大型储能电站设计案例和关键要素

大型储能电站设计案例和关键要素 2021年5月杭州 1 目录 01 储能发展前景 02 储能电站案例 03 储能安全性问题 03 工程设计要点 2 01 储能发展背景 3 储能发展前景 能源革命需求 “四个革命，一个合作” 未来能源发展方向 2030碳达峰、2060碳中和储能 国家能源战略：构建以新能源为主体的新型电力体系 未来能源低碳化、清洁化、智能化的基础洁能 智能 能源变革和能源结构调整的关键要素 4 储能发展前景 储能在新型电力系统作用 新型电力体系特点：高比例、高弹性、 数字化 电力系统中引入时间、空间因子要素，将改变电能生产、输送和消费同步完成的模式 实现电能潮流双向流动和电网更具柔性 ，提高能源利用效率 储能——电力系统第五大要素 5 储能发展前景 01用户侧的峰谷差套利模式 02可再生能源+储能互补模式 03微网侧的系统调节服务 04电网侧的调峰服务 05AGC调频服务 06售电公司的电量偏差对冲服务 07替代重要部分和设施的应急备用电源 08紧急频率支撑 09燃储互补黑启动模式（燃机冷启动） 10与电厂构建“基荷-辅助服务”互补系统 6 02 储能电站案例 7 储能设计案例 用户侧储能 长丰纸业储能电站，采用5MW/40MWh铅碳电池系统，10KV接入用户配电网，共置24960节电池，20台250kWPCS。 双层集装箱安装，包括40个电池集装箱，2个PCS集装箱和1个集控箱。 8 储能设计案例 共享储能 格尔木美满闵行储能电站，国内首个市场化运营电网侧共享储能电站，位于海西110千伏白杨变，利用电力仓库改建。 一期采用32MW/64MWh的磷酸铁锂电池。接受省调调度和青海省大数据中心的撮合交易，通过共享方式为光伏企业提供调峰辅助服务，增加光伏消纳和送出。 9 储能设计案例 火储联合调频储能 ， 。 广东红海湾电厂2x660MW配套20MW/10MWh储能系统 由10个储能单元组成，采用一拖二形式接入厂用电系统 储能系统通过跟踪AGC指令与机组出力，自动补偿机组出力偏差，实现整体快速精确调节，响应时间短，调节速率快，调节精度高。 日中标里程达15000MW，交-直-交能量效率达88%。 10 储能设计案例 独立集中式储能 利用电厂退役机组场地、既有线路和设施，建设一座独立电化学储能电站，规模100MW/200MWh。 负荷中心的“抽水蓄能”电站。 参与发电辅助服务市场，主要为电网提供调峰、调频、调相、备用和需求侧响应等多种电力辅助服务。 快速灵活的调峰特性，特别适合浙江电网午间2小时的短时调峰的需求。 毫秒级频率响应能力，直流故障的紧 急频率支撑 11 03 储能安全性问题 12 储能安全性问题 案例1：:北京市某光储充一体化电站发 生爆炸 安全 案例2：江苏某储能电站 调试时正负极不小心短接 ，电池簇未设置熔断器，引发全站事故 案例3：山西某储能电站汇流柜内电路设置不合理，接触件老化引起短路，引发事故 13 储能安全性问题 热失控原理机制 锂电池热失控主要因素：外部短路、外部高温和内部短路。 热失控过程：防爆膜破裂-电解液喷出-燃烧 热失控过程产生大量CO、SO2、THC等有毒可燃烟气，在封闭空间内具有爆炸的风险 大多数电池火灾，首先是内短路引发的，其热量和温度对相邻电池形成了“外部高温环境”，引发相邻电池热失控，导致整个PACK的连锁反应。 据统计，大部分储能事故由系统设计不合理引发或 事故扩大。 冤锂离子电池热失控过程 14 04 工程设计要点 15 工程设计要点——设备选型 电化学储能电站 储能电池储能变流系统 （PCS） 电池管理系统 (BMS) 变配电系统 能量管理系统系统 (EMS) 消防系统暖通系统 16 工程设计要点——设备选型 种类 优点 缺点 锂离子电池 循环寿命多、响应速度快、能量密度高、占地少、技术成熟、效率高约90%、产量大、成本较低 环境温度要求高、有爆燃危险、需配电池管理系统与保护 水系电池 安全性高、较环保、维护方便、可回收 能量密度低、技术成熟度较低、产量少 铅酸/铅碳电池 技术成熟、结构简单、价格低廉、维护方便 不支持深度、快速和大功率放电、能量密度低、寿命短、环保性差 钠硫电池 循环寿命长、能量密度高、响应速度快、效率约75% 高温（500℃）下运行，使用金属钠，有一定的安全风险 全钒液流电池 循环寿命长、可达万次以上 价格昂贵、能量密度和功率密度低，响应时间长 镍氢电池 温度使用范围宽、循环寿命长、不燃不爆、安全性高 成本高、强碱性电解液易易对环境造成污染 电化学储能电池比较 锂离子电池中，磷酸铁锂离子较三元锂等其他锂离子电池，具有更高的高温稳定性和安 全性。在当前电化学储能电池技术发展阶段，磷酸铁锂电池更适合应用于电化学储能电站的建设。 17 工程设计要点——设备选型 磷酸铁锂电池选型要点 符合标准：电池单体、模组、簇的安全性能符合现行国家标准《电力储能用锂离子电池》GB/T36276的相关规定 型式试验检测合格：经中国电科院等第三方机构型式试验检测合格，确保电池在发生外部短路、高温、挤压、冲击、过充、振动的情况下均无渗透、排气、破裂、解体和燃烧 相关认证（推荐项）：UL、IEC、UN38.3等 18 工程设计要点——设备选型 模组结构和簇结构设计 从电池模组设计上对电池防火性能进行提升 模组和PACK材料应采用耐火材料 能 智能 设计应充分考虑电芯间距和pack间距洁 支架设计充分考虑导流及扰流 簇内电气设计时应电气柜绝缘设计和爬电距离 19 工程设计要点——设备选型 SCU 电池管理系统（BMS）——主动均衡+数据管理后台 采用主动均衡策略，消除电池模组间不一致性，提 高电池循环次数和运行安全性。 RS485 故障I/O RS485和故障I/O 在常规三级架构基础上设置BMS数据管理后台，保障数据的采样精度、扫描周期和传输速率 以太网 动环空调 BSU 监测 消防 电气保护机 构 RS485 故障干结点 PCS 以太网 充分挖掘BMS的检测数据，完善BMS的保护功能。 BMS设计上，应设置温度逐级报警和联锁保护策略 。当温度超过60℃时，应联锁系统停机。当温度持 续升高，并且温度上升速率达到一定值，判断该电池模组已热失控，提前预警，赢得处置时间，避免事故扩大和蔓延。 BMS系统设计、制造上需要考虑高安全、高可靠性 CANBUS BCU1 CANBUS BMU1.1BMU1.2BMU1.3BMU1.4 电池模组.1 （V12S，T3） 电池模组.2 （V12S，T3） 电池模组.3 （V12S，T3） 电池模组.4 （V12S，T3） 断路器接触器 BCUN 洁能 智能 BMUN.1BMUN.2BMUN.3BMUN.4 电池模组N.1 （V12S，T3） 电池模组N.12 （V12S，T3） 电池模组N.3 （V12S，T3） 电池模组N.4 （V12S，T3） 绝缘/电流检测熔断器 CANBUS BMU1.19 电池模组.19 （V12S，T3） BMUN.19 电池模组N.19 （V12S，T3） 20 工程设计要点——容量配置 应用场景 用户侧or发电侧or电网侧？ 所见非所得 充放电倍率效率与损耗 0.25C？0.5C？1C？2C? DOD、电池转换效率、PCS转换效率、升压变 流效率（如有）、线路损耗、站用电洁损能耗等 智能 电池容量 避免电池运行在高于设定的充放电倍率范围内、保证电池运行状态安全。 21 工程设计要点——建筑防火设计 站房式储能电站 模块化布置，提高建筑利用率 重点：合理布局、分割电池室和PCS室尺寸； 难点：建筑防火设计和消防设计； 措施： a)电池室采用标准间设计，独立分区，满足防火分区要求；缩小环境管控空间，减少暖通投资；b)PCS等变、升压设备相对集中布置，尽量毗邻相应电池室布置，以缩短电缆； 智能 c)电池室电缆应考虑上出线和桥架方式； d)建筑设计应充分考虑设备检修和运输通道； e)结构设计应充分考虑静荷载、均布特点； 占地指标：＜15平方米/MWh 22 工程设计要点——建筑防火设计 预制仓式储能电站 与附近建/构筑物保持安全距离，必要时设置防火墙 非同一系统的储能电站之间保持安全距离或设置防火墙 不同电池簇间做物理分隔，减小电池事故范围 智能 23 工程设计要点——电气拓扑与保护设计 模块化设计（簇-单元-堆），保证电池运行 一致性 储控制电池簇并联，储能单元规模宜≤2.5MW 能 系梯次电池建议采用组串式PCS。 智能 统400V并网储能系统，应配置隔离变压器。电设置完备的电气保护：交流系统保护、直流气系统保护。 拓 扑 24 工程设计要点——电气拓扑与保护设计 完善电气直流系统保护，要求能承受短时间的大电流冲击。 电气设备选型严格按照电厂设计标准执行，排除因产品质量和参数选型原因导致火灾发生的隐患。 电池直流系统保护设计 每个电池簇高压箱出口应设置熔断器，PCS交、直流侧设置断路器，保证外部短路不会触发电池热失控。在极限情况下，短路点无法越过电池簇熔断器，引起电池的大面积过充和热失控。 储能子单元设置急停开关。当按下急停按钮，断开储能单元交流侧开关，同时使得电池簇直流接触器分开，彻底断开电池系统与外部电路。 25 工程设计要点——消防设计 火灾报警系统 电池区域按规范设置感温探测器、感烟探测器和可燃气体探测器，消防报警信号与BMS温度信号联合判断电池热失控。 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇消防汇流控制 柜柜 气体灭火系统 电池系统 空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调汇流控制 柜柜 电池区域按规范设置气体灭火系统，并与火灾报警连锁。 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇 消防汇流控制 柜 汇流控制空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调柜柜 一个独立的电池区域作为一个防护区，气体灭火系统按全 淹没灭火方式。 电池系统电池系统 空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调汇流控制 柜 消防汇流控制电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇柜柜柜 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇消防汇流控制 柜柜柜 汇流控制空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调柜柜 智能 电池系统电池系统 空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调汇流控制 柜柜 二次水喷淋冷却系统 消防汇流控制电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇柜柜柜 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇消防汇流控制 柜柜柜 汇流控制空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调柜柜 因电池室内着火后，人员难以靠近。建议每个电池区域上方设置雨淋喷头，手动接入外部水源。每个区域需做好防水和排水收集措施。 电池系统电池系统 空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调汇流控制 柜柜 消防汇流控制电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇柜柜柜 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇消防汇流控制 柜柜柜 汇流控制空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调柜 电池系统电池系统 空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调汇流控制 柜柜 消防汇流控制电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇柜柜柜 电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇消防汇流控制 柜柜柜 汇流控制空调电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇电池簇空调柜 电池系统 26 工程设计要点——消防设计 预制舱簇级防护设计 每个电池簇单独设置隔舱，设为独立防火分区。 每个隔舱设置烟感、温感和可燃气体探头。 每个隔舱设置一套探火管式气体灭火系统。主要通过物理方式探测火灾的发生，当温度达到