非步入式电池集装箱在储能电站工程中的应用

2022-12-13李建辉

电力勘测设计 2022年11期

李建辉，刘洋，唐俊

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610056)

0 引言

据中关村储能产业技术联盟发布的《储能产业研究白皮书2022》不完全统计，截止2021年底，我国新型储能系统中89.7%采用锂电池作为储能电池。采用预制舱式的储能电站具有施工周期短、施工质量便于把控、占地面积小、总投资较小等优点，一大批预制舱式磷酸铁锂电池储能项目并网运行，容量不断刷新[1]。

电池储能系统(battery energy storage system，BESS)长期面临的最大问题是电池能量密度不能做到足够大，自铅酸电池发明一百多年来，人类花费了数千亿美元的研发经费，然而从铅酸电池的90 Wh/kg到锂离子电池260 Wh/kg，电池能量密度并没有得到根本改变，储能电池容量提升将跟不上储能变流器(power conversion system，PCS)的更新换代速度，能量密度限制了单个预制式电池集装箱(简称“电池舱”)的装机容量。文献[2]中提出当前储能技术亟须解决的问题包括降低储能系统的建设成本和运行维护成本和提高储能系统的安全性。而采用非步入式电池集装箱能够最大化的提高单元装机容量，能够降低工程造价，提高系统安全性，在当前发展趋势下是一种不错的选择。本文以某运行功率60 MW、总容量120 MWh的储能电站(简称“60 MW/120 MWh储能电站”)为例，对储能电池采用非步入式集装箱(冷却方式为风冷)搭配PCS的优化设计，为未来大规模储能电站的应用提供技术参考。

1 模块化预制舱在储能电站中的应用

预制舱是由预制舱体、一二次设备、舱体辅助设施等组成，在工厂内完成制作、组装、配线、调试等工作，并作为一个整体运输至工程现场，就位于安装基础上。预制舱及其内部的一二次设备实现整套由厂家集成，实现工厂化加工，减少现场一二次接线，减少设计、施工、调试、工作量，简化检修维护工作，缩短建设周期，有效支撑了项目的快速建设。采用标准预制舱体布置形式，储能系统中的电池、PCS和升压变不必分别进行集中布置，可采用全户外一对一或一对多布置，储能单元相对独立，易于安装、调试、运行和维护。

电池舱和PCS升压舱的选型和布置是整个储能系统设计的关键，对整个电站的安全和造价起决定性作用，目前的PCS更新换代较快，电池技术相对发展较慢，需要结合具体工程对该储能电站中储能单元配置进行优化设计，以便提高系统的安全性和降低工程造价。

1.1 PCS升压舱模块设计

在电化学储能系统中，PCS连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间，是实现电能双向转换的装置，可实现储能电池的存储电能与释放电能的过程，进行整流与逆变操作，同时在电网掉电的应用场所可以输出交流电，为交流负荷供电[3]，根据需要工作于不同模式。

常规户外布置储能电站均由PCS和升压变压器组成PCS升压舱。升压变压器容量从几百kVA到几百MVA均有成熟产品，易于选择配置，由PCS升压舱集成商成套提供。在储能电站容量核定的情况下，为了降低储能电站的成本，使用较高电压等级的PCS提高系统功率是必然的选择。目前PCS主流有直流端输入电压1 000 V和1 500 V两类产品，功率主要有250 kW、500 kW、630 kW、750 kW、1 000 kW、1 250 kW、1 500 kW、2 000 kW及以上几种规格，采用直流端输入电压1 500 V功率在1 000 kW以上的PCS即将成为储能电站主流应用。

1.2 电池舱模块设计

电池舱(以当前储能项目应用最多的磷酸铁锂电池为例)按照运维通道设计，分为步入式和非步入式两种类型。步入式电池集装箱主要采用短端双开门设计，内设人工操作空间及运维通道等，内部通道只能用于BESS设备的检查、维护和维修，步入式电池集装箱的布置如图1所示。受制于电池性能和容量的限制，目前40呎电池集装箱步入式方案最大装机容量约3.84 MWh。国内投运的储能项目，考虑到防护等级、温度控制、运行维护、消防灭火等原因，其电池集装箱大多以步入式为主，随着目前大功率PCS的应用，主流储能单元总功率已达2.5 MW(单个PCS额定功率1.25 MW)及以上，按照时长2 h的储能系统配置，其储能电池所需容量已超过5 MWh，而步入式集装箱安装电池容量较小，单套储能单元不得不配置2台储能电池舱。

图1 步入式电池集装箱布置示意图

非步入式电池集装箱则为紧凑型设计，内部不设操作空间和运维通道，对设备的操作与运维全部在箱外完成，主要为两侧开门，人不能进入集装箱内部停留，非步入式电池集装箱的布置如图2所示。目前40呎电池集装箱非步入式方案，最大装机量约5.76 MWh。

图2 非步入式电池集装箱布置示意图

相比步入式电池集装箱，非步入式电池集装箱方案电池簇体积更大，一台集装箱电池装机容量更高。非步入式集装箱方案100%外维护，人不进入箱体内部，降低了人员受伤的风险。

随着我国电池储能技术的进步，非步入式集装箱在防护等级、温度控制、运行维护、消防灭火等方面得到突破性进展，其技术日趋成熟，加之储能行业各种标准的制定和进一步完善，非步入式集装箱将在国内储能电站中广泛使用。

1.3 储能单元模块化布置设计

储能单元是指由电池组、电池管理系统及其相连的功率变换系统组成的最小储能系统，一般由一台PCS升压舱与配套电池舱组成，组成结构如图3所示。

图3 储能单元的组成

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，一般每台PCS升压舱与储能电池舱采取就近一一对应布置[1]。

由于运输原因，国内储能电站所使用的单体电池集装箱尺寸一般为40呎和45呎两种尺寸，本项目以40呎电池集装箱展开设计。根据不同的PCS和储能电池容量的搭配，全户外预制舱式储能电站单套储能单元典型的布置方案主要有以下3种：

方案一：单套储能单元由1台PCS升压舱和1台40呎电池舱构成，如图4所示。

图4 储能单元布置方案一

方案二：单套储能单元由1台PCS升压舱和2台40呎电池舱构成，如图5所示。

图5 储能单元布置方案二

方案三：单套储能单元构成同方案2，为节约占地面积，考虑在2台40呎储能电池舱之间修建防火墙，如图6所示。

图6 储能单元布置方案三

三种布置方案，最简单、最经济、最节省占地面积的是方案一，单套储能单元由1台PCS升压舱和1台电池舱构成。往往受制于单台预制舱可安装蓄电池总容量的限制，实际投运的项目中采用1台PCS升压舱和2台电池舱组成储能单元的方案较多。《电化学储能电站典型设计》中，多种储能电站布置基本均采用了单套储能单元由2台电池舱间加装防火墙的设计方案。

而采用非步入式电池集装箱的方案，40呎集装箱安装电池容量可以超过5 MWh，单套储能单元可以由1台PCS升压舱和1台40呎电池舱构成，系统更加简单且利于设计和运维，也不需要加装防火墙，其不仅降低了占地面积，节省了初期投入，同时其采用100%外部运维设计，还降低了人员受伤的风险，提高了系统的安全性。

2 采用非步入式电池集装箱解决方案

由于目前40呎步入式电池集装箱最大装机容量约3.84 MWh，如果想采用大功率的PCS则必须配置2台40呎电池集装箱，甚至储能单元还采用多种规格的搭配，不利于采购、布置、安装和运维。因此本储能项目的设计提出一种更为合理的解决方案：即储能单元采用1套PCS升压舱(2台1 250 kW PCS +1台2 500 kVA变压器组成)，配套1台40呎非步入式5 MWh储能电池舱，单套储能单元标称功率/容量为2.5 MW/5 MWh，60 MW/120 MWh储能电站共计需24套储能单元，储能系统部分的布置如图7所示。

图7 60 MW/120 MWh储能电站布置图

60 MW/120 MWh储能电站电池舱采用非步入式集装箱方案后，相比按照步入式电池舱方案进行设计，总共节省24个40呎电池集装箱舱体(含暖通及消防设计)及基础，储能系统部分节省占地约40%(相比采用加装防火墙方案节省占地约30%，另外节省24堵防火墙)。目前一座60 MW/120 MWh储能电站储能部分总造价约2.22亿元(估算方式：电池按1.5元/Wh、PCS 按0.15元/Wh，土建按0.2元/Wh)，本项目优化后按照1个40呎电池集装箱箱体造价约20～25万元、1个40呎电池集装箱基础加1堵防火墙土建费用约4.5万元，共计节约24套，初步估算可节省投资约600万元，约占储能系统总造价的2.7%。