CN103023155A - 大容量电池储能系统的模块化设计方法 - Google Patents

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阮前途
吴福保
杨波
叶季蕾
薛金花
何维国
张宇
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Abstract

本发明公开一种大容量电池储能系统的模块化设计方法。大容量电池储能系统定义为功率MW级以上，由储能电池、电池管理系统、储能变流器和监控系统等主要部分组成。根据模块化设计思想，大容量电池储能系统按层次归纳为储能单元、储能支路和储能回路三级结构。储能单元是构成储能系统的基础模块，包括储能电堆和储能变流器的结构设计。根据大容量储能系统的作用划分，本发明涉及削峰填谷、新能源接入和调峰调频模式下的具体应用，涵盖了储能系统中各级结构的定义、构成、功率/容量设计、拓扑结构、接入方式和储能单元参数设计。本发明中设计的大容量电池储能系统结构清晰、层次分明，利于一次系统的运行维护和二次系统的能量管理及控制等。

Description

大容量电池储能系统的模块化设计方法
技术领域
本发明属于电力存储技术领域，涉及一种大容量电池储能系统级和储能电池本体级的模块化设计方法。 
背景技术
大容量电池储能系统可在智能电网的发电、输电和变电环节中应用。在发电环节，储能系统的典型功率为几十MW以上，存储时间为几十min～几h，系统通过升压变接入35kV及以上的输电线路，用于平滑新能源功率输出，减少对大电网的冲击，提高电网对新能源发电的接纳能力；在输电环节，储能系统的功率为MW～几十MW，存储时间为15min～4h，通过35kV或110kV电压等级线路接入电网，可发挥电网调频调压，支撑电网实现有功无功调度的作用；在变电环节，储能系统功率至少为MW级，存储时间4～8h，一般在35kV或110kV变电站的10kV母线上接入，主要起到削峰填谷，支撑电网的有功、无功控制。 
目前，大容量电池储能系统尚未有明确的设计原则和技术标准。同时，由于单体电池电压和容量的限制，MW级电池储能系统由几千甚至上万个单体电池串并联组成。大量储能电池的集合对系统的运行维护和管理带来了巨大的挑战。因此，大容量电池储能系统的拓扑结构和层级划分是系统设计、优化控制和稳定运行的前提。其中，储能电池本体的设计是大容量电池储能系统应用的关键技术之一。 
发明内容
大容量电池储能系统的典型功率在1MW以上，运行时间为几十min～几h。本发明专利提供一种由三级结构组成的大容量电池储能系统。图1为本系统拓扑图。 
第一级结构为储能单元，典型功率为250kW或500kW。储能单元由一台储能变流器、电池本体及电池管理系统构成。图2为其拓扑结构图。图3为储能电池本体的集成示意图，储能电池本体的模块化集成过程统一为：电芯(cell)→单元电池(unit)→电池模块(block)→电池串(BS)→电池堆(BP)。其中，储能单元各级的设计原则如下：(1)电芯是电池的最小单元，不可分割；(2)单元电池由电芯并联而成，并联数一方面取决于电芯的额定容量，另一方面取决于电池连接的安全可靠性。为了避免单元电池的均流控制问题，在满足大容量电芯可靠性和安全性的前提下，应尽量减少单体电池的并联数；(3)电池模块由单元电池串联而成，串联数结合电池管理系统的采集接口和维护管理的便捷性设计；(4)电池串由电池模 块串联而成，电池模块的串联数取决于变流器的功率和工作电压决定，电池串可独立构成储能本体；(5)电池堆由电池串并联而成，并联数决定于储能系统的总容量、冗余度和系统的运行方式。储能变流器的设计原则如下：(1)若储能电池本体由1个电池串构成，储能变流器选用单级单级AC/DC结构；(2)若包括多个电池串，采用双级AC/DC+DC/DC结构，可以实现对每个电池串的独立充放电控制，同时避免电池串之间产生环流，减少长期运行条件不同引起的电池的不一致性。 
第二级结构为储能支路，由1个储能单元和1个400V低压接入开关构成。在具体的应用场合，可以通过升压变单元接入更高电压等级的线路。 
第三级结构为储能回路，典型功率为1MW或2MW。储能回路由多条并联储能支路和1个升压变单元构成，其中储能支路是储能回路的最小组成单元。 
根据上述三级结构的设计原则和方法，对一定功率/容量等级的电池储能系统分别设计储能回路和储能支路的拓扑结构，以及储能单元的模块化设计参数。本发明明确大容量电池储能系统的架构，简化大规模电池的集成过程，对大容量电池储能系统的建设、运行、管理和维护有重要的参考价值和设计依据。 
附图说明
图1是大容量电池储能系统的拓扑结构图。 
图2是储能单元的拓扑结构图。 
图3是储能电池本体的集成示意图。 
图4是1MW/4MWh储能系统的拓扑结构图。 
图5是250kW/1MWh储能单元的拓扑结构图。 
图6是10MW/20MWh储能系统的拓扑结构图。 
图7是500kW/1MWh储能单元的拓扑结构图。 
图8是20MW/5MWh储能系统的拓扑结构图。 
图9是500kW/125kWh储能单元的拓扑结构图。 
具体实施方案
实施方案1：削峰填谷应用模式 
削峰填谷应用模式中，储能系统的典型容量为几百kW-几十MW，时间为2-4h。本实施方案以1MW/4MWh储能系统为例进行方案设计。 
1MW/4MWh储能系统由1条1MW/4MWh储能回路构成，每条储能回路由4条250kW/1MWh储能支路组成，通过低压400V断路器，0.4/35kV升压变单元和35kV并网断 路器接入35kV母线，如图4所示。 
250kW/1MWh储能单元采用1个250kW双级结构的储能变流器和5个并联的200kWh电池串，拓扑结构如图5所示。每个200kWh电池串由180个3.2V/360Ah单元电池串联组成，工作电压范围为450～657V，额定电压为576V。3.2V/360Ah单元电池的构成可根据单体电池容量及其技术成熟度进行选型，如选用2个并联的3.2V/180Ah单体电池或6个并联的3.2V/60Ah单体电池等。 
具体实施方案2：新能源接入应用模式 
新能源接入模式中，储能系统与大型风电场或光伏发电配合使用，平滑风力发电和光伏发电出力，提高电网对新能源的接纳能力。储能系统的典型容量为几MW-几百MW，时间为2-4h。本实施方案以10MW/20MWh储能系统为例进行方案设计。 
10MW/20MWh储能系统由5条2MW/4MWh储能回路构成，每条储能回路由4条500kW/1MWh储能支路组成，通过低压400V断路器，0.4/35kV升压变单元和35kV并网断路器接入35kV母线，如图6所示。 
500kW/1MWh储能单元采用1个500kW双级结构的储能变流器和10个并联的100kWh电池串，拓扑结构如图7所示。每个100kWh电池串由180个3.2V/180Ah单元电池串联组成，工作电压范围为450～657V，额定电压为576V。3.2V/180Ah单元电池的构成可根据不同电池厂家的单体电池容量及其技术成熟度进行选型，如选用1个3.2V/180Ah单体电池或3个并联的3.2V/60Ah单体电池等。 
具体实施方案3：调峰调频应用模式 
调峰调频电站应用模式中，储能系统对电网进行有功或无功的补偿，可提高电网的电能质量。储能系统的典型容量为几十MW-几百MW，时间为15min～1h。本实施方案以20MW/5MWh储能系统为例进行设计。 
20MW/5MWh铁锂电池储能系统由10条2MW/0.5MWh储能回路构成。每条储能回路接入400V母线，通过0.4/35kV升压变单元，接入35kV母线，如图8所示。 
20MW/5MWh铁锂电池储能系统由10条2MW/0.5MWh储能回路构成，每条储能回路由4条储能支路构成。每条储能支路由1个低压接入开关和1个500kW/125kWh储能单元构成。 
500kW/125kWh储能单元由1个500kW单级AC/DC储能变流器和1个125kWh电池串构成，拓扑结构如图9所示。每个电池串由180个3.2V/218Ah单元电池串联构成，工作电压范围为450～657V，额定电压为576V。3.2V/218Ah单元电池的构成可根据不同电池厂 家的单体电池容量及其技术成熟度进行选型，如选用3个并联的3.2V/80Ah单体电池或4个3.2V/60Ah单体电池。 

Claims (5)

1.根据权利要求1所述的大容量电池储能系统的模块化设计方法，其特征在于，
储能单元由一台储能变流器、电池本体及电池管理系统构成；
第二级结构为储能支路，由1个储能单元和1个400V低压接入开关构成；
在具体的应用场合，可以通过升压变单元接入更高电压等级的线路；
第三级结构为储能回路。
2.根据权利要求2所述的大容量电池储能系统的模块化设计方法，其特征在于，储能回路由多条并联储能支路和1个升压变单元构成，其中储能支路是储能回路的最小组成单元。
3.根据权利要求2所述的大容量电池储能系统的模块化设计方法，其特征在于，储能电池本体的模块化集成过程统一为：电芯(cell)→单元电池(unit)→电池模块(block)→电池串(BS)→电池堆(BP)。
4.根据权利要求2所述的大容量电池储能系统的模块化设计方法，其特征在于，储能变流器的设计原则如下：（1）若储能电池本体由1个电池串构成，储能变流器选用单级AC/DC结构；（2）若包括多个电池串，采用双级AC/DC+DC/DC结构，可以实现对每个电池串的独立充放电控制，同时避免电池串之间产生环流，减少长期运行条件不同引起的电池的不一致性。
5.根据权利要求2所述的大容量电池储能系统的模块化设计方法，其特征在于，第一级结构为储能单元，典型功率为250kW或500kW；第三级结构为储能回路，典型功率为1MW或2MW。
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