浅谈电化学储能电站的系统集成方案

引言

“双碳”战略目标下，国家明确提出构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统 , 推动清洁电力资源大范围优化配置。随着以风电、太阳能发电为代表的新能源逐步实现对煤电、气电等传统化石能源的替代，新能源发电“随机性、间歇性、波动性”出力特征和“低惯量、弱支撑、弱抗扰”运行特性将给电力系统带来严峻挑战。作为中东部地区的典型省级受端电力系统，近年来清洁低碳转型步伐明显加快，已经呈现出高比例可再生能源、高比例电力电子器件、高比例外来电“三高”电力系统特征，能源电力安全、绿色、经济发展面临的各种问题和矛盾非常突出。构建新型电力系统，形成“清洁能源 + 区外来电 + 储能”多轮驱动的能源供应体系和“源网荷储”协调互动的安全运行体系，是保障能源电力安全供应、清洁能源高效消纳和电网安全稳定运行的必然选择。

1. 储能总体方案

某工程采用直流 1500V 储能系统方案，储能电池系统采用预制舱布置，主要包括液冷储能电池舱、储能变流升压一体机、本地控制器柜等舱体。储能电站直流侧可用容量达到163.68MWh、放电深度不低于 95% ，系统综合效率 85% 。

工程建设规模容量为 88MW/163.68MWh 储能系统分为 22 套 4MWPCS 升压一体舱，44 套 3.72MWh 电池舱。储能单元采用集装箱一体化设计方案，每套储能单元由 2 台磷酸铁锂电池集装箱和 1 台储能变流升压一体机组成，每套储能变流升压一体机含 20 台 200kW 变流器、1 台升压变构成，升压变升压至 35kV 预制舱后，其中 8 套 4MWPCS 升压一体舱，16 套 3.72MWh 电池舱接入 #1 35kV 预制舱并最终接入 220kV 变电站 1 号主变低压侧 35kV 母线；其中 14 套 4MWPCS 升压一体舱，28 套 3.72MWh 电池舱接入 #2 35kV 预制舱并最终接入 220kV 变电站2 号主变低压侧35kV 母线.。

储能系统包括电池系统方案、热管理系统方案、BMS 电池管理系统方案、消防系统方案、控制汇流系统方案、升压变流系统方案、控制保护设备方案、集装箱及配套装置方案等。

1.1. 电池选择

电源侧，储能主要应用于大规模可再生能源并网、电力市场辅助服务等领域。储 能配置对风电场主要有两个作用，一是与风电场配合提高风电上网电量，提高风电场运行效率，主要功能包括配合平抑风电场出力波动、提升风功率预测准确性、跟踪风电场计划出力曲线等；二是参与电网辅助服务，参与电网调峰、调频、调压、具备低电压穿越能力等功能。因此，需针对风电场配套储能电站相应功能进行电池选择。

2 配置方案

2.1. 储能电站主要储能方式分类

现阶段，在诸多储能技术中，从规模、安全性、成本等方面综合考虑最成熟的技术是抽水蓄能。除抽水蓄能外，尚没有一种储能技术在应用规模上占据绝对的优势，各自均存在发展短板，多种储能技术路线相互竞争、多元化发展的局面在短期内仍将 继续保持。

（1）机械储能

抽水蓄能是电力系统中应用最广泛、最成熟的大规模储能技术，具有容量大、寿 命长、运行费用低的优点。抽水蓄能电站单位投资在 元 /kW左右，连续抽水 或发电时间一般可达 10 余小时，系统效率在 75% 左右。但是由于抽水蓄能对外部地理 环境要求较高，限制了其广泛应用。

压缩空气储能具有容量大、连续工作时间长、寿命长等优点，全生命周期内的度 电成本低于大部分电化学储能，具有良好的经济性，但大型压缩空气储能系统一般需 要利用盐穴、矿坑等特殊地理条件建设储气室。美国、德国均有百兆瓦级压缩空气储 能电站投入商业运营，国内常州金坛 60MW×4h 盐穴压缩空气储能项目已被列入国家示 范项目，目前处于前期工程设计阶段。

飞轮储能具有瞬时功率大、能量转换效率高、寿命长等优点，但其存储能量较小，持续放电时间仅在分钟级，同时存在自放电率高的问题，停止充电后能量一般在几小 时到几十个小时内会自行耗尽。美国 BeaconPower 建设了20MW 飞轮储能调频电厂，已 实现商业化运营，后续加拿大等国家也推出了飞轮储能调频项目，国内飞轮储能技术 相对落后，仍处于试验研发阶段。

（2）电磁储能

超级电容器、超导储能等电磁型储能具有瞬时功率大、响应速度快、寿命长等优点，但其持续放电时间很短，一般不超过数分钟，比较适用于功率型应用，如应对瞬时电压跌落、瞬时断电供电等。目前电磁储能成本较高，在超导临界温度、超导线材、电极材料等方面仍有待突破。

（3）电化学储能

电化学储能具有设备机动性好、响应速度快、能量密度高和循环效率高等技术优势，是目前各国储能产业研发创新的重点领域和主要增长点。电化学储能技术主要包 括铅蓄（铅炭）电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池，其中铅炭电池、锂离子电 池发展较快，有望率先带动电化学储能商业化。

2.2. 电池储能技术现状

铅炭电池短期性价比优势明显，锂离子电池具备产业化发展优势，全钒液流电池具有循环寿命长的优势。

2.3. 电池储能技术分类及性能比较

在前沿技术方面，近年来全球储能技术研发的脚步不断加快，超临界压缩空气、可变速抽水蓄能等新一代储能技术进入试验示范阶段，锂离子电池、液流电池在新型 电极材料、电解液、隔膜材料生产制造工艺等方面成果不断，水系钠离子电池、锂硫 电池、液体金属电池、金属 - 空气电池、铝离子电池

等新型电池体系不断涌现。

3. 电池系统集成方案

3.1. 系统构架

储能单元由 2 套 2MW/3.72MWh 锂电池集装箱系统和 1 套 4MW 变流升压一体机组成，每个电池集装箱系统分别由 10 个电池簇构成，单个电池簇容量为372kWh，每簇由8 个电池模组组成，每个电池模组由52 个电芯通过串联构成。

电池系统配置有完善的电池管理系统（BMS），采用三级管理架构，包括电池管理单元、电池簇管理单元和电池系统管理单元，实现对电池系统的全面控制、管理和保护，确保电池系统的安全稳定运行。

3.2. 电池模块

将多个电芯通过串并联方式组成电池模块，如下图所示，电池模块一般具有良好的一致性和互换性，方便安装和维护。

3.3. 电池簇

磷酸铁锂电池，具备安全可靠、系统效率高、循环寿命长等特点，3.72MWh锂电池系统共由 10 个电池簇组成，单个电池簇容量为 372kWh，每簇由 8 个电池模组组成，每个电池模组由52 个电芯通过串联构成。

3.4. 控制柜

控制柜集成储能系统管理系统和配电系统，具有控制和二次系统配电功能。配电系统为集装箱内用电设备提供交流电源以及为BMS 部分提供不间断电源。

控制柜具有以下工作模式，以适应不同场景的需求：

电池集装箱内配置内部配电系统，为热管理系统、消防系统、电池管理系统及其它系统进行配电。电池集装箱用电负荷采用双电源切换功能，优先使用外供电，UPS 的设计应保证外部电源失电后，用电设备可继续工作。配电柜内预留1 回维护检修电源（AC220V 各1 回，开关大小满足维护检修电源要求）。

3.5. 汇流系统

采用一簇一管理，本系统无须配置汇流柜。

3.6. 电池舱布置

电池舱采用20 尺集装箱，电池舱内部包含热管理系统、消防系统、汇流系统、二次配电系统、防雷接地系统、监控系统等。

4. 结束语

电化学储能电站的设计流程是一个复杂的系统工程，涉及多个环节和多个专业领域。通过科学合理的设计流程，可以提高电站的安全性、可靠性和经济性，推动电化学储能技术在能源领域的广泛应用。在设计过程中，需要关注安全、标准规范、成本控制等关键问题，采取有效的解决措施，确保设计质量和项目的顺利实施。随着技术的不断发展和经验的不断积累，电化学储能电站的设计流程将不断完善，为能源系统的可持续发展做出更大的贡献。

作者简介：龙晓辉（1990.8-），男，汉族，江西，本科，主要从事工作方向：国网发输变电、光伏、储能工程