移动式电池储能系统的设计

宋 凯

上海电气电力电子有限公司 上海 201906

1 设计背景

在风电场建设过程中,由于风机并网手续及电网接入等因素的影响,往往在风机安装工作完成后,需要等待很长的一段时间才能进行并网调试。如果这段时间拖得过长,风机调试工作将长期处于停滞状态,造成时间和管理成本上的严重浪费。因此,通过使用更优的电源方案,将极大地缩短整个风电场建设项目的建设工期,使风机尽快实现发电并网,有效提升风电场整体的发电效率。

风机的调试分为静态调试和动态调试两种。静态调试指风机处于不发电状态,风机的调试电源由外部设备提供。动态调试指风机处于并网发电状态,此时风机向外部发送电能。

若要同时满足风机静态调试和动态调试时能量的双向流动,移动式电池储能系统成为一种具有可行性的方案。

2 控制系统

移动式电池储能系统可用于风电场未上电的情况下对单个风机进行本地和远程的黑启动并网调试,同时内部还配置直流充电桩,可以作为移动充电宝给风电场新能源电动汽车进行应急充电。移动式电池储能系统由磷酸铁锂电池组、储能变流器、电池管理系统、消防系统、热管理系统、辅助控制系统和标准储能集装箱组成。

移动式电池储能系统在风电场的调试可分为本地模式和远程模式,在本地模式下可以分为电池充电模式、静态调试模式、动态调试模式、电动汽车充电模式。在远程模式下移动式电池储能系统输出交流690 V电源,通过风电场升压变压器进行升压,再由电网输送给远方风机或电网。

(1) 电池充电模式。电网400 V电源接至移动式电池储能系统的充电接口,系统控制模式选择电池充电模式,储能变流器在并网模式下零压斜坡启动,此时电网对储能电池进行充电,当储能电池荷电状态达到设定值,即储能电池荷电状态不低于90%时,系统自动停止工作。

(2) 静态调试模式。系统控制模式选择静态调试模式,待测风机桨叶处于锁定状态下,设置储能变流器的输出功率,使储能变流器输出功率满足风机调试的需求功率,储能变流器在离网模式下零压斜坡启动,输出交流400 V电源。

(3) 动态调试模式。系统控制模式选择动态调试模式,风机处于发电并网状态下,设置储能变流器的输入功率大于风机变流器输出功率,储能变流器在离网模式下零压斜坡启动,风机双馈异步发电机产生的电能通过储能电池进行吸收。

(4) 电动汽车充电模式。系统控制模式选择电动汽车充电模式,储能变流器在离网模式下零压斜坡启动,系统输出交流400 V电源给30 kW壁挂式直流充电桩,再通过转换输出200～750 V直流电源给风电场电动汽车应急充电。

(5) 远程调试模式。风电场建设结束后,在办理并网手续期间,通过移动式电池储能系统进行远程供电,给风电场不同区域的风机进行远程供电调试,可以极大地节省整个项目的调试时间。系统控制模式选择远程调试模式,储能变流器在离网模式下零压斜坡启动,系统输出交流690 V电源给风电场升压变压器,再通过电网输送给远方待调试的风机。

3 通信网络

本地控制器作为移动式电池储能系统的控制大脑,主要用于采集储能电池、储能变流器、消防系统、热管理系统和各单元的实时信息,将各单元设备信息汇总后上传给本地监控平台和云平台。本地监控平台的作用是负责各储能子系统的启停逻辑管理、系统保护逻辑处理和储能功率分配等工作。云平台的作用如下:风电场调试人员在风机塔筒内工作时,可以通过手机应用程序实时监测移动式电池储能系统的运行状态和电池荷电状态。系统网络通信架构如图1所示。

图1 系统网络通信架构

4 热管理系统

移动式电池储能系统中只有磷酸铁锂电池有相对严苛的工作环境要求即工作温度范围为25 ℃±5 K,电池室是一个独立封闭的空间,从成本上考虑,可以仅在电池室配置制冷制热系统。

电池室内温控系统设计的优劣直接决定磷酸铁锂电池组的工作性能和效率,也影响电池循环寿命和电池的安全运行。因此,设备合理选型对储能系统的安全、稳定、可靠运行是一个决定性的因素。

(1) 制冷功率计算。制冷功率Pc计算主要考虑电池的功耗发热功率PR和外部静渗入热量P1两个因素。

电池的功耗发热功率PR可以通过电池的总容量E,额定工作电流倍率C,以及电池整体充放电循环效率μ来进行估算,计算式为:

PR=CE(1-μ)

(1)

储能集装箱放置在户外时,由于外部环境温度的影响,会对电池室内部产生外部静渗入热量P1,热量值与储能集装箱表面的有效传热系数K和表面面积有关,计算式为:

P1=(KtSt+KcSc+KbSb)Δt

(2)

式中:St为储能集装箱顶部的面积;Sc为储能集装箱四个侧墙的总面积;Sb为储能集装箱底部的面积;Kt为储能集装箱顶部的有效传热系数;Kc为储能集装箱侧面的有效传热系数;Kb为储能集装箱底部的有效传热系数; Δt为集装箱外、内部温度差。

由式(1)和式(2),可以得出制冷功率Pc为:

Pc=KP1+PR

(3)

式中:K为修正因数,一般取值范围为1.2～1.5。

(2) 制热功率计算。移动式电池储能系统在冬季开机时,需要对电池室进行空间加热,所需的制热量Qh取决于静态温度t1、加热时间T0、启动温度t0,以及弥补在加热期间内箱体的静渗出热量功率P2,计算式为:

(4)

式中:Ci为第i个部件的比热容;Mi为第i个部件的质量;n为部件数量。

因此,可以得出制热功率Ph为:

(5)

5 温度控制策略

移动式电池储能系统温度控制策略分为制热模式和制冷模式,制热模式实现对电池低温下的控制和保护,制冷模式实现对电池温升的有效控制,温度控制逻辑如图2所示。

图2 温度控制逻辑

6 消防系统

电池室内的磷酸铁锂电池的工作相对密闭,散热条件有限,磷酸铁锂电池在充放电过程中容易造成热量的积聚,特别是在极端工况条件下,如过充、短路、过温等,热量积累易导致电池温度急剧升高并发生热失控,从而引发磷酸铁锂电池火灾爆炸事故。因此,除了做好储能集装箱的散热、制冷设计外,还需合理地设计储能集装箱消防系统,提高储能集装箱运行的安全性。根据电池室的内部结构及火灾隐患,电池室内的设计,笔者采用的是柜式七氟丙烷气体灭火系统,它是一种无色、无味、不导电、无二次污染的气体,具有清洁、低电绝缘性灭火效率高的特点。消防系统如图3所示。

图3 消防系统

控制室和变压器室有完善的过热保护、短路保护等,起火属于非常极限的工况,而且舱室内设有烟雾传感器,一旦检测到告警信号,系统会关机停运。因此,控制室和变压器室可以采用二氧化碳灭火器备用灭火。

7 储能集装箱

我国风电场多数处于偏远地区,气候和环境条件恶劣。特别是北方风电场多为高原地区,相当一部分风电场海拔高度高于1 800 m,冬季最低温度低于-30 ℃。另外在进入风电场前的道路大多数为崎岖不平的泥路或山路,因此储能集装箱的强度和保温设计直接影响到移动式电池储能系统安全、高效的使用。

7.1 箱体强度和防腐设计

储能集装箱作为整个移动式储能系统的载体,运输过程中会受到不可抗力的影响,运输路况的不可控和人为因素的破坏,要求储能集装箱必须要有足够坚韧的结构和强度。

储能集装箱可以选用钢制集装箱,特点是强度较高、结构牢固、具有良好的焊接性和水密性。在结构方面,储能集装箱框架和底部大梁采用厚度不小于2.5 mm的耐候钢板,箱体及顶部采用厚度不小于1.5 mm的波纹钢板。在防腐方面,储能集装箱按照25 a寿命设计,采用高耐候防腐技术处理。

7.2 箱体保温设计

移动式储能系统的保温主要取决于储能集装箱的设计,集装箱的保温性能越好,外部环境对集装箱内部的温度影响也就越小。通过研究,影响储能集装箱保温效果的主要有两个方面,一个是隔热,另一个是密封。隔热方面,尽可能采用热导系数小的高效保温材料,并采用双层保温材料的方案来提高整体的保温效果,即储能集装箱舱体六面内壁上先喷上厚度为50 mm,导热系数为0.025 W/(m·K)的复合A级防火聚氨酯,然后再覆盖一块厚度为50 mm,导热系数为0.044 W/(m·K)的A级防火保温岩棉板,两种材质的组合可以有效提高舱体保温性能。密封方面,主要通过箱门采用三元乙丙橡胶密封条和百叶窗配过滤棉来提高防护等级,一般防护等级不能低于IP54。

储能集装箱保温层设计如图4所示。

图4 储能集装箱保温层设计

7.3 整体布局

移动式电池储能系统采用标准储能集装箱,集装箱内部布局分为三个舱室:电池室、控制室和变压器室。控制室和电池室之间通过安全门进行隔离,控制室与变压器室之间通过隔断防火墙进行隔离。

电池室内放置磷酸铁锂电池簇、热管理系统和柜式七氟丙烷灭火装置,控制室内放置配电控制柜、储能变流器和消防主机,变压器室内放置变压器、充电桩和电缆接口系统。

储能集装箱内部布局如图5所示。

图5 储能集装箱内部布局

8 技术优势

(1) 与传统的柴油发电机相比,移动式电池储能系统具有毫秒级响应、供电零闪动、离网黑启动、效率高等特点,从而保障调试电源的稳定可靠性。

(2) 移动式电池储能系统具有能量双向流动的特性,在风机的动态调试过程中可以同时对储能电池进行充电,整个调试过程可以完全做到零消耗、零排放。

(3) 移动式电池储能系统具有独特的控制算法和合理的输电系统参数,能够避免双馈风力发电机在弱电网环境下与移动式电池储能系统产生次同步谐振。

9 结束语

移动式电池储能系统因具有较好的储电输电性能,较高的可靠性和安全性,以及较为突出的灵活性和移动性,已经成为储能系统中一个重要分支,其应用已覆盖到电力抢修、道路救援、重要会议的保电、电力增容、不停电作业等领域。随着市场化应用的持续扩展和技术的进步,移动式电池储能系统未来势必会成为能源互联网中一个重要的技术产业。