CN214900208U - 海上石油平台的集成式储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上石油平台的集成式储能系统，所述系统包括电池单元和逆变升压单元；所述电池单元多个电池子单元，所述电池子单元包括蓄电池，BMS和电池消防系统；多个电池子单元集成在一个电池单元箱体内；所述逆变升压单元，包括EMS，多个储能逆变器、多个升压变压器、中压开关柜、消防报警系统及冷却系统；所述逆变升压单元集成在一个箱体内。本实用新型通过分别将电池单元和逆变升压单元集成在一个箱体内，便于运维和安装。

Description

海上石油平台的集成式储能系统

技术领域

本实用新型属于电化学储能领域，具体涉及一种海上石油平台的集成式储能系统。

背景技术

海上石油平台电力系统是海洋石油开采作业中的一个重要组成部分，它为整个资源开采过程提供必需的能源和动力。通过对电力系统的全面监控和有效的管理方能保证电力系统的安全运行，保证海上石油的顺利开采。中海油上游生产设施属于离岸设施，供电主要靠燃气透平机组，与陆地电网没有电气联系，属于典型的孤岛电网，孤岛电网存在系统动/ 静稳定性较差、运行经济型较差的问题在海上平台电力系统中也普遍存在。

在现有技术中，通常采用部分机组进行调频工作，但存在惯性大、爬坡速率慢、调频时限长等缺点，无法在短时间内完成系统调频需求，严重甚至可能导致系统失稳，带来不可估量的经济损失。为解决上述问题，采用响应速度快、灵活性高的储能系统，利用其能量的双向流动性，当电力系统频率发生相应变化时，储能系统接收上层调度指令，进行对电能的吸收和释放从而调节系统频率。

另外，鉴于海上石油平台的外部环境，现有的海上石油平台的储能系统易受海水侵蚀，影响电池及储能系统的工作，而且其结构零散，不便于安装与运维。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于与陆地没有电气联系的孤岛电网的集成式储能系统。所述储能系统包括能量管理系统(EMS)、电池系统、储能双向变流器、变压器等关键设备，并配置储能协调控制器用于部署储能柔性控制策略，配合海上石油平台现有电力系统协同工作。同时通过储能控制方法，实现所述储能系统的智能监控，能耗评估，系统最优化调度等智能化调度策略，嵌入海上平台智能供电系统控制策略，使系统在电网发生低频振荡或机组运行接近静稳态极限时，接受控制系统指令，先于机组自身励磁、调频系统动作，按需要快速输出或吸收功率，平抑频率振荡，有效提高海上作业平台电网运行可靠性。

本实用新型通过以下的技术方案予以实现：

一种海上石油平台的集成式储能系统，包括：

电池单元，所述电池单元包括多个电池子单元，各电池子单元包括蓄电池，电池管理系统(BMS)和电池消防系统，所述蓄电池与所述电池管理系统电连接；多个电池子单元集成在一个电池单元箱体内；

所述电池单元箱体外壁填充复合氧化铝毯保温层，阻燃性能A60级，适应-20℃到55℃环境温度，所述箱体选取防水材质；所述箱体内部设置有：用于操作人员行走的通道，用于放置所述蓄电池的电池托盘，外开型防火逃生门分别设置有箱体两侧，所述防火逃生门上安装有逃生锁；与所述箱体相连的所有电缆通过所述箱体端头的专用接线箱处接入；所述电池消防系统为二氧化碳探火管灭火系统。

逆变升压单元，包括能源管理系统(EMS)，多个储能逆变器(PCS)、多个升压变压器、中压开关柜、消防报警系统及冷却系统；所述EMS用于控制储能系统能量调度及通信，所述储能逆变器和所述EMS连接；所述消防报警系统用于火灾发生时以声或光的形式通知整个石油平台；所述冷却系统分为低压舱冷却子系统和高压舱冷却子系统，所述两个子系统之间使用隔板间隔为两个舱室；所述消防报警系统及冷却系统外部配置隔离散热系统，防止海水及空气进入所述逆变升压单元；所述中压开关柜一侧与所述升压变压器连接，另一侧与发电机组出线母线连接；所述逆变升压单元集成在一个箱体内；

各所述储能逆变器的一侧与一个所述电池单元连接，另一侧并联后汇入直流母线；所述直线母线的另一侧连接所述升压变压器；以及

电力线，用于在各单元之间传输电力。

进一步的，所述电池单元和逆变升压单元均为集装箱式结构，所述集装箱的外壁均填充复合氧化铝毯保温层。

进一步的，所述箱体内的人员行走的通道宽700mm。

所述电池消防系统为二氧化碳探火管灭火系统，用于当电池着火时，所述探火管灭火系统中的温感探火管熔破，在熔破处对着火点立刻释放二氧化碳气体，从而快速冷却着火点的电池。

与现有技术相比，本实用新型的优点与积极效果在于：

(1)本实用新型所述的储能系统结构简单，将电池单元和逆变升压单元集成设计，具有安装简便，运维方便的优点；而且各独立单元均设有消防系统，能够有效在险情出现时快速响应。

附图说明

图1是本实用新型所述的集成式储能系统的拓扑示意图；

图2是本实用新型所述的集成式储能系统的通讯拓扑示意图；

图3是本实用新型所述的集成式储能系统中逆变升压单元的示意图；

图4是所述海上石油平台的储能系统的工作状态切换示意图。

其中：

1、储能逆变器； 2、消防报警系统 3、中压开关柜

4、箱体 5、能源管理系统 6、低压舱冷却子系统

7、高压舱冷却子系统 10、升压变压器 11、应急照明灯

12、低压配电箱

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本实用新型实施例中所提供的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1，图3所示，一种海上石油平台的集成式储能系统，包括：

电池单元，所述电池单元多个电池子单元，各所述电池子单元包括蓄电池，电池管理系统(BMS)和电池消防系统；所述蓄电池为磷酸铁锂电池，其与所述电池管理系统电连接，并通过储能逆变器连接所述BMS从而控制蓄电池。多个电池子单元集成在一个电池单元箱体内。所述电池单元箱体具体设计如下：

1、动力回路采用全绝缘设计，避免外部电气接线短路故障引起火灾隐患；

2、托盘材料采用全阻燃设计，配置二氧化碳探火管主动灭火系统避免助燃蔓延火势；

3、箱体高强度结构设计，满足A60防火标准；

4、集装箱体TEFC全封闭舱体设计，确保明火缺氧自熄结合主动消防设施消除故障点。

所述电池单元箱体的所有墙体、底板及箱顶六个面均填充复合氧化铝毯保温层，厚度控制在40mm。阻燃性能A60级，容重大于96(kg/m3)。适应-20℃到55℃环境温度，箱子整体具备IP54防水等级。

为实现顶部吊装，电池支架和箱体做成一体式，立柱顶天立地和箱体结构件焊在一起。底托设计满足负载30吨承载要求，底板封3mm钢板，内部安装电缆爬架和过线孔，所有过线孔外沿均加焊圆形护口。箱内留700mm宽简易人员维护通道，电池托盘由内而外安装，两个端头设外开型防火逃生门，门净宽1000mm，安装逃生锁。与所述电池单元箱体相连的所有电缆通过所述电池单元箱体端头的专用接线箱处接入；动力电缆使用专用防水插头，即插即用。所述电池单元箱体底盘的外侧及端头都有接地端子(共四处)，有明显接地标志；房体外使用不锈钢铭牌标识，其中一个铭牌显示如何吊装；在集装箱四面墙板的合适位置张贴重心标志。

所述电池消防系统房体内设4只6kg二氧化碳探火管灭火系统，每3簇电池配1个钢瓶，每组由温感探火管缠绕每个电池托盘，在发生火险时，温感探火管熔破，在熔破处对着火点立刻释放二氧化碳气体，由于二氧化碳气体在释放时能产生零下一百多摄氏度的低温，能够快速冷却着火点的电池，避免初期火灾的蔓延，为后续处理赢得时间。

所述电池单元箱体两个端部各设1个标准消防带水接头，内设消防水喷淋灭火系统。对于集装箱大型火灾采用消防水喷淋湮灭系统，集装箱走廊顶部设计2根DN50消防喷淋管，对蓄电池和BMS进行喷淋湮灭灭火，以保证火灾不蔓延。

逆变升压单元，包括能源管理系统EMS5，4个500kW储能逆变器(PCS)、4个2.5MVA双分裂升压变压器10，消防报警系统2及冷却系统，所述单元集成逆变、升压、消防、冷却等功能需求为一体。其中，所述EMS5采用REos系统平台的硬件部分，用于能量调度、控制及通信，保证系统可靠运行。所述储能逆变器和所述EMS5连接，所述升压变压器还可选用多分裂升压变压器，其向上连接中压开关柜，向下连接四个储能逆变器设备，对可靠性与稳定性要求较高。所述储能逆变器是电池单元与电网进行能量交换的关键设备，能够实现对储能电池的充电与放电管理，该储能系统中储能逆变器1需具备充放电功能、有功功率控制、无功功率调节功能、P/Q与V/F控制功能，较高的充放电效率，匹配多种类型电池；调频、调峰、远程调度、削峰填谷、后备电源与无功支撑功能；低电压穿越与高电压穿越能力。所述消防报警系统2将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时以声或光的形式通知整个海上石油平台；采用智能化、低毒、电绝缘性好、灭火效率高的二氧化碳灭火系统，采用声光报警系统，支持自动、手动运行模式，配备备用电池，全天候监测，保证系统安全。所述冷却系统分为低压舱冷却子系统6和高压舱冷却子系统7，所述两个子系统之间使用隔板间隔为两个舱室。两个子系统中均配置低功耗高制冷型工业空调，保证系统温湿度平衡，同时配置空调风道，提高冷空气循环效果，解决局部温度不平衡问题。一低压配电箱12设置在所述高压舱冷却子系统7中，用于给所述PCS，应急照明灯11，低压舱冷却子系统6和高压舱冷却子系统7中的空调和EMS5供电。所述消防报警系统2及冷却系统外部使用防火隔板隔离成独立的舱室，防止海水及空气进入所述逆变升压单元；所述逆变升压单元集成在一个箱体4内。

中压开关柜3，如图1所示，其一侧与所述升压变压器连接，另一侧与发电机组出线母线连接；所述中压开关柜3包括根据柜体电气设备的功能分成母线室、断路器室、电缆室和低压室。各电池单元，逆变升压单元和中压开头柜3通过电力线传输电力。

如图2所示，在通讯方面，系统中央控制器通过交换机上传PCS、BMS信息到所述EMS5，接收上层调度系统控制命令、参考功率，计算后将信息下发到PCS，其与上层命令、电表、 PCS、BMS之间的通讯协议均采用ModbusTCP，RTU设备使用modbus网关转换为TCP进行通讯。

如图4所示，一种所述海上石油平台的储能系统的控制方法，四台储能逆变器1的并联采用集中控制方式，PCS内部采用P/Q控制方式。所述控制方法中输出功率指令统一由上层发出，并通过调节各并联逆变器的输出功率实现功率分配。由中央控制器获取指令并计算相互并联的各个PCS设备的控制值，同时中央控制器对所有设备的运行状态进行实时监测，及时进行故障保护动作。

本实用新型所述的储能系统运行状态分为四种，分别为停机、待机、运行、手动。所述控制方法包括：

步骤1：在停机模式下，系统的逆变升压单元中的四个储能逆变器1处于停机状态，当接收到复位指令时所述逆变升压单元中的能源管理系统依次判断各所述储能逆变器1和电池单元的运行状态，若存在所述储能逆变器1故障，则所述储能逆变器1启动失败，所述故障储能逆变器1进入复位控制；否则，无故障的所述储能逆变器1切换至待机模式，转入下一步；

步骤2：在待机模式下，所述能源管理系统5根据客户端的功率额度，发出运行指令进入运行模式；否则，当系统接收到停机指令或系统判断出现需停机的重大故障时，进行停机流程并返回步骤1；所述运行模式包括自动运行和手动运行模式；其中自动运行模式包括如下步骤：

步骤201：当系统接收到自动运行指令时，进入自动运行模式，所述EMS5监测各所述电池单元的电池管理系统(BMS)获取各电池电量；

步骤202：根据电量占比的多少利用自动控制算法进行功率指令值的计算，使得所剩电量较少的电池组得到较小的功率指令，所剩电量较多的电池组得到较大的功率指令；

步骤203：判断计算得出各所述储能逆变器1的功率指令值是否满足各电池电量约束与额定功率约束，如果满足，将计算得出各所述储能逆变器1的功率额分配至各所述储能逆变器1，并由所述储能逆变器下发至各电池子单元的BMS；

否则，当电池电量不满足在当前控制周期内以给出的功率指令恒功率放电时，将计算的功率指令值设置为当前电量允许的最大功率；当给出的功率指令超过所述储能逆变器额定功率时，将功率指令值设置为额定功率；返回步骤202重新计算其他路功率指令值。

当系统接收到手动运行指令时，进入手动运行模式，用户根据需求自定义输入功率值，系统将根据输入量进行相应响应。

步骤3：在运行模式下，当系统接收到停机指令或发生需停机的重大故障时，进行停机流程，依次停机所述储能逆变器，若存在所述储能逆变器停机失败，所述故障储能逆变器进入复位控制，切换至安全链进行停机，并返回步骤1。其中，所述安全链是本领域公知的技术，指确保系统安全的最高层的保护措施，由一系列串联的急停装置组成。

由于四台PCS为并联运行，启动先后顺序对系统无影响，为便于管理，按照设备编号顺序依次启动，存在故障机则以跳过顺延的方式进行启动。

上文提到的需停机的重大故障是系统中各个设备预先定义的严重故障，在此不再赘述。

系统故障分为报警和故障两级。出现报警状态时，系统给出相应信息与检修建议，并不进行保护动作，出现故障状态时，系统作出相应故障设备切除动作，并进行故障报警，提示停机检修。PCS设备故障明确定义的故障包括电网过压、电网超频、缺相、相序错误、功率单元过流、过压、电流不平衡等故障。空调系统、中压柜、电池系统的设备依照通讯协议中所规定的故障作相应状态显示与处理。

其中，所述停机流程包括：

根据所述储能逆变器的设备序号依次进行停机指令下发，同时判断所述储能逆变器是否停机，若停机失败，则切换至安全链进行停机，同时系统向上位机上报停机故障。

进一步的，上述步骤1中“复位控制”包括如下操作：

所述复位控制是指若存在所述储能逆变器故障，所述故障所述储能逆变器不参与后续操作，待人工修复后，系统中的所述能源管理系统向所述故障所述储能逆变器发送复位信号，并进入步骤2。

若电池电量接近放电深度，则所述储能逆变器将不再响应系统的放电需求，直至系统充电命令；若电池电量接近充电深度，则所述储能逆变器将不再响应系统的充电需求，直至系统放电命令。

以有功功率为例，所述储能系统每经过一个控制周期接收到功率指令，当该功率指令需储能系统放电时，系统将监测各路电池电量，并根据电量占比的多少进行功率指令值的计算，控制算法使得所剩电量较少的电池组得到较小的功率指令，所剩电量较多的电池组得到较大的功率指令；当该功率指令需储能系统充电时，控制算法将使得所剩电量较少的电池组得到较大的充电功率指令，所剩电量较多的电池组得到较小的功率指令。通过上述控制算法，从系统调度的角度对电池性能损耗进行均衡调节，并使得电池电量趋于一致。

同时，已得出的功率指令受到电池电量约束与额定功率约束，具体为：当电池电量不满足在当前控制周期内以给出的功率指令恒功率放电时，将功率指令置为当前电量允许的最大功率；当给出的功率指令超过PCS额定功率时，将功率指令置为额定功率。经上述约束计算后，其他路功率指令需进行重整计算，具体为上层调度指令与上述约束计算结果的差值，依照电量占比进行功率分配计算，经整合之后，将功率指令下发。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本实用新型所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种海上石油平台的集成式储能系统，其特征在于，所述储能系统包括：

电池单元，所述电池单元包括多个电池子单元，各所述电池子单元包括蓄电池，电池管理系统(BMS)和电池消防系统，所述蓄电池与所述电池管理系统电连接；多个电池子单元集成在一个电池单元箱体内；

所述电池单元箱体外壁填充复合氧化铝毯保温层，阻燃性能A60级，适应-20℃到55℃环境温度，所述箱体选取防水材质；所述箱体内部设置有：用于操作人员行走的通道，用于放置所述蓄电池的电池托盘，外开型防火逃生门分别设置有箱体两侧，所述防火逃生门上安装有逃生锁；与所述箱体相连的所有电缆通过所述箱体端头的专用接线箱处接入；所述电池消防系统为二氧化碳探火管灭火系统；

逆变升压单元，包括能源管理系统(5)，多个储能逆变器(1)、多个升压变压器(10)、中压开关柜(3)、消防报警系统及冷却系统；所述能源管理系统(5)用于控制储能系统能量调度及通信，所述储能逆变器(1)和所述能源管理系统(5)连接；所述消防报警系统用于火灾发生时以声或光的形式通知整个石油平台；所述冷却系统分为低压舱冷却子系统(6)和高压舱冷却子系统(7)，所述两个子系统之间使用隔板间隔为两个舱室；所述消防报警系统及冷却系统外部配置隔离散热系统，防止海水及空气进入所述逆变升压单元；所述中压开关柜(3)一侧与所述升压变压器连接(10)，另一侧与发电机组出线母线连接；所述逆变升压单元集成在一个箱体内；

各所述储能逆变器(1)的一侧与一个所述电池单元连接，另一侧并联后汇入直流母线；所述直流母线的另一侧连接所述升压变压器；以及

电力线，用于在各单元之间传输电力。

2.如权利要求1所述的集成式储能系统，其特征在于，所述电池单元和逆变升压单元均为集装箱式结构，所述集装箱的外壁均填充复合氧化铝毯保温层。

3.如权利要求1所述的集成式储能系统，其特征在于，所述箱体内的人员行走的通道宽700mm。

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