CN111049273A - 一种高压级联储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压级联储能装置，包括开关站高压柜、进线柜、启动柜、电抗柜、储能集装箱、EMS监控柜和PCS主控制柜，所述储能集装箱内设有储能系统、PSC柜、消防柜和用于给集装箱通风散热的通风系统，所述储能集装箱通过各自的PCS柜后与EMS监控柜和PSC主控制柜连接，所述多个储能集装箱在通过电抗柜后通过启动柜和进线柜开关站高压柜10KV母线侧并网，所述多个储能集装箱之间设置防火隔离墙。本发明中储能集装箱设计多种通风结构，解决集装箱内电池包温度散热不均的问题，通过一定数量的储能单元交流侧串联，无变压器直接接入10kV电网，提高大型储能电站调度性能。

Description

一种高压级联储能装置
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种高压级联储能装置。
背景技术
传统电池储能电站常以500kW/1000kWh（电池安装容量1200kWh左右）为最小储能单元，每个储能单元配置一台500kW的PCS储能变流器和一个安装电量1200kWh的电池堆（通过硬导线串/并联连接在一起，共用AC/DC转换设备的电池单体集合），一般设计直流电压为700V左右，交流电压不到400V，须采用变压器升压以后接入大电网。
从在电网侧已经实施的大规模储能项目应用情况来看，传统的电池储能方案具有电池系统安全问题突出，电池堆内电池单体并联数量过多，电池容量利用率偏低、温度难以保持一致，且电站内单套系统容量小、单系统输出电压低、功率小，变压器和高压开关柜多，系统效率偏低，系统间协调困难，调度响应时间过长的问题，难以满足电网紧急调度使用需求。
另外，电池模组在充放电过程中会释放大量的热量，集装箱式的储能装置内部元件集成度高，散热空间有限，在长时间使用情况下，会引起元器件性能降低，影响供电系统的稳定性，因此储能集装箱的散热设计对系统运行的稳定性和安全性具有重要的意义。现有的储能集装箱散热设计较为简单，集装箱内的通风风道及风口的设计单一，容易引起电池包散热不均，而由于磷酸铁锂电池在温度变化情况下特性容易改变，会影响供电效果，造成不必要的经济损失和安全风险。
发明内容
本发明主要解决利用传统电池储能技术建立的储能站难以满足电网紧急调度使用需求以及集装箱内电池包散热不均的技术问题，提供一种高压级联储能装置，无变压器接入交流电网，采用众多小功率、小电量的储能单元构成一套大功率、大电量的储能系统，并使集装箱及集装箱内各电池模组散热均匀，利于实现多机快速协调响应，提高大型储能电站调度性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高压级联储能装置，包括开关站高压柜、进线柜、启动柜、电抗柜、储能集装箱、EMS监控柜和PCS主控制柜，所述储能集装箱内设有储能系统、PSC柜、消防柜和用于给集装箱通风散热的通风系统，所述储能集装箱通过各自的PCS柜后与EMS监控柜和PSC主控制柜连接，所述多个储能集装箱在通过电抗柜后通过启动柜和进线柜在开关站10KV侧并网，所述多个储能集装箱之间设置防火隔离墙。本发明无变压器接入交流电网，采用众多小功率、小电量的储能单元构成一套大功率、大电量的储能系统，并应用通风系统使集装箱及集装箱内各电池模组散热均匀，利于实现多机快速协调响应，提高大型储能电站调度性能。
作为优选，所述储能系统由多个单相储能单元构成，通过多个单相储能单元交流侧串联直接输出6kV左右的单相电压，所述单相储能单元包括1个PCS功率单元和1个电池簇,所述三组单相储能单元成星形连接，并分别与各自的单相控制柜相连。通过一定数量的储能单元交流侧串联可以实现无需变压器接入直接接入10kV电网，输出大功率、大电量，单机容量大，降低大型储能电站的调度控制难度。
作为优选，所述电池簇包括在所述的储能系统的电池柜、电池箱和电池簇控制单元BCMS，所述电池箱内放置有电池模块，所述电池箱和电池簇控制单元BCMS安装在电池柜上。
所述电池簇配置电池管理系统，对电池进行电压、温度采集、均衡等功能，并对上进行数据通讯，当电池系统出现过压、过流、高温、低温、通信异常等状态时，系统会报警，并能够实现就地故障隔离，保持电池系统能够安全使用。
作为优选，所述通风系统包括在电池柜靠墙侧设置通风空间，电池柜的顶部设置网孔出风口，电池柜背面设置十字形进风口。
作为优选，所述储能集装箱设有前端门、后端门和一个侧壁上的门，所述通风系统还包括安装在电池舱两端的空调、固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道以及电池柜和侧壁之间的侧风墙。
作为优选，所述储能集装箱前端门为左侧单开门，后端门为右侧单开门，所述集装箱内部设有用于将其分隔为电气设备室和电池舱的隔墙，隔墙上设有舱门，所述舱门顶部装有百叶窗，所述前端门、后端门设有进风口，所述设置在一个侧壁上的门设有百叶窗，百叶窗上设有过滤网。此设计可以利用自然排风和机械排风的方式，为储能集装箱箱体整体散热，百叶窗可以过滤灰尘，避免集装箱内元器件受到灰尘的影响。
作为优选，所述储能集装箱电池舱箱体左、右侧壁设有侧风墙，所述侧风墙与箱体侧壁密封形成腔体，所述空调出风口设有双向可调节导风管，导风管一端与腔体联通，所述侧风墙靠近电池柜一侧开有小孔，小孔上设有独立手动可调风口。侧风墙上的风口正对电池，通过风墙上均匀分布的小孔能够实现均匀出风给电池柜靠墙后面的进风口，为电池包散热降温。
作为优选，所述空调出风口的导风管另一端与固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道连接，所述通风风道的横截面面积自空调导风管出风一端开始逐渐减小，所述通风风道的底部设置有出风口，出风口为独立手动可调风口。在进行空调通风的过程中，空调出风的风速和流量随着出风口的远近有着巨大的差异，因此容易造成电池柜中的电池模组散热不均匀，将通风风道设置成锥台形，有利于保证出风口的出风量以及风速。
作为优选，每个PCS功率单元的交流端口相互串联，且直流端口彼此独立，并分别连接各自的电池模组。
作为优选，所述消防柜设有七氟丙烷自动灭火系统。七氟丙烷无色无味，在大气中残留低，安全性能高。
本发明的有益效果是：（1）无变压器接入交流电网，采用众多小功率、小电量的储能单元构成一套大功率、大电量的储能系统，大幅度降低了电池堆电量，减少了电池堆内电池单体数量，又大幅度提高了单套系统容量；（2）本储能集装箱的通风系统可以使自然风及冷空气利用多种方式，经过电池柜表面的通风口进入电池包，使电池能够均匀散热。
附图说明
图1是本发明的高压级联储能装置的一种电气连接图。
图2是本发明的储能集装箱的一种俯视结构示意图。
图3是本发明的储能系统的一种拓扑结构电路示意图。
图4是本发明的电池柜的一种立体结构示意图。
图5是本发明的前端门的一种结构示意图。
图6是本发明的电池舱舱门的一种结构示意图。
图7是本发明的侧门的一种结构示意图。
图8是本发明的侧风墙的一种结构示意图。
图9是本发明的通风风道的一种主视结构示意图。
图中：
1.开关站高压柜，2.进线柜，3.启动柜，4.电抗柜，5.储能集装箱，6. EMS监控柜，7.PCS主控制柜,8.PCS功率单元，9.电池簇，101，电池柜，201.侧风墙，301.PSC柜，401.消防柜，501.前端门，502.后端门，503.侧门，504.舱门，701.通风通道，801.风口，901.十字形进风口，902. 网孔出风口。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种高压级联储能装置，如图1所示，包括开关站高压柜1、进线柜2、启动柜3、电抗柜4、储能集装箱5、EMS监控柜6和PCS主控制柜7，储能集装箱5内设有储能系统、PCS柜301、消防柜401和用于给集装箱通风散热的通风系统，储能集装箱5通过各自的PCS柜301后与EMS监控柜6和PSC主控制柜7连接，多个储能集装箱5在通过电抗柜4后通过启动柜3和进线柜2在开关站高压柜10KV母线侧并网，多个储能集装箱5之间设置防火隔离墙。
如图3所示，储能系统由多个单相储能单元构成，通过多个单相储能单元交流侧串联直接输出6kV左右的单相电压，单相储能单元包括1个PCS功率单元8和1个电池簇9。本实施例中采用全控型电力电子器件IGBT，单个PCS功率单元包含四个IGBT，每个PCS功率单元的交流端口相互串联，且直流端口彼此独立，并分别连接各自的电池模组。一组储能单元由多个单相储能单元组成，三组储能单元成星形连接，并分别与各自的PCS柜相连，通过电角度互差120度的算法控制，即可输出对称的10kV线电压，组成三相交流高压储能系统。级联型储能系统采用三相星形连接的级联H桥拓扑结构，可直接输出0.4-35kV三相交流电压，无变压器接入交流电网，单系统输出功率可达10MW以上，既大幅度降低了电池堆电量，减少了电池堆内电池单体数量，又大幅度提高了单套系统容量。
本实施例中，对于电池的选型上优先采用磷酸铁锂电池，综合对比其他电池安全性能最高。储能集装箱基础采用C25级混凝土现浇混凝土基础，主要受力构件采用C30混凝土，受力钢筋采用HRB400，非受力构件采用C25混凝土，防火墙采用Mu15烧结页岩多孔砖,M10混合砂浆实砌砖墙，墙体粉刷、做法与围墙统一，设置分格缝。
如图2所示，储能集装箱5内设有储能系统、PSC柜301、消防柜401和用于给集装箱通风散热的通风系统，分成两排设置在储能集装箱5的两侧。电池簇包括电池柜101、电池箱和电池簇控制单元BCMS，电池箱内放置有电池模块，电池箱和电池簇控制单元BCMS安装在电池柜101上。储能集装箱5设有前端门501、后端门502和一个侧壁上的门503，通风系统还包括安装在电池舱两端的空调601、固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道701以及电池柜和侧壁之间的侧风墙201。
如图4所示，通风系统包括在电池柜靠墙侧设置通风空间，即电池柜离集装箱侧壁有一定间距，电池柜顶部设置网孔出风口902，电池柜背面（即朝向集装箱侧壁的一面）设置十字形进风口901。
如图5、图6和图7所示，储能集装箱前端门为左侧单开门，后端门为右侧单开门，集装箱内部设有用于将其分隔为电气设备室和电池舱的隔墙，隔墙上设有舱门504，舱门504顶部装有百叶窗，前端门501、后端门502设有进风口，设置在一个侧壁上的门503设有百叶窗，百叶窗上设有过滤网。此设计可以利用自然排风和机械排风的方式，为储能集装箱箱体整体散热，且百叶窗具有过滤粉尘的作用，避免粉尘对集装箱内的机器造成危害。
如图8和图9所示，储能集装箱电池舱箱体左、右侧壁设有侧风墙201，侧风墙201与箱体侧壁密封形成腔体，空调601出风口设有双向可调节导风管，导风管一端与腔体联通，侧风墙201靠近电池柜101一侧开有小孔，小孔上设有独立手动可调风口801。
空调601出风口的导风管另一端与固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道701连接，通风风道701的横截面面积自空调导风管出风一端开始逐渐减小，通风风道701的底部设置有出风口，出风口为独立手动可调风口。在进行空调通风的过程中，空调出风的风速和流量随着出风口的远近有着巨大的差异，因此容易造成电池柜中的电池模组散热不均匀，将通风风道设置成锥台形，有利于保证出风口的出风量以及风速。
本实施例中，当空调通过侧风墙上的风口将空调机上的冷风传出时，空调机上的冷风会通过十字形进风口进入每组电池模组内部，而电池模组内的热量会通过网孔出风口排出电池模组，又因为空调机出风口还连接着一条通风通道，通风通道底部的出风口经过电池模组表面，使得电池模组散热效果更好，又因为集装箱箱体两端的端门501、端门502设有小孔状的风口，舱门504上设有百叶窗，可以使整个集装箱箱体风道导通，形成自然通风。本实施例通过设置风墙、通风通道与多个进出风口，将空调产生的冷风传送到各个电池模组，又将自然风贯通整个集装箱体，最终使储能集装箱箱体的整体温度保持均匀。
当电池柜中的电池管理系统检测的温度正常时，可以通过调节侧风墙的风口、通风通道底部的出风风口的大小，从而调节空调出风的风量及风速，甚至可以关闭风口，采用前端门、后端门、舱门和侧门上的进出风设计，通过自然风来调节储能集装箱内的温度，避免电池模组的温度过低从而影响电池的性能。
另外，消防柜设有七氟丙烷自动灭火系统，当消防柜检测到集装箱内着火，消防柜会自动灭火，由于七氟丙烷无色无味，在大气中残留低，安全性能高，因此灭火完毕后无需清理，十分方便。

Claims (10)

1.一种高压级联储能装置，其特征在于, 包括开关站高压柜（1）、进线柜（2）、启动柜（3）、电抗柜（4）、储能集装箱（5）、EMS监控柜（6）和PCS主控制柜（7），所述储能集装箱（5）内设有储能系统、PCS柜（301）、消防柜（401）和用于给集装箱通风散热的通风系统，所述储能集装箱（5）通过各自的PCS柜（301）后与EMS监控柜（6）和PSC主控制柜（7）连接，所述多个储能集装箱（5）在通过电抗柜（4）后通过启动柜（3）和进线柜（2）在开关站高压柜（1）10KV母线侧并网，所述多个储能集装箱（5）之间设置防火隔离墙。
2.根据权利要求1所述的一种高压级联储能装置，其特征在于, 所述储能系统由多个单相储能单元构成，通过多个单相储能单元交流侧串联直接输出6kV左右的单相电压，所述单相储能单元包括1个PCS功率单元（8）和1个电池簇（9）,所述三组单相储能单元成星形连接，并分别与各自的单相控制柜相连。
3.根据权利要求2所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述电池簇包括在所述的储能系统的电池柜（101）、电池箱和电池簇控制单元BCMS，所述电池箱内放置有电池模块，所述电池箱和电池簇控制单元BCMS安装在电池柜上。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述通风系统包括在电池柜（101）靠墙侧设置通风空间，电池柜的顶部设置网孔出风口（902），电池柜背面设置十字形进风口（901）。
5.根据权利要求1所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述储能集装箱（5）设有前端门（501）、后端门（502）和一个侧壁上的门（503），所述通风系统还包括安装在电池舱两端的空调（601）、固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道（701）以及电池柜和侧壁之间的侧风墙（201）。
6.根据权利要求5所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述储能集装箱前端门为左侧单开门，后端门为右侧单开门，所述集装箱内部设有用于将其分隔为电气设备室和电池舱的隔墙，隔墙上设有舱门（504），所述舱门（504）顶部装有百叶窗，所述前端门（501）、后端门（502）设有进风口，所述设置在一个侧壁上的门（503）设有百叶窗，百叶窗上设有过滤网。
7.根据权利要求5所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述储能集装箱电池舱箱体左、右侧壁设有侧风墙（201），所述侧风墙（201）与箱体侧壁密封形成腔体，所述空调（601）出风口设有双向可调节导风管，导风管一端与腔体联通，所述侧风墙（201）靠近电池柜（101）一侧开有小孔，小孔上设有独立手动可调风口（801）。
8.根据权利要求5所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述空调（601）出风口的导风管另一端与固定在集装箱箱体内侧并位于电池柜上方的通风风道（701）连接，所述通风风道（701）的横截面面积自空调导风管出风一端开始逐渐减小，所述通风风道的底部设置有出风口，出风口为独立手动可调风口。
9.根据权利要求2所述的一种高压级联储能装置，其特征在于,每个PCS功率单元（8）的交流端口相互串联，且直流端口彼此独立，并分别连接各自的电池模组。
10.根据权利要求1所述的一种高压级联储能装置，其特征在于，所述消防柜（401）设有七氟丙烷自动灭火系统。
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