過度充放電現(xiàn)象,甚至引發(fā)火災(zāi),因此,BESS的消防設(shè)計(jì)必不可少。國內(nèi)儲(chǔ)能電站通常配備介質(zhì)為七氟丙烷的氣體滅火系統(tǒng)。這種方式的滅火效果并未得到有效驗(yàn)證。近年來,人們提出了多種儲(chǔ)能電池消防技術(shù),如基于全封閉消防管路的消防技術(shù)、基于物理隔離的消防技術(shù)等。這些技術(shù)的出現(xiàn),有望提高儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié)語

《電池儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)》一書將理論知識(shí)與實(shí)際案例結(jié)合,介紹了電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,詳述了BESS的設(shè)計(jì)原則、基本設(shè)備組成和BESS接入電網(wǎng)的要求,最后闡述了BESS的防雷與消防設(shè)計(jì)方法。該書內(nèi)容清晰、圖文并茂,可供從事BESS設(shè)計(jì)的科研人員參考。

書名:電池儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)

作者:嚴(yán)亞兵等 編著

ISBN:9787519847944

出版社:中國電力出版社

出版時(shí)間:2020-12-01

定價(jià):￥48.00元