2MWh储能系统方案

2MWh集装箱储能系统项目

技术方案书

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2018年10月

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目录

一、2WMh项目简介 ................................................................................................... 3 二、术语及参考技术规范............................................................................................ 3

2.1 术语 ................................................................................................................ 3 2.2 参考技术规范 ................................................................................................ 4 三、储能系统配置特点................................................................................................ 5 四、客户用电需求及收益分析.................................................................................... 6 五、系统方案设计........................................................................................................ 7

5.1 系统拓扑结构 ................................................................................................ 7

5.1.1 电池组拓扑图...................................................................................... 7 5.1.2储能系统单元....................................................................................... 8 5.2 系统配置 ........................................................................................................ 9 5.3 主要设备布局设计 ...................................................................................... 10 5.4 电池系统选型设计 ...................................................................................... 10

5.4.1电池模组及电池组性......................................................................... 10 5.4.2 电池箱设计........................................................................................ 11 5.4.3 电池架设计........................................................................................ 12 5.5 储能双向变流器（PCS）选型设计 .......................................................... 13 5.6 散热方案设计 .............................................................................................. 14

5.6.1、热流通路与散热系统...................................................................... 14 5.6.2、电池箱散热设计.............................................................................. 15 5.7 消防系统设计 .............................................................................................. 16 5.8 电池管理系统（BMS） ............................................................................. 17 5.9 EMS能量管理系统 ..................................................................................... 20

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一、2WMh项目简介

随着社会的发展和人民生活水平的提高，用户对电力的需求量不断快速增长，用电结构也发生了很大的变化，导致电量需求的谷峰差值逐渐增大，调峰问题突出。单独依靠增加电力基础设施建设，一方面日益加剧了电网的谷峰差问题，严重影响用户侧的供电质量，另一方面也给国民经济带来很大损失和浪费。

得益于电力电子技术的快速发展以及节能减排和智能电网的发展浪潮，为储能技术的发展带来了新的机遇，各种新型储能技术已经在电力系统的各个层面得到了广泛的应用，充分参与到电力系统的发、输、配、用各个环节，有效地实现对电网削峰填谷、平衡负荷等作用，提高了发电设备的利用率和电网供电质量。

合理可靠的对蓄电池进行配置管理，有效的提高蓄电池的使用寿命，达到保障通信设备不断电，节约维护资金的目的，因此如何配置管理蓄电池，在建设维护管理蓄电池工作中占了相当大的比重。对电池包进行模块化的设计，能够大大提高电池利用率，减少电池冗余，降低成本；通过按当期负荷配置电池，按负荷变化扩容或更换电池。其特征为基本电池单位小容量化，规格标准化，使用积木化。在能量管理系统的控制下，实现能源效益的最大化。

二、术语及参考技术规范 2.1 术语

PCS(Power Conversion System)：能量转换系统，即换流器，是进行逆变和整流的双向换流系统。

SoC(State of Capacity)：电池剩余容量状态，用百分率表示。 SoH(State of Health)：电池组健康度状态，用百分率表示。 DoD（Depth of discharge）：电池的放电深度，用百分比表示。

BMS(Battery Management System)：电池管理系统，负责储能系统中电池部分的管理和控制。

EMS(Energy Management System)：能量管理系统，是对整个系统进行监控和控制的设备。

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2.2 参考技术规范

GB 21966-2008 锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求 GJB 4477-2002 锂离子蓄电池组通用规范 GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量电压波动和闪变 GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波 GB/T 15543-2008 电能质量三相电压不平衡 GB 2894 安全标志（neq ISO 3864：1984） GB 16179 安全标志使用导则

GB/T 17883 0.2S 和0.5S 级静止式交流有功电度表 DL/T 448 能计量装置技术管理规定 DL/T 614 多功能电能表 DL/T 645 多功能电能表通信协议 DL/T 5202 电能量计量系统设计技术规程

IEC 61000-4-30 电磁兼容第 4-30 部分试验和测量技术——电能质量 IEC 60364-7-712 建筑物电气装置第 7-712 部分：

GB/T 17215.211-2006 交流电测量设备通用要求、试验和试验条件 GB 50034-2004 建筑照明设计标准 GB 50052-1995 供配电系统设计规范 GB 50053-1994 10kV以下变电所设计规范 GB 50054-1995 低压配电设计规范

GB 50060-2008 3～110kV高压配电装置设计规范 DL/T448-2000 电能计量装置技术管理规程

DL/T 620-1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 DL/T 621-1997 交流电气装置的接地 DL/T 856-2004 电力用直流电源监控装置 GJB 3855-1999 智能充电机通用规范

JB/T 5777.4-2000 电力系统直流电源设备通用技术条件及安全要求 JJG 842-1993 直流电能表检定规程

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GB 50007-2002 地基基础设计规范 GB 50016-2014 建筑设计防火规范 GB 50037-1996 建筑地面设计规范 GB 50140-2005 建筑灭火器配置设计规范 GB 51048-2014 电化学储能电站设计规范 NB T 31016-2011 电池储能功率控制系统技术条件 NB T 32015 分布式电源接入配电网技术规定 NB T 33010-2014 分布式电源接入电网运行控制规范 NB T 33011-2014 分布式电源接入电网测试技术规范 NB T 33012-2014 分布式电源接入电网监控系统功能规范 NB T 33013-2014 分布式电源孤岛运行控制规范

NB T 33014-2014 电化学储能电站接入配电网运行控制规范 NB/T 42089-2016 电化学储能电站功率变换系统技术规范 NB/T 42090-2016 电化学储能电站监控系统技术规范 NB/T 42091-2016 电化学储能电站用锂离子电池技术规范 NB T 33015-2014 电化学储能电站接入配电网技术规定 NB T 33016-2014 电化学储能电站接入配电网测试规程 Q GDW 676-2011储能电站接入配电网测试规范

Q GDW 677-2011分布式电源接入配电网监控系统功能规范 Q GDW 697-2011储能电站接入配电网监控系统功能规范 Q GDW 1769-2012 电池储能电站技术导则 Q GDW 1884-2013 储能电池组及管理系统技术规范 Q GDW 1886-2013 电池储能电站集成典型设计规范 Q GDW 1887-2013 电网配置储能电站监控及通信技术规范 Q GDW 11220-2014 电池储能电站设备及系统交接试验规程 Q GDW 11294-2014 电池储能电站变流器试验规程 Q GDW 1564-2014 储能电站接入配电网技术规定

三、储能系统配置特点

——使用******的磷酸铁锂电池，安全、环保、性能优异、循环寿命长；

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——使用******的电池管理系统（BMS），采用分级管理策略，系统配置灵活、可靠，便于拓展升级，能够实时监控电池系统的电压、电流、温度等运行参数，同时还具备电池动态均衡管理策略，可以自动快速完成电池维护；

——使用******的显示控制模块，显示界面采用液晶触摸屏，查看数据更直观、操作更便捷，同时具备CAN、RS485等通讯方式，方便客户进行电脑远程监控；

——使用专属设计的智能消防系统，能够通过烟感、温感等装置实时监测系统内部温度和烟雾的变化情况，在必要时启动火灾报警和/或灭火装置，确保储能系统消防安全；

——使用专属设计的智能热管理控制策略，优化风道设计和热交换设计，提升储能系统运行安全和使用寿命；

——使用模块化和标准化设计方案，有利于提升产品的品质管理，进一步提高系统安全性能和整体能量转换效率，且便于安装和维护；

四、客户用电需求及收益分析

本储能系统可充分利用峰谷时段的电价差，在用电低谷时充电，用电高峰时进行放电，能够针对需求侧电量进行有效管理，改善用电质量，降低用电成本。

根据国内某地区工业用电的情况，储能系统工作模式可设置如下表4-1所示（按系统效率90%计算）：

表4-1工业用电需求分析以及储能系统工作模式控制

时间区间 00：00-8：00 8：00-10：00 工作模式 充电 休息 电量 2222 0 1000 1111 2000 0 名称 谷 平 高峰 平 高峰 平 电价 0.2754 0.5738 1.0328 0.5738 1.0328 0.5738 电费（元） -611.9 0 1032.8 -637.5 2065.6 0 1849 10：00-12：00 储能系统供电 12：00-18：00 充电 18：00-22：00 储能系统供电 22：00-24：00 总收益（每日） 休息 根据表4-1可知，在每天的谷段和平段充电两次，在高峰时段由储能系统供电，既能满足电力需求，还能得到较高的收益，根据估算，每日大约可节省1849元电费。一年按360

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天计，每年的收益可达1849×360=665640元（备注：上表中的充放电时段和电价仅供参考，

请用户按照实际应用情况和所在地电价自行调整）。

五、系统方案设计 5.1 系统拓扑结构

5.1.1 电池组拓扑图

电池组拓扑图如5-1所示：

电池箱A箱内保险丝电池箱B中间断路器箱内保险丝电池箱A箱内保险丝电池箱A箱内保险丝B+接汇流柜电池箱A箱内保险丝电池箱B中间断路器箱内保险丝电池箱A箱内保险丝电池箱A箱内保险丝B-接汇流柜

图5-1 电池组拓扑图

******有限公司 5.1.2储能系统单元

包含1套配电开关柜、2套250kW储能双向变流器(PCS)、1套16通道汇流控制柜、1套锂电池储能系统（含16组电池组、BMS系统），其系统拓扑图如图5-2。

0.4kV电网母线变压器接入点500kW/2MWh储能单元电池总容量2433 kWh配电开关柜AC 400V单元配置：1#双向变流器(PCS)2#双向变流器(PCS)614.4V/247.5Ah 电池组16组汇流控制柜（16路） 1 台配电开关柜 1 台储能双向变流器（250kW） 2 台汇流控制柜1#电池组2#电池组3#电池组7#电池组16#电池组

图5-2 500kW/2MWh储能系统拓扑图

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5.2 系统配置

本系统采用磷酸铁锂电池，单套系统配置电池的最大总容量约为2.4MWh，主要零部件的配置情况见表5-1。

表5-1 单套500kW/2MWh储能系统的配置清单

设备名称 单体电芯 电池箱 主机BMS 双向变流器（PCS） 汇流控制柜 配电开关柜 消防系统 排风扇 数据采集盒 1 （串口服务器） 电池箱架 线束 EMS主机 辅助设备 16 1 1 若干 套 套 套 单个电池架尺寸：1038*697*2250mm，见图5-7 动力线束与通讯线束各一整套。 一套EMS主机 台 供整个电站EMS数据采集、监控、调度 数量 138240 128 1 2 1 1 1 1 单位 节 个 套 台 台 台 套 套 备注 3.2V，5.5Ah，145g 76.8V 247.5Ah（8箱串联成1组，共16组） 监控电池电压、温度、电流等数据，保护电池组，延长电池组寿命。 单机250kW，尺寸：1200*1850*935 16通道，尺寸：790*650*2100 尺寸：1000*500*1650，带断路器、计量电表等 箱外消防系统 根据使用场地选择是否配备 备注：以上参数为我司配置技术参数，结构外形尺寸可能有所调整，但不影响性能，部分参数可根据不同客户项目要求进行调整。

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5.3 主要设备布局设计

下图为45英尺标准集装箱平面排布图，系统总容量为2.4MWh，可用电量为2MWh，内置2台PCS（总功率500kW），汇流柜(16通道）、配电柜、消防系统各一台。

图5-3 45英尺标准集装箱平面排布图

5.4 电池系统选型设计

本系统拟采用磷酸铁锂储能电池，单体规格3.2V/5.5Ah，45个单体电池并联成一个电池模块，24个模块串联组成一个电池箱，8箱串联成一个电池组，整个电池系统由16个电池组并联而成，总容量约2.4MWh。 5.4.1电池模组及电池组性

电池模组及电池组性能具体见表5-2。

表5-2 电池模组及电池组性能参数及运行参数

项目 额定电压/容量 容量/kWh 系统放电深度(DOD) 循环寿命 （0.25C，常温） 储放温度 自放电 防护等级 尺寸（长*宽*高）/mm 重量/kg 电池箱参数 76.8V247.5Ah 19.008 95% 80%DOD下大于6000次 25-45°C 为最佳储存温度 25°C，每月≤5% IP67 1000*725*285 175 电池组参数 614.4V247.5Ah 152.064 90%以上 80%DOD下大于6000次 25-45°C 为最佳储存温度 25°C，每月≤5% IP67 - - 备注：以上参数可能因版本升级而有所变化，实物参数请对照技术协议要求。 ******有限公司 5.4.2 电池箱设计

一个电池箱是76.8V247.5Ah，采用4个6S45P电池模组组成，每个电池模组由270PCS电芯组成，电芯参数为32700-3.2V5.5Ah。电芯、电池模组、电池箱结构示意图如图5-4、5-5、5-6所示。

图5-4 电芯结构示意图

图5-5电池模组结构示意图

图5-6 电池箱结构结构示意图

******有限公司 5.4.3 电池架设计

一套电池系统使用16个电池架，每个电池架可以安装2×8=16PCS电池箱，电池箱通过螺丝和插销固定在电池架上，线束从电池架顶部通过。电池架结构如图5-7所示。

图5-7 电池架结构示意图

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5.5 储能双向变流器（PCS）选型设计

本系统配备2台250kW的储能双向变流器（PCS）（可根据用户实际功率需求进行选配）。PCS含隔离变压器，实现了直流输入与交流电气的隔断，交流输出无直流分量注入，提高了电能质量，变压器可以减小电磁噪声，电磁兼容性强；直流端无电网电压，对人身安全有利；并且增强了系统的抗冲击性。双向变流器的系统连接方式如图5-8所示，具体性能参数见表5-3。

电网监控系统电池组1#电池组16#微网管理控制系统电池箱 1电池箱 1++++++AABBCNPE电池箱 2电池箱 2--汇流柜----双向PCS配电柜CNPE电池箱8电池箱8BMS N#BMS 16#CAN通信网络图5-8 双向变流器系统连接示意图

表5-3 双向变流器技术参数

直流侧参数

最大功率（kW） 电池电压范围(V)

稳压精度 稳流精度 额定输出功率（kW） 输出过载能力（kW）

系统参数

最大转换效率 环境保护等级 BMS通信方式 尺寸（mm） 重量（kg）

>97.0 % IP 20 RS485，CAN 1200×1850×935

1350 275 400~850 ＜±2% ＜±2%

交流侧参数（并网模式）

250 275

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5.6 散热方案设计

5.6.1、热流通路与散热系统

系统为满足IP67要求，采用闭式内循环空气冷却系统，空调内机置于集装箱内。空气与内机冷媒热交换，被冷却的空气由电池箱外部风扇鼓入外部散热翅片（送风），通过强制对流吸收来自电池箱内部的热量，被加热的空气最后被内机风机吸入（回风），如此往复循环，热量最终由空调外机排出至环境。热流通路如图5-9，散热系统如图5-10。

图5-9 热流通路

图5-10 散热系统图

******有限公司 5.6.2、电池箱散热设计

图5-11(a) 电池箱散热设计

图5-11(b) 电池箱散热设计

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5.7 消防系统设计

本储能系统选用的七氟丙烷（HFC-227ea）柜式灭火装置，由火灾探测器、灭火控制器、灭火装置等组成独立式的全淹没灭火系统，具有自动、手动、机械应急手动等启动方式。

整个储能电站内根据空间容量安装一套或几套柜式灭火装置对应一个保护区域，能够根据传感器探测到的烟雾和温度状态迅速响应，启动灭火装置，及时抑制电池燃烧，减少和消除对周边环境的影响。

图5-12（a） 柜式灭火装置安装结构示意图

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图5-12（b） 柜式灭火装置单瓶组示意图

5.8 电池管理系统（BMS）

BMS能够通过实时监测电池的电压、电流、温度，了解当前电池的使用环境、可使用能量和电池的健康状态，提供给储能系统控制器是否正常运行的重要依据。其具有以下功能特点：

模拟量测量功能：能实时测量电池组电压，充放电电流、温度和单体电池端电压、漏电监测等参数，并通过计算实时给出单体电池的SOC值。确保电池安全、可靠、稳定运行，保证电池使用寿命要求和满足对单体电池、电池组的运行优化控制的要求来确定电池管理系统的具体测量值及测量采样周期、采样精度等；

均衡：电池管理系统具备均衡功能，保证电池系统使用寿命及可用容量；我司锂电池采用主动均衡，在工作电压的充放电均衡和开路电压的静态均衡；以同步整流控制的方式，采用目前最优的多绕组平面隔离变压器为硬件基础，实现能量的转移，提升电池的一致性。通过充电阶段的顶部均衡和放电阶段的底部均衡防止单体电池过充过放，最终使所有单体电池的能量差异在一定范围内。

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电池系统运行报警功能：在电池系统运行出现过压、欠压、过流、高温、低温、漏电、通信异常、电池管理系统异常等状态时，能显示并上报告警信息，通知PCS及后台监控系统，操作人员及时改变系统运行策略；

电池系统保护功能：在电池系统运行时，如果电池的电压、电流、温度等模拟量出现超过安全保护门限的情况时，电池管理系统能够实现就地故障隔离，将问题电池组退出运行，同时上报保护信息；

多级架构的电池管理系统：一级管理单元。成组后的电池箱内除安装BMU外，母线出线部分还有熔断器、接触器等一级保护装置，直接保护切断的执行策略由各子系统的响应速度和电池各条件告警时的严重程度决定，当电池箱内任意一串电芯电压和温度、动力接插件温度超过极限保护参数且未收到上级系统的切断指令时，采集模块作为一级子系统由于需要处理的信息量少，可以快速切断动力接触器，使其停止工作并主动上传故障信息。

多级架构的电池管理系统：二级管理单元。本系统主要负责接收各BMU模块的电池信息，计算整个电池组当前的荷电状态（SOC），同时监控整组电池运行时的工作电流和温度等，接受上级系统的调度，准确判断的同时，也能快速响应电池组本身、子系统内部、子系统之间的保护策略。

多级架构的电池管理系统：三级管理单元。针对更为复杂的系统设计（多电池组汇流），三级架构的电池管理系统则更好的将数据流划分不同的通信信道，将内外系统的信息进行分级处理，保证系统复杂化的同时也能快速处理数据，执行策略。

自诊断功能：电池管理系统将具备自诊断功能，对电池管理系统与外界通信中断，电池管理系统内部通信异常，模拟量采集异常等故障进行自诊断，能根据实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量（SOC）的诊断，电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算，并能够上报到监测系统；

故障诊断：若遇异常，BMS给出故障诊断告警信号，通过监控网络发送给上层控制系统。对储能电池组每串电池进行实时监控，通过电压、电流等参数的监测分析，即时检查电池组中是否有某些已坏不能再用的或可能很快会坏的电池，判断故障电池及定位，给出告警信号，并对这些电池采取适当处理措施。当故障积累到一定程度，而可能出现或开始出现恶性事故时，给出重要告警信号输出、并切断充放电回路母线或者电池组，从而避免恶性事故发生。管理系统对系统自身软硬件具有自检功能，即使器件损坏，也不会影响电池安全。确保不会因管理系统故障导致储能系统发生故障，甚至导致电池损坏或发生恶性事故；

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在线剩余电量评估（SOC）：在测量真值电压基础上，利用充电特性与放电特性的对应关系，采用多种模式分段处理办法，建立数学分析诊断模型，来测量剩余电量SOC。分析锂电池的放电特性，基于积分法采用动态更新电池电量的方法，考虑电池自放电现象，对电池的在线电流、电压、放电时间进行测量；预测和计算电池在不同放电情况下的剩余电量，并根据电池的使用时间和环境温度对电量预测进行校正，给出剩余电量SOC的预测值；

运行参数设定功能：电池管理系统运行各项参数将能通过本地方式在电池管理系统或储能站监控系统进行修改，并有通过密码进行权限认证功能；

本地运行状态显示功能（选配）：电池管理系统能够在本地对电池系统的各项运行状态进行显示，如系统状态，模拟量信息，报警和保护信息等；

监控后台功能：电池管理系统能够在本地对电池系统的各项事件及历史数据进行存储。运行参数的修改、电池管理单元告警、保护动作、充电和放电开始/结束时间等均将有记录，事件记录具有掉电保持功能。每个报警记录包含所定义的限值、报警参数，并列明报警时间、日期及报警时段内的峰值；

操作权限管理：具有操作权限密码管理功能，任何改变运行方式和运行参数的操作均需要权限确认；

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5.9 EMS能量管理系统

能量管理平台是为满足新能源领域储能设备监控需求而开发的运维管理平台，可监控PCS、电能表等各种设备，还可以对环境量进行监测。EMS系统具有良好的开放性，支持基于RS485、RS232和RS422接口的各种设备自定义协议接入。EMS主要功能如下：

1）简单快捷的安装，默认windows平台，支持跨操作系统运行。 2）智能化托盘管理。 3）告警通知。 4）远程控制。 5）环境监测功能。

6）强大的人员管理功能，三级用户权限设置。

7）可以设置充放电时间段，使PCS按设定的时间段进行充放电。 8）支持各种常用的电力规约，让智能电网进行监控，并且接受电网调度。 EMS能量管理系统拓扑图如图6-2：

图5-13 能量管理系统拓扑图