新能源储能电站设计方案

大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史，早期主要用于孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。电池储能系统在新能源并网中的应用，国外也已开展了一定的研究。

上世纪90年代末德国在Herne 1MW的光伏电站和Bocholt 2MW的风电场分别配置了容量为1.2MWh的电池储能系统，提供削峰、不中断供电和改善电能质量功能。从2003年开始， 日本在Hokkaido 30.6MW风电场安装了6MW /6MWh 的全钒液流电池（VRB）储能系统，用于平抑输出功率波动。

2009年，英国EDF电网在东部一个11KV配电网的STATCOM中配置了600kW/200kWh锂离子电池储能系统，用于潮流和电压控制，以及有功和无功控制。储能电站（系统）在电网中的应用主要有：负荷调节、新能源接入、线损弥补、功率补偿、电能质量提高、孤网运行和削峰填谷等。比如，削峰填谷可改善电网运行曲线，储能电站就像一个储电银行，在用电低谷期储存富余的电能，在高峰时释放，减少浪费。此外，储能电站还能减少线损，延长线路和设备使用寿命，优化电源布局，改善电能质量。其绿色优势体现在：科学安全，建设周期短；环保友好，减少资源消耗。

2储能电站（配合光伏并网发电）方案 3.1系统架构

在本方案中，储能电站（系统）主要配合光伏并网发电应用，因此，整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统（BMS）、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。系统架构图如下：

储能电站（配合光伏并网发电应用）架构：1、光伏组件阵列通过光伏效应将光能转为电，充入锂电池组，经逆变器供负载；2、智能控制器根据日照和负载调节蓄电池状态，多余电能存蓄电池，不足时放电保证连续稳定；4、并网逆变系统将直流变380V市电接入电网；5、锂电池组调节能量和平衡负载，将电能转化为化学能存储备用电。

3.2光伏发电子系统

3.3储能子系统 3.3.1储能电池组

(1)电池选型原则 储能电池是储能电站的关键部件，须满足以下要求： 易组合，满足高电压和大电流需求； 容量和性能可检测可诊断，便调度控制； 安全可靠，使用寿命不低于15年，故障可控； 具备快速响应和大倍率充放电能力； 充放电转换效率高； 易安装维护； 环境适应性强，工作温度范围宽； 符合环保要求，全生命周期无污染。

(2) 主要电池类型比较 表1、几种电池性能比较

(3)建议方案

从初始投资成本来看，锂离子电池有较强的竞争力，钠硫电池和全钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，较昂贵。从运营和维护成本来看，钠硫需要持续供热，全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营成本，而锂电池几乎不需要维护。根据国内外储能电站应用现状和电池特点，建议储能电站电池选型主要为磷酸铁锂电池。

3.3.2 电池管理系统（BMS） 电池管理系统的要求

（1）在储能电站中，储能电池常由几十串甚至几百串电池组构成。由于生产和使用过程中电池内阻、电压、容量等参数不一致，导致电池组充满或放完时电芯电压或能量不同。这会使部分电池过充或过放，增加离散性，降低整体容量，最终导致电池组提前失效。因此，磷酸铁锂电池组需要均衡保护电路。此外，锂电池的BMS还有更多要求，以确保储能系统稳定可靠运行。

（2）BMS功能：基本保护（单体电压均衡，电池组保护），数据采集（电压、温度、电流等），通讯协议IEC61850。

储能电站系统中，BMS（电池管理系统）需与调度监控系统通信，上传数据并执行指令。BMS应能分析诊断电池性能，根据电池模块电压、电流、温度等参数，评估单体电池容量（SOC）、健康状态（SOH）及电池组状态，并估算可持续放电时间。诊断精度方面，SOC为5%，SOH为8%。此外，BMS在充电过程中需进行热管理，防止电池过热。若遇异常，BMS应发出故障诊断警报，通过监控网络发送给控制系统，并对故障电池进行定位和处理。

在故障积累可能导致恶性事故时，系统会发出重要告警，切断充放电回路，防止事故。采用储能电池的容错技术，如电池旁路或能量转移，确保单体电池故障不影响整组运行。管理系统具备自检功能，损坏也不会影响电池安全。建议方案包括能量转移法（储能均衡）和其他保护技术，如切断回路以应对过压、欠压、过流等情况。过流保护延时几百微秒至毫秒，短路保护延时微秒级，确保电池安全。

母线回路采用快速熔断器，各电池模块用高速功率电子器件快速切断。蓄电池在线容量评估SOC通过测量动态内阻和电压，结合充电和放电特性，建立数学分析模型来测量剩余电量。分析锂电池放电特性，用积分法动态更新电量，考虑自放电现象，测量在线电流、电压、放电时间；预测不同放电情况下的剩余电量，根据使用时间和环境温度校正，给出SOC预测值。

为应对电池电量变化对测量的影响，可采用动态更新电池电量方法，以上次放出电量作为本次基准，并随使用减小。同时，基准电量需依环境温度修正。评估蓄电池健康状态（SOH）时，分析其寿命运行曲线，进行曲线拟合比对，得出SOH值并根据运行环境修正。蓄电池组的热管理至关重要，电池选型和结构设计要充分考虑。圆柱形电芯的透气孔设计及铝壳封装利于散热，防鼓，保证稳定。BMS含温度检测，监控电池温度，高于保护值开启风机冷却，达危险值电池堆自动退出运行。并网控制子系统将直流电转换成交流电，将电能变换成适合电网使用的形式。

最大功率跟踪控制器、逆变器和控制器均可属于本子系统的一部分。

(3)大功率PCS拓扑 Ø 设计原则 n 符合大容量电池组电压等级和功率等级； n 结构简单、可靠稳定，功率损耗低； n 能够灵活进行整流逆变双向切换运行； n 采用常规功率开关器件，设计模块化、标准化； n 并网谐波含量低，滤波简单； Ø 发展现状 低压等级（2kV以下）电池组的PCS系统早期一般是采用基于多重化技术的多脉波变换器，功率管采用晶闸管或GTO。随着新型电池技术的出现、功率器件和拓扑技术的发展，较高电压等级（5kV~6kV）的电池组的PCS系统一般采用多电平技术，功率管采用IGCT或IGBT串联。

采用DC/DC+DC/AC两级变换结构，先通过DC/DC升压，再经DC/AC逆变。适用于大功率电池的DC/DC变换器主要采用非隔离型双向Buck/Boost电路，多模块交错并联扩容。DC/AC部分包括多重化、多电平、交错并联等技术，降低谐波，简化接口。

建议大容量电池储能系统采用电压源型PCS，并联接入电网，设计为四象限运行，独立控制有功、无功。鉴于电池组电压低于2kV，系统具有低压大电流特点，考虑损耗问题，建议采用单级DC/AC变换结构，通过升压变接入电网。

采用多变流器单元并联技术扩容，利用移相载波调制和环流抑制实现功率均分。该技术结构简单、易控制、模块化、容错性好且效率高。

PCS控制策略需满足以下要求：高效安全地充放电电池，满足电网并网导则，实现有功、无功独立调节，并适应电网故障运行。

当前，国内外对并网变流器控制策略已展开广泛研究，常采用双闭环控制。外环根据不同控制目标，有PQ控制、下垂控制和虚拟同步机控制等；内环一般采用电流环，在自然坐标系、静止坐标系和同步坐标系下实施。电池储能系统PCS控制除满足常规并网变流器要求外，更重要的是满足电池充放电要求，尤其在电网故障情况下。

建议采用多目标变流器控制策略，精确控制充放电过程中的电压、电流，确保电池组高效、安全充放电；同时，根据调度指令进行有功、无功控制。

低电压穿越能力强，逆变器在电网电压波动时仍能保持恒流输出，电压跟随市电，即使在低电压或输出端短路情况下，亦能维持额定电流输出。实现电网故障时电池储能系统的紧急控制及电网恢复后的重新同步。储能电站联合控制调度子系统需统一标准，避免多规约并存增加系统复杂性与成本，建议采用IEC61850系统方案以提高可靠性并降低成本。

IEC61850是关于变电站自动化系统的通讯网络和系统的国际标准。制定IEC61850主要目的就是使不同制造厂商的产品具有互操作性,使它们可以方便地集成到一个系统中去，能够在各种自动化系统内部准确、快速地交换数据，实现无缝集成和互操作。由于联合发电智能监控系统采用IEC61850协议，所以在储能电站也采用基于IEC61850的控制系统有利于处理并传送从储能电站控制系统到联合发电智能监控系统各种实时信息。

储能电站控制系统采用模块化设计，分为系统层和设备层。系统层负责实时数据采集和与智能监控系统的通信，获取电池容量、线路状态等数据，并通过光纤将信息上传至智能监控系统，接受其控制命令。设备层包括电池管理系统（BMS）、能量管理系统（PCS）和配电系统保护测控装置。

n 电池管理系统（BMS）及其智能组件： 电池管理系统（BMS）对整个储能系统的安全运行、储能系统控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大的影响。电池管理系统无论是在电池的充电过程还是放电过程，都要可靠的完成电池状态的实时监控和故障诊断。并通过智能组件将相关信息转化为IEC61850协议通过光以太网上送到监控系统，以便采用更加合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的目的。 n 能量管理系统（PCS）及其智能组件： 能量管理系统（PCS）实现对电池充放电的控制，满足储能系统并网要求。

研究多目标变流器控制策略，精确调控充放电电压、电流，确保电池组高效运作。同时，根据调度指令，实现双向平滑切换和有功、无功独立控制。在电网故障时，协调多储能PCS单元，保障局部电网安全运行。智能组件将PCS的各项数据转换为IEC61850协议，通过以太网上传至监控系统，并执行下发的命令。配电系统保护测控装置采用数字化一体化设计，直接采样常规互感器测量电压、电流，通过硬接点采集开关量信息和控制断路器跳合闸，支持IEC61850协议通信，与监控系统相连。

4.储能电站（系统）整体发展前景 全球能源紧缺，新兴能源产业的发展势在必行，但风能、太阳能等清洁能源受环境影响较大，功率不稳定，致使传统电网无法承载，大量能量被浪费。主要原因之一就是：储能技术落后，现有储能电站无法实现功率补偿，无法满足功率平滑的需求。可以说，储能电站的发展已成为新能源开发的核心之一。 除光伏发电系统外，储能电站也广泛适用于如下场合：

1. 负荷波动大的工厂、企业、商务中心等；

2. 需要具备“黑启动”功能的发电站；

3. 发电质量有波动的风能和潮汐能发电站；

4. 需要夜间储存能量以供白天使用的核能、风能等发电设施；

5. 因环保原因限制小型火力调峰发电站或其它高污染发电站发展的区域；

6. 户外临时大型负荷中心。 采用磷酸铁锂电池这一储能技术为核心的储能电站，相比于抽水蓄能、压缩空气储能等现有储能技术，具有明显的成本和运行寿命优势，经济效益突出，需求巨大，应用前景广阔。随着全球电力需求逐年增长，用电高峰和低谷的负荷差距越来越大，磷酸铁锂电池储能电站（系统）作为一项新兴技术，将给电网储能领域带来革命性的技术更新，具有巨大的社会效应和经济效应。

来源：新能源储能知识分享

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