儲(chǔ)能電站在大型商業(yè)綜合體中的應(yīng)用

楊 璽， 汪 海， 劉 鋒

(1. 北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，北京 100020； 2. 萬(wàn)達(dá)商業(yè)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，大型商業(yè)綜合體的負(fù)荷峰谷差逐漸增大，配電線路也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段已難以完全滿足大型商業(yè)綜合體的電力系統(tǒng)調(diào)控的需要，而儲(chǔ)能電站技術(shù)作為一種全新的調(diào)節(jié)手段，已經(jīng)成為支持大型商業(yè)綜合體電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理的最優(yōu)選擇之一。 一方面儲(chǔ)能電站具有能量時(shí)序調(diào)節(jié)作用，具有削峰填谷重要特性，在一定程度上實(shí)現(xiàn)電力供需的分離，改變傳統(tǒng)大型商業(yè)綜合體開(kāi)業(yè)即用電高峰的瞬時(shí)性特點(diǎn)；另一方面，儲(chǔ)能電站具有靈活性、精準(zhǔn)性和可靠性等特點(diǎn)，對(duì)大型商業(yè)綜合體延緩供配電基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)投資、提升電能質(zhì)量、保證電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面起著不可估量的作用。

1 項(xiàng)目背景

本文以北京昌平區(qū)某大型商業(yè)綜合體為例，該項(xiàng)目建筑面積約16 萬(wàn)m2，設(shè)置A1、A2 和B 共3 座變電所，分別內(nèi)設(shè)2 臺(tái)1 600kVA 變壓器。 因臨近八達(dá)嶺長(zhǎng)城景區(qū)，計(jì)劃將本項(xiàng)目升級(jí)為美食網(wǎng)紅一條街。

改造前本項(xiàng)目存在如下問(wèn)題:餐飲少、娛樂(lè)少、體驗(yàn)業(yè)態(tài)少、無(wú)影院、無(wú)超市、客流量低，整體商業(yè)運(yùn)營(yíng)狀況失去活力。 現(xiàn)狀變壓器容量為9 600kVA，就近的上級(jí)開(kāi)閉站無(wú)富裕容量，如增容需由較遠(yuǎn)處上級(jí)電源供給。

本次改造需求:商業(yè)業(yè)態(tài)調(diào)整，增加餐飲、娛樂(lè)體驗(yàn)業(yè)態(tài)、影院及超市等，且地下車(chē)庫(kù)要預(yù)留一定數(shù)量的電動(dòng)汽車(chē)充電樁；經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，新增負(fù)荷容量較原負(fù)荷容量增加1 800kW。

2 供電方案分析

2.1 負(fù)荷分析

因上級(jí)電源容量無(wú)富裕，如何解決用電負(fù)荷缺口是十分關(guān)鍵的問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)對(duì)負(fù)荷的分析，本項(xiàng)目新增用電量較大的負(fù)荷比如餐飲、娛樂(lè)體驗(yàn)、超市等均為周期性很強(qiáng)的負(fù)荷，用電高峰集中在白天，尤其餐飲負(fù)荷，一般用電時(shí)段集中在11:00-14:00，17:00-19:00。

2.2 方案分析

筆者所在團(tuán)隊(duì)考慮采用儲(chǔ)能設(shè)施進(jìn)行削峰增益，也符合國(guó)家提出的“碳中和、碳達(dá)峰”策略的要求，但是大型儲(chǔ)能電站在地產(chǎn)行業(yè)尚未有應(yīng)用，尤其是大型公建改造項(xiàng)目(本項(xiàng)目應(yīng)屬首例)，對(duì)于其設(shè)備安全隱患、供電潮流計(jì)算、配電柜母線改造以及儲(chǔ)能電站運(yùn)行策略等都需要詳細(xì)的方案論證。

因本項(xiàng)目屬于人員密集場(chǎng)所，兼顧安全性考慮，方案確定為在室外設(shè)置4 組500kW 集裝箱式鋰電池儲(chǔ)能電站(共計(jì)2 000kW，滿足本項(xiàng)目負(fù)荷缺口)。

3 儲(chǔ)能電站安全性措施

3.1 問(wèn)題分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣部分由匯流柜、變流器、變壓器等電氣設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)電池本體與外部電源的電量交換。 一般來(lái)說(shuō)，電氣設(shè)備本身的制造工藝和技術(shù)成熟度很高，電氣保護(hù)技術(shù)也比較成熟，正常運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障的可能性不大。 但儲(chǔ)能電站空間緊密，因拓?fù)湓O(shè)計(jì)不合理、選型不匹配、外部故障等引發(fā)的電氣設(shè)備發(fā)熱、放電等不正常運(yùn)行狀態(tài)，極有可能傳導(dǎo)至電池本體，間接造成電站事故。 消防設(shè)施設(shè)計(jì)合理、配置到位、系統(tǒng)完好，儲(chǔ)能發(fā)生火災(zāi)后造成的損失就會(huì)得到降低，其發(fā)生火災(zāi)的概率和造成的后果也就越小。

3.2 站址選擇

本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)直接面向商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，坐落在人員或設(shè)備密集區(qū)。 相比于變壓器等電氣設(shè)備，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生起火爆炸的概率大，且由于儲(chǔ)能本體特殊的化學(xué)性能特性，火災(zāi)事故容易擴(kuò)展，儲(chǔ)能電池作為一種能量存儲(chǔ)裝置在受外部環(huán)境刺激或內(nèi)部制造缺陷的影響下會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，在密閉空間中一旦某一電池儲(chǔ)能單元發(fā)生火災(zāi)，可能引起相鄰多個(gè)單元的聯(lián)鎖火災(zāi)甚至爆炸，其對(duì)安全性有更高要求，因此在土建設(shè)計(jì)階段應(yīng)予以充分考慮。

基于火災(zāi)危險(xiǎn)性考慮，本項(xiàng)目將儲(chǔ)能電站設(shè)置于室外綠地，距建筑外墻20m，同時(shí)可以避免對(duì)原有土建結(jié)構(gòu)大拆大改、節(jié)約施工周期和項(xiàng)目成本，儲(chǔ)能電站總圖位置見(jiàn)圖1，平面詳圖見(jiàn)圖2。

圖1 儲(chǔ)能電站總平面示意圖

圖2 儲(chǔ)能電站平面詳圖

3.3 儲(chǔ)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(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)艙室間物理隔離，可保證在某一艙內(nèi)出現(xiàn)火情，不會(huì)蔓延到其他艙室，當(dāng)電池發(fā)生熱失控后，將火災(zāi)影響降低至最低范圍，分倉(cāng)布置情況見(jiàn)圖3。

圖3 電池分倉(cāng)布置

3.3.2 浸沒(méi)式水冷卻系統(tǒng)

將火災(zāi)控制在萌芽狀態(tài)，杜絕電池復(fù)燃。 在電池出現(xiàn)故障引起內(nèi)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(shí)間內(nèi)，“浸沒(méi)式”水冷卻系統(tǒng)向故障電池艙內(nèi)注水冷卻。

3.3.3 可燃?xì)怏w探測(cè)及氣體滅火系統(tǒng)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)爆炸事故，設(shè)置靈敏的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)消防聯(lián)動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)避免可燃?xì)怏w聚集，開(kāi)發(fā)了全新的消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)邏輯，可將爆炸風(fēng)險(xiǎn)降為最低。 通風(fēng)直排室外，設(shè)置靈敏的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備，將可燃?xì)怏w爆炸風(fēng)險(xiǎn)降為最低。 同時(shí)配備“探火管式”氣體消防系統(tǒng)作為后備保護(hù)。

4 儲(chǔ)能電站供配電設(shè)計(jì)

4.1 電氣一次主接線

本次改造項(xiàng)目采用儲(chǔ)能電站系統(tǒng)容量為2 MW/8 MWh，以500kW/2 MWh 為1 個(gè)儲(chǔ)能單元，每個(gè)500kW/2 MWh 儲(chǔ)能單元由1 臺(tái)雙向儲(chǔ)能變流器PCS 帶隔離變裝置和1 套500kW/2 MWh 的儲(chǔ)能子系統(tǒng)組成，共4 個(gè)儲(chǔ)能單元。 儲(chǔ)能電站以交流380V 接入低壓配電系統(tǒng)，接入點(diǎn)為B 座變電所兩臺(tái)變壓器TD1 和變壓器TD2 低壓側(cè)，一次接線圖見(jiàn)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(gè)380V 并網(wǎng)柜。 基于原變電所排布，同時(shí)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(wǎng)柜可靠連接，母線橋需配置合理數(shù)量的支吊架。 在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)注意母線橋開(kāi)孔與原有低壓柜相匹配，并網(wǎng)柜平面布置圖見(jiàn)圖5。

圖5 并網(wǎng)柜平面布置圖

4.3 原有低壓母排分析

本次設(shè)計(jì)分別在B 座變電所兩臺(tái)變壓器的380V母線末端各接入兩組500kW 儲(chǔ)能單元，兩臺(tái)變壓器容量均為1 600kVA。 在正常營(yíng)業(yè)期間，每段380V 母線需承受1 600kVA 變壓器和1 000kW 儲(chǔ)能并列運(yùn)行。

針對(duì)該負(fù)荷情況，利用ETAP 軟件對(duì)單段母線進(jìn)行建模仿真，以4 個(gè)500kVA 負(fù)荷和1 個(gè)600kVA負(fù)荷為例，在380V 母線兩端分別加一臺(tái)1 600kVA變壓器(參數(shù)同實(shí)際變壓器)和一臺(tái)1 000kVA 變壓器(模擬2 組500kW 儲(chǔ)能電源)，由ETAP 的潮流計(jì)算功能得到潮流結(jié)果(圖6)。

圖6 潮流計(jì)算示意圖

從潮流結(jié)果可看出，各段母線通過(guò)的電流分別為1 510A、1 510A、755A、755A、1 510A、2 415A、 2 415A，均沒(méi)有超過(guò)原低壓母排額定載流量3 200A。故變壓器和儲(chǔ)能電站正常運(yùn)行時(shí)，母線電流不會(huì)超過(guò)原低壓母排額定載流量3 200A，可不做更換，節(jié)材節(jié)能。

5 儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)策略制定

儲(chǔ)能電站常見(jiàn)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(xiàng)目背景中已交代本項(xiàng)目改造后存在巨大用電缺口問(wèn)題，在運(yùn)營(yíng)期間(電價(jià)對(duì)應(yīng)平、峰)儲(chǔ)能電站不能實(shí)現(xiàn)充電模式，故兩充兩放在本項(xiàng)目中并不適用。 另考慮新增用電負(fù)荷特性為用電高峰集中，一充一放比一充兩放更加貼合負(fù)荷特性。 綜上分析，本項(xiàng)目充放電模式最終選擇為一充一放。 針對(duì)本項(xiàng)目商業(yè)運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，制定如下運(yùn)營(yíng)策略。

5.1 開(kāi)業(yè)、節(jié)假日客流高峰期

(1)隨時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)載率，當(dāng)負(fù)載率到85%時(shí)，投運(yùn)一組500kW 儲(chǔ)能電池放電。 另一組500kW儲(chǔ)能電池，勿輕易投切。

(2)當(dāng)監(jiān)測(cè)到變壓器負(fù)載率85%，一組500kW儲(chǔ)能電池滿載時(shí)，再次投切第二組。

(3)節(jié)假日客流高峰的前一天晚上，在晚上12點(diǎn)到第二天(節(jié)假日)上午8 點(diǎn)之前，務(wù)必確保2 000kW 儲(chǔ)能電池充滿(一般充滿需6～8 h)，典型運(yùn)營(yíng)圖見(jiàn)圖7。

圖7 一充一放(谷充峰放)典型運(yùn)營(yíng)圖

5.2 平時(shí)客流低谷期

兼顧到儲(chǔ)能電站安全性及使用壽命，采取平時(shí)白天投入50%儲(chǔ)能電站且需要分時(shí)段投入的方式，比如在中午或下午用電量大的時(shí)段投入。 經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)，滿足使用要求。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

儲(chǔ)能電站在峰谷電價(jià)差很大的區(qū)域(如本項(xiàng)目所在地北京市昌平區(qū))設(shè)置，投資回報(bào)率高，且設(shè)置儲(chǔ)能電站后，供電系統(tǒng)更加可靠。

本項(xiàng)目在電價(jià)低谷期(閉店期)將所有儲(chǔ)能電池充電完畢，于電價(jià)高峰期將儲(chǔ)能電池放電完畢，本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能電站具體配置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)能電站配置參數(shù)

本項(xiàng)目總投資額:1.8 元/Wh×2 000kW×1 000×4 h ＝1 440 萬(wàn)元。

本項(xiàng)目電價(jià)效益:2 000kW×365×4 h×(1.226 8-0.240 7)元/kWh ＝288 萬(wàn)元/a。

投資回收期:1 440 萬(wàn)元/288 萬(wàn)元/a ＝5 年。

根據(jù)以上計(jì)算，約五年就可以收回成本，儲(chǔ)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(yīng)用前景

(1)通過(guò)總結(jié)分析峰谷電價(jià)差大于0.8 元/kWh，谷電價(jià)、峰電價(jià)連續(xù)時(shí)段持續(xù)時(shí)間不低于3 h，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)儲(chǔ)能疊加光伏，將光伏發(fā)電量(上網(wǎng)電價(jià)0.3～0.5 元/kWh)不上網(wǎng)，存入儲(chǔ)能電池在用戶電價(jià)高峰時(shí)(高峰電價(jià)0.8～1.0 元/kWh) 儲(chǔ)能放電，提升整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

(3)電力現(xiàn)貨交易市場(chǎng)放開(kāi)后，電力商品屬性更加突顯，高峰電價(jià)將更高，低谷電價(jià)更低，用戶峰谷電價(jià)差進(jìn)一步拉大，通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)峰谷購(gòu)電負(fù)荷，可為用戶節(jié)省更多電費(fèi)。

8 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目是目前地產(chǎn)行業(yè)首批應(yīng)用大型儲(chǔ)能電池作為供電擴(kuò)容的成功實(shí)踐案例，本設(shè)計(jì)在整體配電方案、設(shè)備安全性、潮流計(jì)算分析、配電柜母線改造分析以及儲(chǔ)能電站運(yùn)行策略等方面積累了很多值得學(xué)習(xí)和推廣的經(jīng)驗(yàn)。 隨著城市更新的進(jìn)展，越來(lái)越多的既改項(xiàng)目提上日程，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中提升了地產(chǎn)改造行業(yè)創(chuàng)新能力，既降低了投入成本又節(jié)能環(huán)保，減少碳排放。

儲(chǔ)能電站是供電系統(tǒng)微擴(kuò)容的一個(gè)新方法。特別是改造項(xiàng)目，當(dāng)外電源擴(kuò)容困難的情況下，這也是一個(gè)新思路。