2 MW集装箱式储能升压变一体机系统的设计

2021-10-13孙凤双

上海电气技术 2021年3期

孙凤双

上海电气集团股份有限公司输配电分公司上海 200050

1 设计背景

随着风力发电、光伏发电等新能源发电容量的逐渐增大且不断并网,并网所引起的波动性、随机性使电网的稳定性变弱,不能满足国家电网稳定可靠运行的要求。为了使输出功率平滑稳定,同时减小弃风、弃光对企业经济效益带来的影响,在新能源市场急需一种新技术,集装箱式储能系统应运而生。集装箱式储能系统可以有效解决风光等新能源发电的波动性、随机性,改善电网的电能质量,提高可再生能源的利用率,助力实现碳达峰、碳中和。集装箱式储能系统具有容量大、灵活性强、可靠性强、可扩展性强、安装吊卸方便、适应环境能力强等优点。相对于传统储能电站,集装箱式储能系统还具有外形美观、调试简单、成本低等特点,特别适用于海拔高、严寒、海边、沙漠等复杂恶劣环境中的并离网储能需求[1-3]。

上海电气风电集团基于市场需求,大胆尝试,在广东汕头推出“能源互联网+”示范项目。这一项目集风力发电、光伏发电、储能于一体,探索在高比例可再生能源渗透条件下,通过网-源-荷-储动态控制管理技术,保证供电的高可靠性和高电能质量,实现能源的自组织、自平衡、自优化。

“能源互联网+”项目还设计了并离网无缝切换功能,利用储能作为电池组的支撑,可以黑启动进入孤岛模式,为园区内部的重要负荷供电。

基于集装箱式储能系统的各种优点,“能源互联网+”项目采用集装箱式储能,不同的系统布置在不同的集装箱内,整个系统设置在园区内。

上海电气输配电集团技术中心为“能源互联网+”项目设计了2 MW集装箱式储能升压变一体机系统。笔者以“能源互联网+”项目为例,对2 MW集装箱式储能升压变一体机系统进行介绍。

2 “能源互联网+”项目系统

“能源互联网+”项目选址在广东省汕头市濠江区上海电气海上风电产业园区内的上海电气汕头智慧能源基地。

“能源互联网+”项目系统包括一台8 MW海上风力发电机、一台4 MW海上风力发电机、2.42 MW屋顶集中式光伏、2 MW/2 MWh储能、汽车充电桩、智能楼宇监控设备、5G工厂物联网系统、微网控制系统、能量调度管理平台等,可以实现并离网状态下的持续性供电。“能源互联网+”项目系统拓扑如图1所示。

图1 “能源互联网+”项目系统拓扑

3 主回路

2 MW集装箱式储能升压变一体机系统主要由集装箱箱体、四台500 kW储能双向变流器,一台1 250 kVA、10 kV/0.38 kV变压器,一台1 250 kVA、10 kV/0.31 kV变压器,一台250 kVA、10 kV/0.38 kV隔离变压器,以及配套高压开关柜、低压配电柜、就地监控系统柜组成,主要用于风力发电和光伏发电的新能源平滑出力。

两台储能双向变流器作为一组,这一组储能双向变流器的直流侧接入680～907 V、500 kWh磷酸铁锂电池组,交流侧接入1 250 kVA、10 kV/0.38 kV变压器的二次侧。另外两台储能双向变流器的直流侧分别接入550～900 V、500 kWh液流电池组,交流侧分别接入1 250 kVA、10 kV/0.31 kV变压器的二次侧。两台1 250 kVA变压器的高压侧并联接入10 kV高压开关柜。系统的总输出为2 MW、10 kV三相交流电,能量可以在直流侧和交流侧双向流动。由于液流电池组和磷酸铁锂电池组的放电特性不同,因此对两个电池组的充放电进行独立控制管理。系统主回路如图2所示。

图2 2 MW集装箱式储能升压变一体机系统主回路

4 通信

就地监测系统通过通用面向对象变电站事件(GOOSE)光纤接口,接收园区继保和微网控制器指令。内置规约转换器,将通用面向对象变电站事件通信指令转换为RS485通信指令,向四台储能双向变流器发送开关机、工作模式、有功无功指令。通过两路ModBus-TCP与锂电池组和液流电池组的电池控制单元通信,在上报状态和故障同时接收电池控制单元对储能双向变流器的停机指令。

本地监控装置通过RS485通信协议和开关量输入接口、模拟量输入接口采集集装箱箱体动力环境监控信息,以及储能双向变流器、变压器、高压开关柜、低压配电柜的状态。当温度、电流等出现异常,或变压器、储能双向变流器发生其它形式故障时,对系统进行停机保护,并将故障信息上传记录。

储能双向变流器和电池组之间通过控制器局域网络通信和输入输出信号传送状态信息。监控系统通信架构如图3所示。

图3 监控系统通信架构

5 结构设计

2 MW集装箱式储能升压变一体机系统根据功能分为电气室和变压器室。集装箱布局如图4所示。

图4 集装箱布局

图4中,左半部分为电气室,内部布置有储能双向变流器、就地监测柜、空调内机等;右半部分为变压器室,设置主变压器和隔离变压器。

6 防腐设计

6.1 箱体防腐

集装箱箱体按照ISO 12944:2017《色漆和清漆 — 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》中C4H防腐等级进行防腐处理,使用年限长于15 a。

所有钢材表面应进行喷砂或喷丸预处理。所有结构件在焊接拼装完成后必须进行二次喷砂,然后才可以涂装[4]。

集装箱箱体涂装无机锌车间底漆、环氧富锌底漆、环氧中间漆、聚氨脂面漆,保证5 a不变色。车间底漆的厚度不小于20μm。钢构件外表面涂层总干漆膜厚度不小于240μm[4]。

现场焊接时和安装后,对被破坏的漆面按照油漆修复工艺进行补漆。对于所有封闭的箱形结构,在封闭前对内表面进行油漆。

6.2 电气设备防腐

对集装箱箱体进出风口进行防腐设计。按照GB/T 4797.6—2013《环境条件分类自然环境条件尘、沙、盐雾》和文献[5],在海上和沿海地区,98%的盐雾颗粒是直径大于1.6μm 的颗粒。对此,在集装箱百叶窗上加装高等级空气过滤棉,对盐雾颗粒进行过滤,进而实现对集装箱内部电气设备的盐雾防护。

选用高等级空气过滤棉作为集装箱进风过滤材质,其组成材质为聚对苯二甲酸乙二酯骨架无纺布和聚丙烯熔喷滤层,直径为0.3μm 的颗粒过滤效率高于65%,能滤除绝大多数直径大于0.3μm 的盐雾颗粒。高等级空气过滤棉的通风效率与普通防护滤棉基本持平,并且不影响通风散热效果。

就地监测柜、低压配电柜、变流器柜等的外壳均使用专用喷涂工艺和材料,使柜体达到ISO 12944:2017中的C3M防腐等级。

对电气柜内铜排进行加厚镀锡防护。钣金件采用覆铝锌板,切口处做防护处理。对所有电路板进行防霉菌、防潮湿、防盐雾处理。

7 子系统设计

7.1 高压系统

高压侧采用10 kV高压开关柜接入园区10 kV母线,一进两出,一路通过高压断路器向并联的两台1 250 kVA变压器供电,一路通过负荷隔离开关加熔断器向250 kVA隔离变压器供电。

环网柜具备隔离开关、熔断器、断路器、防雷设备、带电指示设备、故障指示设备、电流互感器、综合保护装置。综合保护装置通过监控系统参数控制断路器跳闸,实现就地和远程操作。

变压器温度监控系统的跳闸保护信号串联接入断路器控制回路。变压器具有温度显示、温控保护功能。温控系统的温度可以根据要求进行设定和调整。温度控制装置具有RS485通信协议接口和干节点信号。变压器绕组温度超过规定值时,发出报警信号。绕组温度超过允许值时,输出跳闸信号。绕组温度降至规定值时,自动停运风机。

7.2 就地监测系统

就地监测系统安装在就地监测柜内,以可编程序控制器为核心,用于实现变压器、高低压开关、变流器、消防设备、空调、照明设备、安防设备等的状态采集和系统通信,带有人机交互界面,显示2 MW集装箱式储能升压变一体机系统的状态和参数。

变流器协调控制器用于将上级系统的统一指令分配给四台储能双向变流器,储能双向变流器和变流器协调控制器之间通过控制器局域网络进行通信协调。

就地监测柜内配置5 kW、220 V不间断电源,为10 kV环网柜、储能双向变流器等提供可持续性控制电源。

7.3 储能双向变流器

储能双向变流器是核心部件,是实现2 MW集装箱式储能升压变一体机系统高效、稳定、安全、可靠运行和风光能源利用最大化的重要保障。结合现场使用环境和实际运行要求,设计储能双向变流器实现并网和离网运行功能。

储能双向变流器长期并联在大电网上运行,园区负荷小时向电池系统充电,园区负荷大时电池放电。要求储能双向变流器具有并网运行功能,实现对有功功率、无功功率的独立解耦控制,并且能够与上级监控系统协调配合,实现园区内电网系统的各种应用。

储能双向变流器并网充放电功率和放电方式可以自由选择,以适应不同的电网需求。充放电功率可以通过后台监控系统界面进行设定。充电方式包括恒功率充电、恒流充电、恒压充电,放电方式包括恒功率放电、恒电流放电,可以在界面中自由选择。与监控系统配合时,可根据监控指令控制储能双向变流器的有功功率输出,接收和实时跟踪、执行监控系统传送的有功功率控制信号,根据电网侧电压频率、控制指令等信号实现有功功率输出的自动调节,确保功率变化率、最大输出功率不超过设定值,保证在电网供电故障或其它特殊运行状况下园区供电系统的稳定性[6-8]。

储能双向变流器可快速调整有功、无功功率输出,依据交流侧电压水平、监控系统控制指令等信号来快速跟踪并调节无功功率输出。

储能双向变流器具备电网电压跌落控制功能,在电网电压跌落的时刻,动态无功电流快速响应,时间短于30 ms。

当电网断电时,园区重要负载需持续可靠供电,要求储能双向变流器具备离网运行功能。

离网运行时,储能双向变流器进行输出电压与频率的正比例控制,为负载提供恒幅恒频的交流电压。储能双向变流器同时具有单机黑启动功能,可按照规定的条件脱离电网,在一定时间、容量允许范围内为园区重要负荷提供恒频恒压的稳定供电。

储能双向变流器具有完善且全面的保护功能,确保在各种故障状况下整个2 MW集装箱式储能升压变一体机系统的安全性。

储能双向变流器的通信设计包括:① 与就地监测系统和外部上级能源管理系统的通信,应用RS485通信协议接口,方便接入就地监测系统和外部能源管理系统;② 与电池管理系统进行控制器局域网络通信。

储能双向变流器采用模块化结构,可灵活配置满足不同应用场合不同容量的要求。2 MW集装箱式储能升压变一体机系统中,500 kW储能双向变流器采用十个50 kW交流或直流模块并联而成,每个模块采用三电平设计,机柜内另配防雷、断路器等保护元件。储能双向变流器拓扑结构如图5所示。

图5 储能双向变流器拓扑结构

8 其它硬件配置

8.1 散热系统

散热系统主要分为电气室和变压器室两部分。电气室采用空调散热,空调选型需注意制冷量和风压。根据热损耗,结合空调产品的制冷曲线,选出适合实际工况的制冷量。2 MW集装箱式储能升压变一体机系统中,环境温度为40 ℃,集装箱电气室内设定温度为35 ℃,额定工况下电气室内热损耗为40 kW,空调冷却曲线如图6所示,由此选取额定冷却量为60 kW的工业空调[9-10]。