7.5MW15MWh液冷储能系统技术方案

项目概述项目信息如下：项目名称:7.5MW15MWh液冷储能项目项目容量:7.5MW15MWh根据以上客户需求和我司产品情况，本方案推荐采用基于3.2V/314Ah电芯的液冷电池方案。系统由3套2.5MW/5MWh的储能系统单元构成，包含3套标称容量为5015kWh的电池舱、3套额定功率为2500kW变流升压一体机，实际配置为7.5MW/15.045MWh。2储能系统总体设计2.1储能系统总体规模本项目储能系统总容量为7.5MW/15MWh（实际配置7.5MW/15.045MWh），储能系统包括3套储能系统单元，由3台5MWh电池舱、3台2.5MW变流升压一体机构成。5MWh电池舱由1台约20尺集装箱、12个磷酸铁锂电池簇、温控系统、消防系统、照明系统、接地系统、就地监控系统组成。集装箱内分电池仓和设备仓，电池仓放置电池部分，以及配套的消防系统管网、液冷管网；设备仓放置高压箱、直流汇流模块、辅电模块（辅助用电交流配电盒）、监控模块、液冷机、消防系统等。该系统为电能储存与转移设备，配置箱外PCS设备后，可配置在发电端、输配电端和用户端，用于扩充供电系统容量、协助改善电网电能质量、提高对负载的供电可靠性。2.5MW变流升压一体机内包含2台1.25MWPCS和1台2.5MVA的升压变压器；每1台5MWh电池舱接入1台2.5MWPCS后经升压变压器升压至35kV。3台2.5MW变流升压一体机的35kV交流高压侧通过手拉手方式连接，最后1台2.5MW变流升压一体机出线接入客户提供的35kV开关柜。本方案采用了具有高能量密度、高可靠性、高安全性、快速响应等优势。方案以秉持科学安全，绿色环保，集约用地的原则进行设计，缩减客户建设周期，促进环境友好发展。系统采用可集装箱式模块化设计，易安装、运输、维护和系统扩容。电池系统由能量密度高、成本低、安全无污染的磷酸铁锂储能电池以一定的串并联方式进行连接，配以先进的电池管理系统，具有灵活、可靠，易扩展升级等特点。此外，储能系统还有如下特点：全方位、多层次的电池保护策略、故障隔离措施，高安全性；集装箱内配置自动火灾报警及自动灭火系统，并具有声光报警和上传功能，可有效保障极端情况下的防火要求；电池集装箱能量密度高，节约电站用电面积，降低项目综合成本；采用直流测1500V高压设计，减少直流测电缆使用，降低线缆损耗，提高系统效率；集装箱内配置智能温湿度调节系统，内部设备工作环境受外部环境影响小，系统应用地域广泛；采用创新液冷技术，智能调节舱内温度，有效延长电池寿命；电池舱内电池和电气部件分仓设计，隔离火源，大幅提高系统安全性；开放式以太网接口设计，可提供便捷的通讯接口；外维护方案设计、集装箱能量密度、功率密度高，整体效率高；模块化设计，系统方案灵活性高，高度集成，便于运输安装。2.2储能系统电气拓扑储能系统采用单元化设计，便于安装、维护和扩展。7.5MW/15MWh储能系统由3台5015kWh电池集装箱及3台2500kW升压变流一体机组成。7.5MW/15MWh储能系统电气拓扑示意图如下：……#15储能单元#3~4储能单元#1~2储能单元图2.2-17.5MW/……#15储能单元#3~4储能单元#1~2储能单元2.3储能总体技术指标本方案储能系统选用磷酸铁锂锂离子电池，电池标称容量不低于15MWh，系统功率不低于7.5MW，储能电池系统充放电功率应满足0.5Cp，储能系统总体技术指标如下表。表2.4-17.5MW/15MWh储能系统总体技术参数表项目参数备注系统额定功率（MW）≥7.5MW实际配置7.5MW标称能量容量（MWh）≥15MWh实际配置15MWh储能电池直流额定电压1331.2V储能电池直流电压范围1164.8~1497.6V储能系统交流额定电压35kV含变压器配置方案储能系统交流额定频率50Hz系统运行环境温度-20℃~55℃电池管理功能有储能舱冷却功能液冷储能舱消防功能PACK级全氟己酮气体消防+水消防+可燃气体检测+泄爆交流并网功率因数-1~1并网电流谐波总量<5%并网电压运行范围±10%额定电压设备冷却方式电池液冷+变流升压风冷风冷会进行防尘处理设备封装方式满足室外运行要求主设备外形尺寸电池集装箱6500mm*2700mm*2896mm升压变流一体机约20尺2.5主要设备清单本项目由3个储能系统单元和1套综合总监控EMS系统组成，储能系统总容量为7.5MW/15MWh。主要设备清单如下表。表2.5-17.5MW/15MWh储能系统主要设备清单序号项目名称规格型号单位单位总数量1储能电池系统电池容量储能容量5015kWh台132直汇流柜1500V台133就地监控含控制器、交换机及UPS等套134BMS三级架构（BMU/BCMU/BSMU）套135辅助系统温控、消防、照明、接地等套136线束动力线束、通讯线束项137舱体尺寸6500mm*2700mm*2896mm，含舱体、固定件、接地等组件套1382.5MW升压变流一体机PCS变流器≥1250kW台269升压变压器≥SCB11-2500kVA/35kV台1310高压柜断路器、隔离开关、防雷等台1311低压柜含监控及交流侧配电开关台1312舱体约20尺台1313综合监控EMS系统综合监控柜包含EMS软件/监控主机、储能协调控制器、交换机等套113电池集装箱设计3.1电池集装箱集成架构15MWh储能电池系统成组方式如下：3.2V/314Ah电芯1并52串组成一个电池模组（电池箱）；8个电池箱串联构成一个电池簇（电池架储能单元），经一个主控箱引出直流电缆；5.015MWh储能系统由12个电池簇构成，集成至一台集装箱内；15MWh储能系统包含3台电池舱，接入3台2.5MWPCS后经升压接入35kV母线。表3.1-115MWh电池系统规格参数表序号项目描述额定电压(V)标称容量(Ah）存储电能(kWh)备注1电芯3.23141.0048LFP2电池箱166.431452.24952个电芯1P52S3电池簇1331.2314417.998个电池箱串联组成1个电池簇4电池舱1331.237685015.9612套电池簇构成单个电池舱5电池系统1331.21130415047.883套电池舱构成15MWh储能系统3.2电池成组设计3.2.1电芯本方案选用的LFP锂电池（3.2V/314Ah）具有比能量高、循环寿命长、成本低、安全无污染等特点，已广泛应用于储能系统。表3.2.1-1LFP电芯技术参数表序号项目规格备注1电芯类型LFP2额定电压3.20V3额定容量314Ah4额定充电电流0.5P5最大充电电流0.5P6额定放电电流0.5P7最大放电电流0.5P8电压范围2.5V～3.65V9循环次数≥8000次@100%DOD,25℃,0.5CP，EOL70%10尺寸（W*D*H）174.3*71.5*206.8mm12充电温度范围0℃~55℃13放电温度范围-20℃~55℃14存储温度范围-30℃~60℃15最佳工作温度15℃~35℃16湿度≤95%17重量5.6±0.25kg3.2.2电池箱本次电池箱采用液冷散热方式设计，电池模组防护等级IP66。为了便于工作人员检查维护电池箱间以及电池簇间动力电缆可靠连接，电池簇中的电池插箱以及高压箱的正负极接口采用前出线设计。电池插箱之间通过快插连接件连接，方便维护。电池插箱采用1P52S的方式构成，技术参数如下：表3.2.2-1电池箱参数表序号项目描述规格参数备注1标称容量314Ah1P52S2标称电压166.4V3电压范围145.6~187.2V4存储能量52.249kWh3.2.3主控箱主制箱中包含BMS第二级管理单元BCMU，负责系统电池串电压，电流采集，负责电池串绝缘阻抗采集；接受BSMU的控制管理，在系统发生故障时，能够通过对BCMU下达命令，控制接触器断开，在充放电不同状态时，断开不同的接触器。为了方便系统维护测试，在主控箱设计时，动力接口及信号接口均采用前出线设计。表3.2.3-1主控箱参数表序号项目描述规格参数备注1额定电压1500Vdc2最大电流≤250A3通讯接口RS485/CAN图3.2.3-1主控箱示意图（以实际为准）3.2.4电池簇电池簇的结构设计合理安全可靠，具有足够的机械强度。电池架设置合理的接地点，电池箱，主控箱通过与电池架实现可靠的非功能性导电导体连通，保证电池系统中所有带电设备的可靠接地，保证带电系统运行的可靠性。电池架内设备、组件安装及走线整齐可靠、布置合理，绝缘符合有关标准。进出线接线端子，大电流端子、一般端子、弱电端子间有隔离保护。电池架采用下进下出的引线及连接线方式。电池架内设备和组件编号与图纸一致，并且所有可操作部件均有标识标明功能。面板上安装的设备用平面识别标志和功能标志标出。柜面的布置整齐、简洁、美观。主要参数如下表。表3.2.4-1电池簇参数表序号项目描述规格参数备注1标称容量314Ah2标称电压1331.2V3电压范围1164.8~1497.6V4存储能量417.99kWh3.2.5电池集装箱电池集装箱内共有12簇电池簇，每个电池簇容量为417.99kWh，电池集装箱总标称容量5015.96kWh，充放电倍率0.5Cp。主要参数如下表3.2.5-1电池舱参数表序号项目描述规格参数备注1标称能量5015.96kWh2标称电压1331.2V3电压范围1164.8~1497.6V4系统倍率0.5Cp5循环寿命6000次@25℃，90%DOD，EOL70%6工作环境温度-30℃~55℃7存储环境温度-30℃~55℃8相对湿度0~95%9海拔高度≤3000米10冷却方式液冷11维护方式非步入式12系统通讯接口CAN/RS485/Ethernet13尺寸（宽*深*高）6500mm*2700mm*2896mm电池集装箱为约20尺预制舱设计，外部维护，共有12簇电池簇组成，总容量5.015MWh。箱内包含电池架、电池箱、主控箱、监控柜、消防系统、照明、温控系统及辅助系统配电等，电池集装箱示意图如下。图3.2.5-1电池集装箱示意图（供参考，以实际为准）3.3电池管理系统（BMS）电池管理系统（BMS）为三级网络架构，每个电池箱内由电池管理单元BMU负责对电池进行单体电压、温度采集，均衡等功能。BMU采用CAN总线方式通信，电池的单体信息（单体电压、温度及单体SOC）由BMU实现数据对上发送。电池簇内含电池组控制单元（BCMU），对电池簇进行总电压、电流采集及电池簇接触器控制，并对上进行数据通讯（LAN通讯）。每套电池集装箱内配置就地监控系统（BSMU），用LAN通讯对电池组控制单元（BCMU）上传的电池信息进行处理，具有设置参数、故障报警、数据记录等功能，并与PCS和监控后台通讯。对PCS：RS485通讯，故障干接点；对后台：LAN通讯，TCP_MODBUS协议。与单台PCS配套的电池管理系统（BMS）系统架构如下图所示。图3.3-1电池管理系统拓扑图3.3.1BMU储能单体电池管理BMU模块是一款适用于锂电池管理系统的、集成被动均衡功能的从控模块。该模块提供单串电池（单体）电压和温度的实时监测功能，同时具有热管理和被动均衡能力，并可通过CAN总线与主控单元（BCMU）组成具有高度灵活性的电池管理系统。3.3.2BCMU电池簇控制单元BCMU是一款适用于储能电池管理系统的控制管理模块。该模块对储能电池系统中的电池簇进行管理，一般放置在电池簇的高压控制箱内。主要负责电池簇的电压采集、电流采集、汇总簇内单体电池电压和温度信息，计算电池簇SOC/SOH等状态、执行均衡策略判断和电池故障诊断功能、根据电池故障信息实现电池簇的就地保护和继电器控制等功能。BCMU具有CAN+LAN通讯接口，实现与电池管理单元（BMU）和电池阵列管理单元（BSMU）的数据通讯功能。BCMU具备绝缘采集功能和单体SOC/SOH等状态计算功能，具备冗余的CAN通讯接口、RS-485通讯接口及以太网通讯接口，用于与外部设备的通讯。控制管理模块BCMU是储能电池管理系统的核心模块，是保障储能系统安全、可靠、高效运行的关键设备。3.3.3BSMUBSMU是一款适用于储能电池管理系统的控制管理主机，对BCMU（二级BMS）、BMU（一级BMS）上传的电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及记录存储，此外，还可实现与PCS主机、储能能量管理系统（EMS）等进行联动控制，根据输出功率要求及各簇电池的SOC状态优化负荷控制策略，保障电池系统安全稳定且高效地运行。表3.3.3-1BSMU规格参数表处理器ARM平台，四核，主频最高为2.0GHz内存4GBLPDDR4存储32GBeMMC256GSSD（实际容量240G~256G都是正常范围）32GSD卡（选配）操作系统Linux检测电池数最大450节*20簇液晶屏10.1寸真彩液晶屏数据记录间隔≤1S事件日志数据库＞100000项事件记录，包括异常类、发生时间和保护动作查询方式现场面板查询方式、远端计算机查询方式、数据导出/下载方式报警方式声光报警，并显示报警内容，故障节点输出闭合通讯接口3路LAN，通讯速率LAN0/LAN1：100M/1000Mbps，LAN2：10M/100Mbps；3路隔离CAN，CAN通讯速率：250Kbps~500Kbps，耐压：1500Vac；5路隔离RS485，RS485通讯速率：9600bps~19200bps，耐压1500Vac；2路USB。DO/DI接口6路DIH的IO输入/带光电隔离，9~32V有效，耐压1500Vac；6路DIL的IO输入/带光电隔离，0~0.7V有效，耐压1500Vac；12路IO输出/输出为继电器干接点方式，2A/30Vdc或2A/250Vac（作为交流输出使用时，则相邻DO不能再用），耐压1500Vac；1路交流失电检测，交流范围为220Vac±30%。供电DC9~32V功耗≤10W（屏幕点亮的初始状态）工作环境环境温度：-10～+60℃相对湿度：<95%（无凝露）环境磁场：<400A/m、周围不允许有易腐蚀易燃易爆气体3.3.4BMS与EMS通讯BSMU收集整个PCS和电池簇单元的相关信息，并将相关信息通过以太网（RJ45网口）传递给监控系统EMS。信息内容包括电池单体信息，电池组信息，电池簇信息。上传信息：BMS上传电池单体（或组）信息有：单体电池电压、电池组电压、充放电电流、单体最大SOC、单体最小SOC、单体最小SOH；电池组SOC、单体最大温度、单体最小温度、环境温度，以及电池异常告警、保护等相关信息。接收信息：BMS接收监控系统EMS下达的电池运行参数，如电压的保护设定值、报警设定值，温度的保护设定值、报警设定值，SOC的保护设定值、报警设定值等。BSMU管理服务器支持MODBUS通讯规约，通讯接口为网络RJ45通讯。3.3.5BMS与PCS的通讯由于PCS接了多组电池，所以BMS的数据汇总到BSMU，再由BSMU与PCS通信，实行单向传输，BSMU做主，PCS做从。BMS发送信息：BMS发送的信息有电池的状态量及告警量等相关信息。包括电池组的最大SOC、最小SOC、电池组最大可充电量、最大可放电量、环境温度、电池最小SOH等。PCS接到BMS告警信息后应进行相应的保护动作。通信接口：PCS与BMS间采用RS485或CAN通讯接口。硬节点信息：为了保护的及时可靠，储能系统留备了硬节点，BMS检测到电池系统达到保护限制时，BMS通过干节点将保护限制值发送给PCS。3.4辅助系统电池集装箱辅助系统包括消防系统、温控系统、照明系统及配电和接地系统等。3.4.1消防系统为保障储能系统运行的安全可靠性，吸取电厂储能项目起火、爆炸事故经验，本项目储能系统的消防设计本着“预防为主，防消结合”的原则，在消防设施配备、材料选择等方面对系统安全性进行了全面考虑，最大限度降低火灾发生风险，减少火灾灾害，降低发生火灾可能引起的经济损失。依照GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》、GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》等，本方案基于系统安全设计，采用电池仓和电气仓分舱设计，隔离火源；电池系统采用全氟己酮气体灭火系统，仓内布置有温感、烟感和可燃气体探测器，泄压阀和联动排风扇。储能电池系统按PACK级消防设计，具有可燃气体排放、泄爆等设计，综合保障系统的安全正常运行，在检测到火灾险情后通过警铃和声光报警器发出火灾报警，把火灾信息上传至消防主机，并同时启动管网式全氟己酮灭火系统进行灭火。除了气体消防之外，还配置有快速水消防接口，作为电池消防的最后一道防线。根据《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005，灭火剂设计用量按下式计算：式中：W--灭火设计用量（kg);C1--灭火设计浓度（％);S—灭火剂比容（m3/kg)V--防护区的净容积（m3);K--海拔高度修正系数消防系统设计依据GB50370-2005

《气体灭火系统设计规范》GB50166-2007

《火灾自动报警系统施工及验收规范》GA400-2002

《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》其中，消防系统的大体图见下：图3.4.1-1消防系统的大体图（1）PACK级消防每个电池PACK内具备温度采集探测措施，采用具有更好降温能力的灭火剂（全氟己酮），电池PACK按IP66防护等级设计，具有很好的密封性，更能发挥消防药剂的性能，抑制火灾复燃，可实现电池级的消防防护和集装箱火灾的终极防护。（2）防爆联动排风装置电池舱配置两套可燃气体联动的防爆排风扇，分别布置在电池舱的两面长边，如下图。当检测的可燃气体达到第一阈值浓度时，由电池管理系统关闭冷水机、跳开PCS断路器及电池簇开关等，然后联动排风装置进行排风换气，稀释和排出可燃气体，防止可燃气体堆积。当气体灭火系统启动时，消防控制性会联动关闭通风系统。（3）水消防除了配置pack级消防外，集装箱还配置了整体水喷淋式消防。如非电池引发起火或其他火源传入箱内，消防系统发出火灾告警，运维人员可由远处打开水消防进水阀，对水消防管路进行预填充。箱内温度一旦超过设定值，温感玻璃球便会自动破裂，由喷头对舱内进行喷淋式水消防。如险情解除或误操作，只要温感玻璃球处于未动作状态，只需要关闭进水阀，开启排水阀，预填充的消防水就会由于前端的空气压力自动排出。整体箱内水消防管路始终处于低压无液体状态，不仅避免消防水的泄露，更可以减少管路遭受高压液体的腐蚀而导致部件老化或造成其他安全隐患。（4）分舱设计本方案采用电池仓和电气舱分仓布置方案，上部电池PACK和下部主控箱室采用分仓设计，左边电气设备盒右侧电池设备分仓。可有效隔离火源、避免起火。因为磷酸铁锂电池的特性影响，电池发生热失控后仅排放可燃气体和烟雾，不起火和爆炸。电池仓和电气仓分仓，可有效避免电气设备动作带来的火源问题，从而达到防火和防爆的目的。3.4.2温控系统本方案采用液冷系统进行集装箱温控设计，机组内部压缩机制冷系统经热交换与载冷剂换热，电脑控制系统通过上位机以及机组水温和压力的回馈信号逻辑控制系统输出的温度。水路系统依据主管路和电池模组内阻配置循环水泵，系统的控制模组载冷剂进出模组流量。预制舱可实现舱内的保温绝热。预制舱外涂散热防辐射油漆，保证外环境热量和太阳辐射等对预制舱内部影响尽量小。a）电池箱均温性更佳电池箱采用回形液冷管路设计，电池箱内温度一致性更好，有利于提高电池使用寿命。b）液冷系统可靠性更高本方案液冷系统分为3级，分别为一级总管路、二级电池簇管理和三级电池箱管理。一级总管路输入的水流量，经二级管路，至三级分支管路输入端流量，满足电池箱的制冷流量。3.4.3照明系统集装箱温内照明系统采用LED照明灯管，照明系统要便于安装维护。3.4.4辅助配电和接地系统辅助配电单元是给柜内的冷水机、BMS、消防、照明、备用照明灯以及插座用的配电支路。集装箱内重要负荷如消防BMS等设备经集装箱内的一台UPS供电。集装箱监控柜内配置一台不间断电源UPS，当电网故障或厂用电故障时，可以为电池管理系统BMS、数据采集装置、火灾报警控制器、自动灭火系统、感温感烟探测器、温湿度传感器、智能型测量仪表等设备提供电源，备电时间不小于15min。电池集装箱的自用电负荷主要包括冷水机、备用照明、消防、电池箱的散热风扇、BMS供电和照明供电等。其中BMS供电、备用照明、门禁、水浸等重要的监控设备的供电需要用UPS。本次辅助配电采用外部供电方式，从客户配电房引出1路三相电至集装箱内辅电模块给辅助系统供电。主回路电压为380Vac，为各个设备供电。在配电箱、电池架、等设备保持自身良好接地的情况下，将所有设备的总接地再接入集装箱的接地网，保障整个系统的接地连续。同时需要注意电池箱、主控箱和电池架的良好接地。4升压变流一体机4.1升压变流一体机设计本方案变流升压系统包含3套2.5MW一体机。升压变流系统采用一体化设计，2.5MW一体机内包含2台1.25MWPCS和1台SCB11/2500/35升压变压器。将储能PCS、高压开关柜、升压变压器、通讯动力柜等设备集成到一体机中，拥有独立的供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、门控照明、安全逃生系统、应急系统、消防系统等自动控制和安全保障系统。外观布局图示意图如下：图4.1-1升压变流一体机外形示意图（以实际交付外观为准）储能系统定义为高压并网系统，通过35kV并网；储能系统可实现优化电能质量，平滑电能输出、削峰填谷，降低主变需量等本地功能；具有低压穿越功能，满足电网低压波动情况下，储能系统能够正常运行；具有馈线保护、孤岛保护、过流过压保护、电能质量在线监测等等安全保护，确保系统及电网安全；系统具备“源网荷储”功能扩展能力，通过扩展可实现“精准响应”；储能系统采用模块化设计，集成于撬装式一体机内，便于运输、安装、维护。同时可实现系统内区域块独立，便于系统进行不间断维护；集装箱内还集成有与电池配套的BMS、消防系统、温控通风、通讯管理系统等辅助系统。4.2储能变流器PCS4.2.1储能变流器特点储能变流器直流输入侧接储能电池组，交流输出侧直接或间接接入到交流电网。储能变流器实现电池与电网间的交直流转换，完成两者间的双向能量流动，并对蓄电池支路进行充、放电的控制与管理。储能变流器采用模块化设计，转换效率高、可靠性高、控制策略优，灵活的配置组合方式，系统扩容非常方便，可有效防止多串电池组接入时的环流一致性等问题。储能变流器有如下功能：（1）有功功率控制功能，PCS储能装置可根据储能系统运行控制系统指令控制其有功功率输出。为实现有功功率调节功能，电池储能系统能接收并实时跟踪执行储能系统运行控制系统发送的有功功率控制信号，根据储能系统运行控制系统控制指令等信号自动调节有功输出，输出有功功率与设置值偏差不超过3%。（2）电压/无功调节功能，PCS储能装置可根据储能系统运行控制系统控制指令等信号实时跟踪调节无功输出，其参数为无功功率、功率因数等参数可由储能系统运行控制系统远程设定。（3）V/F功能，PCS储能装置具备电压和频率的调节功能，能够自动设定额定电压和额定频率启动和运行，也可接收外部电压给定指令和频率给定指令进行电压和频率的调节。（4）