电池储能电站设计技术规程解读

第3卷第4期智能电网Vol.3No.42015年4月SmartGridApr.2015DOI：10.14171/j.2095-5944.sg.2015.04.017文章编号：2095-5944(2015)04-0367-03中图分类号：TM91文献标志码：A电池储能电站设计技术规程解读关雪飞1，何仲1，张宇2，张学庆1，刑洁1(1.上海电力设计院有限公司，上海市黄浦区200025；2.国网上海市电力科学研究院，上海市虹口区200437)AReadingoftheTechnicalSpecificationofDesignforBatteryEnergyStorageStationGUANXuefei1,HEZhong1,ZHANGYu2,ZHANGXueqing1,XINGJie1(1.ShanghaiElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,HuangpuDistrict,Shanghai200025,China;2.StateGirdShanghaiElectricPowerResearchInstitute,HongkouDistrict,Shanghai200437,China)ABSTRACT:Withthepurposeofspeedingupsmartgridconstruction,andinordertoimproveefficiencyandbenefitofbatteryenergystoragestationconstruction,thetechnicalbackgroundisintroduced,includingthedevelopmentofbatteryenergystoragestationinChinaandtheprojectsandtheoreticalexplorationbySGCC,adetailedreadingaboutthekeytechnologiesandengineeringapplicationsofthebatteryenergystoragestationdesignisgiven.Aserialofitemsincludinglocationselection,generalplanandlayout,energystoragesystem,electricalprimarysystem,electricalsecondarysystemareunscrambledindetail.Theguideprovidesanimportanttechnicalbasisforbatteryenergystoragestationdesignandconstruction,whichplaysapromotingandguidingrole.KEYWORDS:battery;energystoragestation;design;technicalspecification;smartgrid摘要：以加快建设智能电网，提高电池储能电站建设效率和效益为目标，介绍国内电池储能电站发展历程及国家电网公司工程实践和理论探索等技术背景，从站址选择、站区规划和总布置、储能系统、电气一次、电气二次等方面，解读电池储能电站设计的关键技术和工程应用，为电池储能电站新建工程设计和建设工作提供重要技术依据，起到良好的推动和指导作用。关键词：电池；储能电站；设计；技术规程；智能电网0引言近年来，作为智能电网的重要补充，储能技术及相关产业获得了迅猛发展，其中以电池储能为主。传统的铅酸电池体系逐渐发展出管式胶体电池、铅碳电池等新品，性能得以大幅提升；以钠硫电池、液流电池、锂电池为代表的电化学储能关键技术相继取得突破，电池储能电站的建设也随之大力开展[1]。截至2013年底，国内规模及知名度较大的电池储能电站主要有国家电网张北风光储输示范工程储能电站、南方电网公司深圳宝清电池储能站、国电龙源的沈阳法库卧牛石风电场等。据统计，2013年电池储能电站相关项目累计装机容量从2012年的47.7MW上升至64.9MW[2]。国家风光储输示范工程是国家电网公司建设坚强智能电网的首批重点工程，是大规模地集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体的可再生能源项目。其中一期工程在配套建设的220kV智能变电站中配置电池储能系统20MW，于2011年底已建成投产，目前运行良好。二期扩建工程正在实施中。项目建成后，将是世界上规模最大的多类型化学储能电站[3]。自2010年开始，国家电网公司对于储能系统接入35kV及以下配电网的运行、测试、监控技术开展了细致的研究工作，按各个环节对已有经验进行了总结，发布了相应企业标准，并对储能电站的运行维护工作给出了指导性原则，为储能系统能够科学、有序、安全、可靠地接入配电网及储能电站起到了有效的规范作用。此外，以国家电网张北风光储输示范工程设计技术为基础的国家标准《风光储输联合发电站设计规范》正处于编制中[4-8]。目前，国家电网公司所发布的储能相关企业标准，主要针对配电网，从运行维护角度，对于储能系统及设备予以了较大关注，而较少涉及储能电站设计部分的有关内容；而国家和电力行业现行的变、配电站设计规程，除在编的国家标准《风光储输联合发电站设计规范》外，一般亦未涉及储能电站内容。为加快建设智能电网，提高电池储能电站建设368关雪飞等：电池储能电站设计技术规程解读Vol.3No.4效率和效益，国家电网公司于2014年12月发布了Q/GDW11265—2014《电池储能电站设计技术规程》(以下简称《规程》)。该规程首次规范了电池储能电站关键技术、设计和工程应用，为电池储能电站新建工程设计和建设工作提供了重要技术依据，起到了良好的推动和指导作用。《规程》的章节编排依照储能电站设计思路，参照了以文献[9]为代表的常规变电站设计规程。1总体部分《规程》选择适用的电池储能电站储能系统规模规范为额定功率不小于100kW且放电时间不小于0.25h。选择上述范围，一是考虑引用文献[8]中的规定范围100kW，保证国家电网公司体系内电池储能电站规程规范的一致性；二是考虑适当扩大本规程的适用性，将接入配电网的百千瓦级电池储能电站(如崇明智能电网综合集成示范工程200kW钠硫电池储能电站项目)以及15分钟级的功率型调频用电池储能电站纳入进来。《规程》选择适用的电池储能电站电化学形式储能载体包括铅酸电池、锂电池、液流电池、钠硫电池等。铅酸电池、锂电池、液流电池已在国内建成投运的储能电站中进行了广泛的规模化应用，如国家电网张北风光储输示范工程储能电站、南方电网公司深圳宝清电池储能站、国电龙源的沈阳法库卧牛石风电场等。而国内首个钠硫电池储能电站——崇明智能电网综合集成示范工程200kW钠硫电池储能电站项目也已在2014年提前建成投运。虽然投运电池容量规模仅为百千瓦级，且缺乏成熟稳定运行经验及测试数据，但考虑到钠硫电池在智能电网中的应用前景[10]以及本规程在智能电网中的适用性，最终将钠硫电池纳入了适用范围。《规程》对于电池储能电站设计内容进行了区分。针对其中与常规变、配电站一致的内容，对现有的变、配电站设计规程规范进行了应用，即《规程》第2章中所罗列的规范性引用文件；而针对由于电池储能系统的引入所带来的与常规变、配电站不一致的内容，其编制依据主要来源于三方面。首先是参照和提取国家电网公司现有企业标准体系中与设计技术相关的部分[4-8]；其次是参考目前在编的相关储能电站设计国家标准《风光储输联合发电站设计规范》以及《电化学储能电站设计规范》；最终以大量的电池储能电站实地调研结果为准，对本规程的编制依据进行确认。《规程》对电池储能电站站址选择的原则、方法以及需要考虑特殊问题进行了规定。其中5.1条列出了站址选择的基本原则。选择站址时，除注意少拆房屋建筑外，还应尽量避免或减少通信电缆、电力电缆、各种管道等地下设施的迁移，以减少工程投资。5.2~5.10条对站址选择中需要考虑的周边自然条件和社会条件进行了规定，旨在保障电池储能电站的安全稳定运行以及与周边条件的相互协调。5.11条指出了站址选择的主要方法，即依据电池储能电站的具体用途进行选择。《规程》在常规变、配电站站区规划和总布置要求的基础上，针对储能充分考虑了电池储能系统及其建、构筑物在防火及最小间距方面的特殊要求。具体体现在6.3与6.4条中。6.3条中，常温下钠硫电池中的钠是以单质形式存在的，储能电站的钠硫电池用量超过GB50016—2006《建筑设计防火规范》规定的最大允许量(容积比≤0.002kg/m³，总量≤5kg)，所以钠硫电池室属于甲类。铅酸电池在常规变、配电站设计规程中已进行了规定。锂离子电池中的锂是以稳定的化合物存在，常温下属于不燃物质，因此，锂离子电池室可按戊类考虑。液流电池本身不具备可燃性，但在过充、过放的工况下会产生可析出H2的问题，但通过本规程所规定的通风设计方法，能够有效保障H2浓度低于爆炸下限。因此，对于液流电池、铅酸电池、锂离子电池均可按戊类确定其防火要求。此外，不同类型的储能电池电解液溶剂组成差别较大，即使是同类型电池不同厂家的产品，其内部电解液溶剂成分也可能有差别，可能析出其他类型的气体或同时析出多种气体，因此所有未在本规范列举的情况均应根据现行GB50016—2006的有关规定进行确定，确保电池储能电站的安全生产。6.4条中规定电池储能电站内建、构筑物的防火间距，按6.3条所规定的电池室火灾危险性类别和最低耐火等级，参照GB50229—2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》进行要求。2关键技术部分2.1储能系统1）电池系统。电池系统的选择要满足应用的需求，满足其功能定位的实现。但电池的性能和技术成熟度影响电池的成组方式(电池组电压、容量、能量)，进而影响功率变换系统的选择和电池系统的选择。另一方第3卷第4期智能电网369面，功率变换系统的拓扑结构影响电池的成组方式及其拓扑结构和储能单元的选择、划分。所以规定电池系统应根据储能电站容量、接入电压等级、应用需求、功率变换系统性能和电池的特性和要求及设备短路电流耐受能力设计。故《规程》从储能电站设计的宏观角度出发，并未对电池系统的成组方式及组数、容量配置、选型、响应速度等指标进行量化规定。《规程》对可能产生液体渗漏的诸如液流电池系统作出了配置专用的漏液收集及处理系统的要求。2）功率变换系统。功率变换系统作为衔接电池系统与储能电站的中间系统，需对电池系统和电力系统均具备高度的兼容性。《规程》从储能电站设计的宏观角度出发，同样未对功率变换系统的保护功能、控制功能、电能质量要求进行量化规定，仅对这些功能所实现的目标进行了规定。此外，功率变换系统本身可以作为很好的无功源，从资源优化配置利用的角度，为满足应用对象和站内无功功率需求，应充分利用功率变换系统的无功调节能力，储能电站内可不再配置其他无功补偿装置。3）电池管理系统。电池管理系统的功能是对针对电池系统进行测量、监控和保护。《规程》按功能划分对电池管理系统的设计进行了定性要求。4）储能系统布置。《规程》对储能系统布置的基本原则进行了规定，并对电池系统、功率变换系统以及电池管理系统的布置分别进行了要求，指出了需要考虑的问题。考虑到钠硫电池防火要求的特殊性，为保障储能电站的设备安全，《规程》建议钠硫电池系统与功率变换系统分开布置。2.2电气一、二次1）《规程》8.1.2中建议了不同容量的储能系统接入电网的电压等级，参考文献[4]中的相关内容，并根据储能系统技术的发展及储能电站的规模及容量特征，将电压等级按接入规模的划分值由200kW调整到400kW。2）《规程》8.1.4条中储能电站检测到电网异常时，一方面应在一定的时间内与电网断开，有效防止孤岛情况；另一方面，要保证必要的运行时间，以免因短时扰动造成的过多跳闸。对于低电压穿越能力要求，低电压穿越曲线包括瞬时电压跌落、最低电压水平持续时间及电压恢复曲线。具体工程中的允许时间可根据当地电网的保护和重合闸动作时间等实际情况核实确定。3）《规程》8