【项目方案】200MW储能电站储能系统设计方案

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200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 1 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统部分 2023.07 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 2 目录 1.储能系统 ................................................................ 3 1.2. 储能的分类及应用 ...................................................... 4 1.2.2. 储能电池技术路线选择 ................................................ 5 1.3. 储能系统的架构及设计原则 ............................................ 10 1.3.2. 储能系统设计原则 .................................................. 12 1.3.3. 储能系统技术路线方案对比 .......................................... 13 1.3.3.1. 直流 1000V 方案 ................................................. 13 1.3.3.2. 直流 1500V 方案 ................................................. 14 1.3.3.3. 高压级联方案 .................................................... 15 1.3.3.4. 模块化方案 ...................................................... 18 1.3.3.5. 结论 ............................................................ 20 1.4. 关键设备选型 ........................................................ 21 1.4.2. 储能变流器（PCS）选型 .............................................27 1.5. 储能系统控制及保护 .................................................. 31 （1） BMS 基本功能要求 .................................................... 32 （2） BMS 其他功能要求 .................................................... 37 1.5.2. 能量管理系统 EMS ................................................... 38 1.5.3. 储能协调控制系统CCS ................................................ 40 5.5.3.1 双机切换功能 ....................................................... 40 5.5.3.2 有功功率控制功能 ................................................... 41 5.5.3.3 无功功率控制 ....................................................... 42 5.5.3.4 AGC/AVC 命令转发 .................................................. 42 1.6. 电池集装箱热管理系统设计 ............................................ 43 1.7. 储能系统主要设备材料清单 ............................................ 46 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 3 1.储能系统 1.1. 储能必要性 “双碳”战略目标下，国家明确提出构建逐步提高新能源占比的新型 电力系统。随着以风电、太阳能发电为代表的新能源逐步实现对煤电、气 电等传统化石能源的替代，新能源发电“随机性、间歇性、波动性”出力 特征和“低惯量、弱支撑、弱抗扰”运行特性将给电力系统带来严峻挑战。 作为中东部地区的典型省级受端电力系统，近年来XX清洁低碳转型步伐 明显加快，已经呈现出高比例可再生能源、高比例电力电子器件、高比例 外来电“三高”电力系统特征，能源电力安全、绿色、经济发展面临的各 种问题和矛盾非常突出。构建XX新型电力系统，形成“清洁能源+区外来电+ 储能”多轮驱动的能源供应体系和“源网荷储”协调互动的安全运行体系， 是保障XX能源电力安全供应、清洁能源高效消纳和电网安全稳定运行的必 然选择。 储能作为顺应能源革命最具发展前景的灵活调节资源，是实现能源电 力非完全实时平衡及综合高效治理新型电力系统突出问题的最佳“缓冲器” 与“减震器”，是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。主要表现在： 一是发挥大规模储能“顶峰”作用，保障能源电力安全供应；二是发挥储能 “调峰”作用，提升新能源消纳能力，支撑高比例、规模化新能源接入电网； 三是发挥储能有功/无功快速响应能力，提升电力系统调频、调压能力，有力 支撑电网安全稳定运行。 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 4 1.2.储能的分类及应用 1.2.1. 储能的分类 现阶段，在诸多储能技术中，从规模、安全性、成本等方面综合考虑 最成熟的技术是抽水蓄能。除抽水蓄能外，尚没有一种储能技术在应用规 模上占据绝对的优势，各自均存在发展短板，多种储能技术路线相互竞争、 多元化发展的局面在短期内仍将继续保持。 1.2.1.1. 机械储能 抽水蓄能是电力系统中应用最广泛、最成熟的大规模储能技术，具有 容量大、寿命长、运行费用低的优点。抽水蓄能电站单位投资在3000~6000 元/kW左右，连续抽水或发电时间一般可达10余小时，系统效率在75%左右。 但是由于抽水蓄能对外部地理环境要求较高，限制了其广泛应用。 压缩空气储能具有容量大、连续工作时间长、寿命长等优点，全生命 周期内的度电成本低于大部分电化学储能，具有良好的经济性，但大型压 缩空气储能系统一般需要利用盐穴、矿坑等特殊地理条件建设储气室。美 国、德国均有百兆瓦级压缩空气储能电站投入商业运营，国内常州金坛 60MW×4h盐穴压缩空气储能项目已并网成功。 飞轮储能具有瞬时功率大、能量转换效率高、寿命长等优点，但其存 储能量较小，持续放电时间仅在分钟级，同时存在自放电率高的问题，停 止充电后能量一般在几小时到几十个小时内会自行耗尽。美国BeaconPower 建设了20MW飞轮储能调频电厂，已实现商业化运营，后续加拿大等国家也 推出了飞轮储能调频项目，国内飞轮储能技术仍相对落后。 1.2.1.2. 电磁储能 超级电容器、超导储能等电磁型储能具有瞬时功率大、响应速度快、 寿命长等优点，但其持续放电时间很短，一般不超过数分钟，比较适用于 功率型应用，如应对瞬时电压跌落、瞬时断电供电等。目前电磁储能成本 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 5 较高，在超导临界温度、超导线材、电极材料等方面仍有待突破。 1.2.1.3. 电化学储能 电化学储能具有设备机动性好、响应速度快、能量密度高和循环效率 高等技术优势，是目前各国储能产业研发创新的重点领域和主要增长点。 电化学储能技术主要包括铅蓄（铅炭）电池、锂离子电池、液流电池和钠 硫电池，其中铅炭电池、锂离子电池发展较快，有望率先带动电化学储能 商业化。 在前沿技术方面，近年来全球储能技术研发的脚步不断加快，超临界 压缩空气、可变速抽水蓄能等新一代储能技术进入试验示范阶段，锂离子 电池、液流电池在新型电极材料、电解液、隔膜材料生产制造工艺等方面 成果不断，水系钠离子电池、锂硫电池、液体金属电池、金属-空气电池、 铝离子电池等新型电池体系不断涌现。 1.2.2. 储能电池技术路线选择 1）铅炭电池短期性价比优势明显 铅蓄电池是使用最广泛的蓄电池储能技术，具有价格低廉、安全可靠 等优点，但由于能量密度低、寿命短和不可深度放电等因素限制了更大范 围应用。 以铅炭电池为代表的先进铅蓄电池技术改善了传统铅蓄电池的缺陷， 成为铅蓄电池技术发展的重要方向。铅炭电池相较传统铅蓄电池的生产成 本仅有小幅增加，但充放电功率、循环寿命、充电速度等关键指标实现了 明显提升。与锂电池等其它主流电化学储能技术相比，铅炭电池的成本较 低，短期性价比优势明显。但是铅炭电池放电深度一般在60%左右（锂离子 电池可达80%以上），同时大功率放电能力也弱于锂离子电池。长期来看， 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 6 锂离子电池等其它电化学储能的发展和成本降低将对其市场空间构成一定 挑战。 铅炭电池优缺点对比 优点 缺点 （1）安全性：优 （1）能量密度：中 （2）电池价格：优 （2）循环寿命：中 （3）回收方案：优 （3）充放电倍率：中 （4）自放电：良 （4）充放电深度：中 （5）维护量：良 （6）循环效率：良 2）胶体电池 胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸 中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体 电池。 胶体电池的优点：循环寿命好、耐过放电、可以长期不充足电又进行 放电、高低温性能也好。 缺点是：胶体电池存在热失控现象，在北方用得要多些。胶体电池相对普 通铅酸电池价格较贵，且维护较困难，在温度较高时易产生热失控现象， 不易用在南方。这也是胶体电池始终得不到广泛应用的最根本原因。 此外，胶体电池带有毒性物质，不利于环保，综合考虑不建议使用胶 体电池。 3）锂离子电池具备产业化发展优势 锂离子电池应用范围广、能量密度高、充放电速率快，近年来其规模 和技术发展迅速。在全球已建兆瓦级电化学储能项目中，锂离子电池项目 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 7 装机容量约占总容量的65%，国内的张北风光储示范电站、深圳宝清储能电 站、江苏、XX、山东储能等项目，也都将锂电储能作为重点技术路线发展。 受电动汽车动力电池需求增长的拉动，锂电产业快速发展。目前锂离 子电池储能的规模效应已逐渐显现，储能成本实现快速下降。以电力储能 领域应用较为广泛的磷酸铁锂电池为例，2013年磷酸铁锂电池成本在 4500-6000元/kWh左右，2015年后最低可至2000-3000元/kWh，预计到2022 年底有望降至1400元/kWh。 此外，动力电池梯次利用有望进一步提高锂电储能的经济性。动力锂 离子电池容量下降到80%时须退役，但此时仍具有利用价值，可在电力储能 领域继续工作，美国、德国、日本等起步较早的国家已有成功案例。随着 未来国内电动汽车退役电池数量的快速增长，以及梯次利用技术和产业链 的发展完善，有望推动锂电储能成本进一步下降。 4）全钒液流电池具有循环寿命长的优势 液流电池种类繁多，具有充放电性能好、循环寿命长、功率容量可调 的特点，适合大规模储能应用。全钒液流电池是目前应用最广泛的液流电 池技术。全钒液流电池循环次数超过1万次，系统功率和容量相互独立，并 且容量可在线恢复。全钒液流电池技术的主要缺点包括：单位千瓦时电池 优点 缺点 （1）能量密度：优 （1）安全性：中 （2）循环效率：优 （2）维护量：中 （3）充放电倍率：优 （4）自放电：优 （5）循环寿命：良 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 8 成本是铅炭、锂离子电池的2-4倍，造成初始投资较高，但考虑到其循环次 数是铅炭、锂离子电池的2-3倍，单次循环的度电成本与铅炭、锂离子电池 相比也具有一定的竞争力；能量转换效率较低，在70%左右；能量密度低， 需要占用较多的土地和建筑资源；全钒液流电池正常运行需要电解液循环 泵等辅助设备，运维相较其它电化学储能技术更为复杂。 全钒液流电池优缺点对比 优点 缺点 （1）安全性：优 （1）能量密度：差，占地较大 （2）循环寿命：优，可低成本在线恢复 （2）电池价格：差 （3）回收方案：优 （3）自放电：中 （4）充放电倍率：良 （4）维护量：中 （5）循环效率：中，70%左右 5）钠硫电池技术受国外垄断 钠硫电池可实现较高的储能容量，电池运行稳定，维护量非常少，循 环寿命可达4000余次，并且已经有不低于10年以上的业绩实证。但钠硫电 池需要300℃~350℃的高温运行条件，具有一定的安全运行风险。 钠硫电池在国外应用较为成熟，在全球范围内已建成200余座钠硫电池 储能电站，其规模仅次于锂离子电池。日本NGK公司在钠硫电池系统研发方 面处于国际领先地位，是全球唯一具有大规模商业化生产钠硫电池能力的 企业。国内钠硫电池研制起步较晚，短期难以商业化推广。 钠硫电池优缺点对比 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 9 优点 缺点 （1）能量密度：优 （1）安全性：中，需要高温运行环境 （2）维护量：优 （2）充放电倍率：中 （3）循环寿命：良 （4）循环效率：良 （5）自放电：良 （6）电池价格：良 综上所述，从储能技术的经济性来看，锂离子电池有较强的竞争力， 钠硫电池和钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，成本昂贵。从运营 和维护成本来看，钠硫电池需要持续供热，钒液流电池需要泵进行流体控 制，增加了运营的成本，而锂电池维护量相对较小。 而同样对于锂电池来说，常见使用类型为三元锂电池和磷酸铁锂电池。 三元锂电池正极材料的分解温度在200℃左右，磷酸铁锂电池正极材料 的分解温度在700℃左右。实验室测试环境下短路磷酸铁锂电池单体，基本 不发出现着火的情况，三元锂电池则不然，在使用三元锂电池时尤其要对 热管理提出较高的要求，一旦出现过温、过充、过流等异常情况基友可能 造成起火、爆炸等严重后果，因而在安全性方面磷酸铁锂电池较三元电池 而言有着较大优势。 磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，简称为磷酸铁锂电池。 磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会出现 结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性；磷酸铁锂 为橄榄石结构，材料热稳定性高，不会形成尖锐的结晶，刺穿隔膜，导致 内部短路；采用高安全性的六氟磷酸锂电解质，添加了阻燃添加剂和防爆 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 10 添加剂，不会出现由于电解液而导致的安全故障。 磷酸铁锂具有严格的生产工艺要求及质量检测要求。电池在无尘车间 内生产，生产线为全自动产线，对每个工序都进行全程监控并配有追溯系 统。质量部门对每批次都需进行抽样检测，而针刺检测是众多测试实验中 最为直观验证磷酸铁锂电池安全可靠性实验。将针直接刺入电池壳体，此 时电池发生内部短路，而发生内部短路的情况下，磷酸铁锂电池只是冒烟 而无明火或爆炸现象。 新能源客车安全技术管理规定测试要求及标准以磷酸铁锂技术指标为 测试验证指标，尤其在热失控及热失控管理方面的实验要求也仅仅只有磷 酸铁锂电池符合要求。公共设施首重安全，公共汽车等尤为严格，对此严 格要求，仅仅只有磷酸铁锂电池满足其要求。世博会期间，人流量高达45 万多人，且在夏天高温情况下，磷酸铁锂电池大巴满足运载要求，未发生 一例因磷酸铁锂电池引起安全事故，磷酸铁锂电池在如此恶劣的高温环境 下经受住了考验，其安全性是有一定保障的。 现用于电网的磷酸铁锂储能系统，在电池室均配有消防系统、空调恒 温系统等，确保电池在最适宜、最安全的环境中运行。以上种种信息表明， 磷酸铁锂电池具有高安全性，是储能应用技术最佳选择。 1.3.储能系统的架构及设计原则 1.3.1. 储能系统的架构 储能系统由电池单元、电池管理系统、储能变流器、协调控制器以及 相应的能量监控与测控保护单元集成而成。电站储能系统采用了科学的内 部结构设计，先进的电池生产工艺，并配置较先进的电池管理系统以及能 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 11 量转换系统，具有高比能量和长寿命、安全可靠、使用温度范围宽等特性， 是风、光电储能、智能电网等行业理想的绿色储能电源产品。 配置在电源交流侧的储能系统也可以称之为交流侧储能系统。该配置 方案可在现有电站进行升级安装，形成站内储能系统。这种模式克服了直 流侧储能系统无法进行多余电力统一调度的问题，便于集中管理调度。 由于本项目兼顾储能与放电两种型式的运行，交流侧储能能量宜双向 流动，并且考虑到本项目储能系统参与调峰、调频，跟踪调度指令等多重 应用，本项目储能系统推荐采用交流侧储能型式。 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 12 1.3.2. 储能系统设计原则 （1） 可靠性 系统可靠性包括了成熟性、容错性、易恢复性和安全性四个方面。成 熟性是指系统为避免由本身存在的故障而导致失效的能力。本项目的软硬 件配置应符合低失效度、低故障度和高有效度的要求。容错性是指在出现 故障或违反规定接口的情况下，系统维持规定性能级别的能力。本项目的 软硬件配置应符合高防死度和高防错度的要求。易恢复性是指在失效发生 的情况下，系统重建规定的性能级别和恢复直接受影响的数据的能力。安 全性是指电化学储能电站应具备模块级安全分断和簇级均流控制等安全防 护功能，应具备电芯内短路检测。本项目的软硬件配置应符合高重用度和 高修复度的要求。 （2） 先进性 系统的先进性体现在选用业界目前广泛使用的产品和解决方案，技术 选型具有前瞻性，保证在未来数年内处于主流并能获得充足的技术支持。 （3） 实用性 系统选用的软硬件方案要充分结合中国业务特点和电池储能电站系统 架构现状，在保证系统可靠性和可用性的前提下，最大程度的达到实用、 好用的目的，实现界面友好、操作直观、功能贴合实际、系统响应迅速、 部署方便、运行稳定等特性，促进用户运行操作更加便利，提高运行工作 效率。 （4） 标准性 系统配置必须符合标准性的原则，软硬件选型应普遍采用遵循业界规 范的、由国内外主流组织或企业参与和支持的标准产品。 （5） 节约投资 系统的软硬件配置选型在符合上述几项重要原则的基础上，还要兼顾 200MW/400MWh 储能电站项目设计方案 储能系统 13 节约投资的需要，优先选用功能价格比高和性能价格比高的软硬件产品。 以储能系统“度电成本最优和安全第一”的原则来选择产品及特性，设计整体 电站解决方案。 1.3.3. 储能系统技术路线方案对比 根据目前储能市场的主要应用技术路线同时