锂电池储能系统设计及应用

锂电池储能系统设计及应用

陈大教

广东宇阳新能源有限公司  广东省东莞市 523000

摘要：在电网侧布置储能系统，可以有效消纳新能源，并在电网调峰、调频中发挥巨大作用，促进电网发展模式的变革。基于某电网侧集中式锂离子电池储能电站示范工程，开展储能系统集成技术研究，完成了规模化储能电站设计。储能电站可实现精准快速的功率控制，平滑新能源并网波动，为集中式锂电池储能电站在电网中的推广应用提供技术支撑。

关键词：锂离子电池；储能系统；储能电站

前言：我国电网供用电不平衡矛盾突出，导致电网面临峰谷差进一步加大、间歇式新能源接入突增以及电网调峰 调频不确定性增多等问题。电化学储能技术贯穿于可再生能源并网、调峰调频辅助服务、输配电和用户侧等，可以有效提升电网对可再生能源的消纳能力，丰富电网调峰、调频和调压等辅助服务手段，使电力系统变得更加“柔性”和“智能”，促进电网发展模式变革，是未来智能电网建设的关键之一。

2017年我国五部委联合出台首个国家级储能政策 《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》，对国内储能技术发展和应用作出了全面的战略部署。在国家政策的支持下，我国电化学储能技术迅速发展，已有多座大规模示范项目建成投运，如河南电网100 MW电网侧分布式电池储能电站示范工程、江苏镇江电网侧储能电站工程等。据统计，截至2020年底，我国电化学储能累计装机规模已达14.2GW，其中锂离子电池储能的累积装机规模达到13.1 GW，占比92%以上。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，电化学储能电站规模将高速扩大。电池储能系统的工程应用尚处于初级阶段，在储能系统设计、储能电站建设、电网接入与运行等方面经验不足。本文依托某锂离子电池储能电站示范工程，进行了集装箱式储能系统设计，完成了储能电站接入方案设计，并分析了储能电站的运行效果，可以为储能技术快速发展提供理论与实践支撑。

1集装箱式储能系统设计

1.1 储能系统结构设计集装箱式储能系统结构设计如图1所示。集装箱采用13米标准集装箱,主要包含电池系统、电池管理系统、热管理系统以及消防系统等。

图1 集装箱式储能系统结构

1.1.1 电池系统。电池是储能系统能量储存和释放的核心设备，也是影响储能系统性能的关键设备。磷酸铁锂电池具有安全性好、比能量高、循环寿命长、自放电率低以及环境适应性强等优点，是目前应用最广泛的储能电池之一。本文采用容量180 Ah磷酸铁锂电池单体进行电池系统成组设计。电池系统由电池单体串联为电池模块，电池模块串联成电池簇，电池簇并联而成。电池系统共包含8个电池簇，每个电池簇包含20个电池模块，每个电池模块包含24只单体电池。电池系统额定容量为2 MW·h，额定功率为2 MW，额定电压为768 V。 磷酸铁锂电池单体、电池模块及电池簇结构[1]。

1.1.2 电池管理系统。图2为储能系统电池管理 （Battery Management System，BMS）的3层架构，按照电池模块单元、电池簇单元和电池系统进行分层管理。电池模块管理单元（Battery Management Unit，BMU）通过电压、温度采集模块，配合数模转换电路，实现单体电池电压、电池模块电压以及温度的采集，同时可针对电池单体间的电量不一致情况进行均衡。电池簇管理单元（Battery Cluster Management System，BCMS）完成电池簇电压、充放电电流以及电池簇的高压绝缘电阻检测，并汇总BMU采 集的数据，进行电池簇剩余电量估计、故障诊断、均衡控制以及安全控制等。电池系统管理单元（Battery Association Management System，BAMS）实现对储能系统的全面控制与保护，并实现与储能变流器和站内监控系统的通信。

图2 电池管理系统3层架构

每套储能系统配置4套电池管理系统，实现舱内电池系统的数据采集、数据处理、均衡管理及保护，并与站 内监控系统进行数据交互。每套电池管理系统包含1个电池系统管理单元（BAMS）、2 个电池簇管理单元（BC⁃ MU）和20个电池模组管理单元（BMU）。

1.1.3 热管理系统。储能系统采用风冷散热方式。热管理系统主要由空调、风道、风扇以及温度传感器等构成。空调送风进入风道，最终送至电池插箱背部。电池插箱前端面板上风扇将热风抽出，流向空调回风口形成气流的循环，从而达到电池散热的目的。

1.1.4 消防系统。消防灭火系统包括柜式七氟丙烷灭火装置、声光报警器、放气指示灯、紧急启停按钮、温感、烟感和可燃气体探测器等。当温感、烟感以及可燃气体探测器三者中任两者触发报警阈值，系统控制均将切断非消防配电，通过中间继电器控制电池管理系统切断直流电气回路，促使储能变流器停机，并将信号反馈到火灾报警控制器，火灾报警控制器控制声光报警器发出报警。火灾报警控制器将信号传递给气体灭火控制器，由气体灭火控制器控制七氟丙烷灭火装置，30s延时后向电磁驱动装置发出启动信号，开启电磁阀，释放灭火剂。灭火剂通过喷嘴释放到保护区，达到灭火的目的。

1.2储能系统控制策略设计

储能系统的控制包括电池控制、储能变流器控制、火灾报警系统控制以及视频监控系统控制等。本文采用以电池系统管理单元(BAMS)为控制核心的储能系统集中控制技术,控制系统框图。通过BAMS实现与电池系统、储能变流器等的状态监控、数据采集、历史数据库维护查询等功能,同时具有与站控系统进行信息交互的功能,能实现对空调系统、安防系统等的控制。

2 储能变流装置设计

储能变流器是储能系统与电网进行能量交换的关键设备。储能变流器采用四象限变流技术，实现能量的双向流动和有功无功四象限控制，主电路原理储能变流器具有输入输出功率因数可调、自动软启等功能，通过通信接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率和无功功率的调节。储能变流器控制器通过CAN接口与BAMS通信，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

本文采用的储能变流器额定功率为500 kW，直流侧电压范围为580～900 V，交流侧额定电压为400V。储能变流器结构。外部主要部件包括 LED指示灯、LCD触摸屏、启停旋钮以及紧急停机按钮等。内部元器件主要包括主控单元、功率单元、滤波单元、交流侧断路器、直流侧断路器以及采样霍尔单元等[2]。

3 储能电站设计及运行

储能电站规模为10 MW/10 MW·h，由 5 套 2 MW/2 MW·h 储能系统构成， 每套储能系统接入4台额定功率为 500 kW 的储能变流器，储能变流器交流侧接入额定容量为2200 kVA的双分裂升压变低压侧，并通过变压器升压后接入10 kV母线。储能电站可以实现如下的功能：支撑电网削峰填谷，延缓电源和电网建设，提高能源利用效率和电网整体资产利用率；提高电网需求侧响应的能力，缓解电网运行压力，提高电网运行稳定性；促进新能源消纳，改善电能质量，减少弃风弃光。储能电站通过站控层网关与调度控制系统连接，接收市调、地调调控指令，实现削峰填谷、自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）、自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）、紧急功率支撑以及紧急电压支撑等功能。其中：AGC 功能由调度室下发指令至站内AGC子站实现；AVC功能由调度室下发指令至站 内AVC子站实现。储能调度控制系统配置有前置服务器、应用服务器以及数据服务器等设备，负责整个储能系统的通信管理、数据采集、数据处理及运行管理等功能，对各储能电站进行协调调度。储能电站运行时，根据调度 AGC 指令进行充放电。当区域负荷过高时，调度控制储能电站放电，将负荷尖峰削平；当区域负荷降低时，控制储能电站从电网吸收多余的电量。此外，储能电站还可以有效平滑储能电站内光伏和风电功率波动。储能电站功率控制精度为0.2%充放电响应时间为216 ms，能够实现精准快速的功率控制。

结语

锂电池储能系统在电网侧的应用日益广泛。本文开展锂电池储能系统集成设计研究，阐述了储能系统用储能电池、电池管理系统及储能变流器等核心设备结构及功能设计，完成了基于集中控制技术的储能系统控制策略设计。

参考文献：

[1]张鹏杰,罗军,杨文辉,曹增立,李占军.兆瓦级锂电池储能系统设计及应用[J].河南科技,2021,40(13):28-31.

[2]黄任飞.钛酸锂电池在兆瓦级储能系统中的应用分析[J].储能科学与技术,2019,4(03):290-294.