基于预制舱的电网侧储能电站模块化设计

刘 牛，徐 波，陈亚新

（国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

储能作为能源服务新产品，是优质、可靠的毫秒级控制响应资源，可提供有功无功的双重支撑，为电网提供调峰、调频[1]、备用、事故应急响应等多种服务。为缓解地区夏季高峰期间供电压力和提高地区电网可再生能源[2]就地消纳水平、削峰填谷[3]能力，结合电化学储能电站建设周期短、布点灵活的优势，可规划实施电网侧储能电站项目。电网侧储能电站主要由电池舱、PCS升压舱、10 kV汇流舱、智能总控舱、SVG舱和站用变舱组成。本文通过采用标准预制舱体户外布置形式和模块化设计，可进一步缩短储能电站的建设周期，提高投产效率。

1 电网侧储能电站的模块化设计

1.1 预制舱模块

采用标准预制舱体布置形式，实现设计方案的模块化、设备基础的通用化、施工建设的标准化，且舱内接线及单体设备调试要最大程度实现出厂前完成，以有效减少现场安装、接线、调试工作，大大缩短建设周期。预制舱如图1所示。表1则为一个8 MW/16 MW·h电网侧储能电站的各类预制舱的数量，本文以此为最小储能单元进行模块设计。

图1 储能电站预制舱

表1 预制舱模块（8 MW/16 MW·h）

1.2 电池舱模块

每座电池舱系统输出容量为2 MW·h。储能电池系统以磷酸铁锂电芯（3.2 V/40 Ah）为基本单元进行系统配置。每个U箱（20 V/320 Ah）由48个电芯按8并6串方式成组。将38个U箱按照串联方式集成在具有散热功能的铁架内，组成一个标准电池簇（760 V/320 Ah），再由10个标准电池簇并联，组成一个输出容量为1 MW/2 MW·h的储能电池单元。表2为1 MW/2 MW·h储能电池各分类单元对应的数量，图2为对应的电池舱模块内部原理接线图。本文电池舱模块采用磷酸铁锂电池作为储能介质，具有安全可靠性强、能量密度高[4]、充放电速率快以及使用寿命长的优点。

1.3 PCS升压舱模块

每座PCS升压舱与储能电池舱一一对应，如表3所示。每座PCS升压舱含有2台500 kW PCS变流器和1台1 250 kVA变压器，图3为对应的PCS升压舱内部原理接线图。PCS变流器实现DC/AC转换，将直流760 V转化为交流315 V，然后由升压变压器升压至10 kV，并分别接入两段汇流母线。

表2 电池舱模块

图2 电池舱模块

表3 PCS升压舱模块

图3 PCS升压舱模块

1.4 10 kV Ⅰ段汇流母线模块

如表4所示，每座10 kV汇流舱含2面储能电池进线柜、1面SVG进线柜、1面母线设备柜、1面计量柜、1面出线柜及相关附属设备。该模块设计优化了电气主接线，如图4所示，将进线柜与PCS舱一一对应的形式优化为“一拖四”，将4座PCS舱相互连接后接入一面进线柜，大幅降低了设备成本，有效减少了占地面积。

1.5 预制舱模块布局

预制舱各模块的占地面积固定，可根据选址灵活安排各舱的位置，也可根据储能电站的容量需求计算需要的模块数量，从而估算大致的需求占地面积，方便选址工作的开展。为了方便接线和节约电缆，一般每座PCS升压舱与储能电池舱采取就近一一对应布置。电池舱与PCS升压舱模块布局如图5所示。

图5 布局图

表4 10 kV Ⅰ段母线模块

2 电网侧储能电站的模块化应用

某储能电站储能系统（8 MW/16 MW·h）采用预制舱户外布置方式，共设置8套储能电池预制舱和8套PCS及升压变成套装置，每个电池预制舱容量为1 MW×2 h，采用40英尺非标预制舱。每座PCS升压舱与储能电池舱一一对应，每座PCS升压舱含有2台500 kW PCS变流器和1台1 250 kVA双绕组升压变压器。PCS变流器实现DC/AC转换，将直流760 V转化为交流315 V，然后由升压变压器升压至10 kV并分别接入10 kV汇流母线。10 kV汇流舱含2面储能电池进线柜、1面SVG进线柜、1面母线设备柜、1面计量柜、1面出线柜及相关附属设备。每4座储能电池舱与PCS升压舱并联接入10 kV汇流舱中的1面储能电池进线柜。10 kV汇流母线通过10 kV汇流舱中的1面出线柜，将新建10 kV线路接入对侧110 kV变电站10 kV开关柜。图2为10 kV Ⅰ段汇流母线及其连接的设备。

图4 10 kV Ⅰ段汇流母线及其连接的设备情况

如表5所示，当需要建设16 MW/32 MW·h储能战时，只需另外增加8座电池舱和8座PCS升压舱。10 kV汇流舱由于采用40英尺非标预制舱，还有空间容纳两段10 kV汇流母线，只需新增同8 MW/16 MW·h储能系统一样的10 kV汇流母线并加装分段开关及手车柜即可。同样，建设表中其他容量储能电站时只需成倍复制10 kV汇流母线、电池舱和对应的PCS升压舱即可。但是，考虑到10 kV汇流舱的空间问题，3段以上的10 kV汇流母线需要另外增加10 kV汇流舱。8 MW/16 MW·h储能系统由于只有一段10 kV汇流母线，站内所用变采取一台开关柜对应一座站用变舱。表5中其他容量的储能系统由于存在2段及2段以上10 kV汇流母线。为了满足所内设备的供电可靠性，站内所用变可采取2台开关柜对应2座站用变舱。此2台开关柜一般布置在汇流舱中第一段母线和最后一段母线，因此中间段母线模块中去掉所用变进线柜即可。

表5 几种容量储能电站的预制舱数量

3 结 论

综上所述，理论上可无限扩展储能电站的容量，但需要考虑实际需求、占地面积以及监控总量的控制。因此，电网侧储能电站的模块化选择应考虑以下注意事项。

（1）电网侧储能电站应采用“分散式布置、集中式控制”方式进行规划、设计和建设，电网侧储能电站应由调度统一调控，应充分利用电网现有变电站资源进行建设。

（2）电网侧储能电站接入源网荷系统应能实现储能设备从“负荷”向“电源”的毫秒级转变，为高峰期间供电压力提供紧急功率支撑[5]。比如，接入源网荷系统，通过源网荷终端、EMS和PCS紧密配合实现毫秒级控制。

（3）采用标准预制舱体布置形式，实现设计方案的模块化、设备基础的通用化、施工建设的标准化，从而缩短建设周期，节约建设成本。

（4）优化电气主接线，将进线柜与PCS舱一一对应的形式优化为“一拖四”“一拖三”，将多面PCS舱相互连接后接入一台进线柜，大幅降低设备成本，有效减少占地面积。

（5）要考虑整个监控接入的能力，目前每个电池舱有2万个信号，一个24 MW/48 MW·h站需要24个电池舱，则整个储能电站有50～60万个信号。这么大的量接入整个监控，对整个监控的容量和数据分析提出了更高要求。所以，从整个数据量接入方面看，监控系统要支撑足够多信号的接入。