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储能电源系统工程设计与实现

摘要：电网引入储能环节后，不仅可以更有效地利用电力设备，还可以作为提高系统运行稳定性、调峰调频的手段。随着储能技术的发展，储能项目规模逐渐增大，但在工程实践中也发现了一些问题，如储能系统调控和运维经验不足，系统调控未能实现系统全局优化，基建对储能占地需求大，建设周期长等。这些问题对储能系统的应用提出了新的要求。

关键词：储能电源；储能双向变流器；控制策略；

结合项目实际需求优化设计储能系统的结构，根据当地的峰、谷和平电价规律设置蓄电池在不同工作时段的充放电控制策略，实现了储能电池的最优集成。通过现场调试，验证了该储能系统的安全可靠，经济环保。

一、储能系统的方案设计

输油泵站配电系统有两路10 kV输入,两段母线下各有一个800 kV·A变压器接入至400 V母线。本储能系统设计总功率容量为300 kW,总电池容量为995.328 kW·h(1 MW·h)。由一台300 kW储能双向变流器、四套电池簇、一台中控柜、一台DC汇流柜、一台工业空调系统、一套温控系统、一套BMS和一套消防系统等组成,全部安装在集装箱柜中并放置于户外。其中储能双向变流器(PCS)、电池模组和电池管理系统(BMS)是该储能变流器的核心部件,决定了整个系统的性能。

1. 储能双向变流器（PCS）。本储能系统集装箱内设计配置1台储能双向变流器。该储能双向变流器的拓扑结构如图1所示。

图1输油泵站储能双向变流器拓扑图

储能双向变流器采用DSP控制,通过三相全桥IGBT电路实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递,通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪以及对电池储能系统充放电功率的控制,其具有以下功能特点。1)该双向变流器可以工作在并网和离网这两种运行模式下,并可以在两种模式之间进行在线无缝切换,过渡时间短,能够满足用户在实际运用中的不同需求。2)采用了一系列硬件和软件优化措施,使得设备本身的功耗很小,而且转换效率可以达到98.5%以上,拥有优异的节能特性,确保了能量的最大化利用。3)该双向变流器具有各种完备的保护功能,如过欠电压保护、过欠频率保护、过电流保护、短路保护、过载保护、防孤岛保护和功率翻转保护等,最大限度地确保系统和电网的安全。4)具备低电压穿越功能(LVRT)。具有一定的耐受电压异常能力,不会在电网电压异常时脱离,造成电网电源的损失。5)该双向变流器采用先进的软件算法和优异的硬件拓扑结构,因此并网运行状态下,对电网产生的谐波污染很小,不会对电网造成很大的影响,满足绿色环保的设计理念。6)并网运行状态下,可根据实际电网的需求、远程指令或者是本地的设定,向电网注入无功功率,使得并网功率因数可在-1~1之间可调,从而实现对电网的无功补偿。7)离网运行状态下,能够产生高质量的交流电能,满足用电负荷对电能质量的要求。

2.电池模组。本储能系统采用磷酸铁锂电池(LFP),其具有比能量高、循环寿命长、成本低、性价比高、可大电流充放电、耐高温、高能量密度、无记忆和安全无污染等特点,已广泛应用于储能系统。本方案选用方壳硬包额定容量120 A·h、额定电压3.2 V的磷酸铁锂电池。为便于生产安装及系统管理,本储能系统电池部分分为4个电池簇,每个电池簇由18个电池模组按1并18串的组合方式组成;每个电池模组由36块120 A·h/3.2V磷酸铁锂电池和1个电池管理单元(BMU)组成,通过1个控制盒完成对电池簇的控制。控制盒内集成电池簇管理单元(BCMS),BCMS向下收集电池模组信息,向上层电池堆管理系统(BAMS)提供信息,电池簇管理单元采集本簇电池电压、电流和温度等信息,并对电池簇进行保护以及控制。

3.电池管理系统（BMS）。BMS分三级管理架构:第一级为电池模组管理单元(BMU);第二级为电池簇管理系统(BCMS);第三级为电池堆管理系统(BAMS)。整个管理系统主要由BMU、DMU、HMU、BCMS和BAMS等部件构成,BMU/DMU/HMU与BCMS采用CAN通信,BCMS与BAMS同时采用以太网通信和CAN通信,形成双回路冗余通信。一级BMS管理单元(BMU)监测单体电芯的电压、温度、均衡电流以及模组总压,并通过CAN协议方式与二级BMS管理单元实时通信,控制电芯进行主动均衡。二级BMS管理单元(BCMS)能够监测整簇电池总电压、总电流和绝缘电阻,能采集外部急停信号、高压控制盒内开关的状态量,能输出故障和运行状态。三级BMS管理单元(BAMS)能够收集系统的总电压、总电流、总功率和二级BMS信息,能够实时对电池系统电池SOC、SOH和循环次数进行准确计算,并能隔离三级和二级BMS管理单元的数据,全面管理电池系统。

4.直流（DC）汇流柜。直流汇流柜是箱式储能系统的主要设备之一,其作用是将各电池簇并联汇流,并输出至PCS,配合系统监控装置对其输出电压、电流以及绝缘情况等进行监测,并且借助于其中的开关电源满足系统内关键器件的供电。通过以太网通信将数据或状态信息上传到电池堆管理系统(BAMS),并接收管理系统的命令控制直流汇流总开关的分合。

二、储能系统的运行策略

1.储能系统EMS能量管理系统说明。输油泵站配电系统由两路10 kV输入,并进行备自投。两段母线各有1个800 kV·A变压器,转为400 V。本项目在厂区侧增加1#~4#电能表,储能系统接入0.4 kV低压母线段,本储能系统与市电并网运行。夜间电价低谷时对储能充电,日间电价峰值时对外放电,以电价差方式降低总电价。能量管理系统(EMS)作为储能系统的控制核心,根据设定的策略进行充电、放电管理,并根据实际运行状态进行优化调整。EMS能对所有被监控的运行参数和状态进行实时和定时数据采集;采集BMS的各组电池常用信息,采集双向变流器系统的相关参数,采集储能系统的各个状态量。同时采集站内1#~4#电能表数据防止电能流入电网和变压器过载。

2.控制策略。1)根据输油站当地的峰、谷和平电价规律,设置了相应的工作策略,2)保证充电时段变压器不过载、放电时段电能不流入电网。根据黄埔输油站实际负载情况,设置充电时,3#电能表和4#电能表任一采集功率不应超过640 kW;放电时,1#电能表和2#电能表任一采集功率不小于150 kW。这样可以确保充电时段变压器不过载、放电时段电能不流入电网。5#电能表用于计量储能系统充电电量。3)运行策略说明。若充电时3#电能表和4#电能表任一采集功率达到640 kW,则此时应该降低储能系统充电功率,以确保800 kV·A变压器不发生过载;若放电时1#电能表和2#电能表采集功率小于150 kW,此时应该降低储能放电功率,这样设置可以确保电能不流入电网。

3.效益估算。输油站的峰值电价为1.036 8元/kW·h,平值电价为0.64元/kW·h,谷值电价为0.334 8元/kW·h。设定放电深度为95%,即SOC范围为5%~100%,每次放电剩余5%,此状态下磷酸铁锂电池衰减为3 000次(90%)、5 000次(80%)和7 000次(70%),实际使用容量为965 kW·h。在泵运行时段,日收益计算为:谷值充电为0.334 8×900 kW·h≈301.32元;平值充电为0.64×900 kW·h≈576元;峰值放电为1.036 8×1 800 kW·h≈1 866.24元;日收益≈(1 866.24-576-301.32)×91%(效率)≈900元。泵不工作时段,日收益计算如下为:谷值充电为0.334 8×900 kW·h≈301.32元;峰值放电为1.036 8×900 kW·h≈933.12元;日收益≈(933.12-301.32)×90%(效率)≈568.6元。年收益估算:按黄埔输油泵站泵工作时段平均占63%计算(历史统计数据)。泵工作天数为360×63%=227天,泵不工作天数为360×37%=133天,年收益为(900×227)+(568.6×133)=279 924元。年充放电循环次数为587次。据此可大致认为5年后(循环约2 935次)的年收益下降为90%,即279 924元×90%=251 931元;9年后的年收益下降为80%(循环约5 283次),即279 924元×80%=223 939元;12年后的年收益下降为70%(循环约7 044次),即279 924元×70%=195 946元。由上面估算结果可知,该储能电源系统在输油站的应用能带来较好的经济效益。

总之，在储能系统运行过程中,通过优化控制策略,充电时段变压器不过载、放电时段电能不流入电网,可靠环保,同时能给企业带来经济效益。储能系统投入使用以来,运行良好。

参考文献：

[1]梁晓虎,关于储能电源系统工程设计与实现.2020.

[2]魏洁,电池储能系统两模式协调控制策略.2019.