钠硫电池电站储能子系统的制作方法

本发明涉及一种电池电站储能子系统，特别涉及一种钠硫电池电站储能子系统，属于钠硫电池电站领域。

背景技术：

储能是指通过介质或者设备，利用化学或者物理的方法把能量存储起来，根据应用的需求以特定能量形式释放的过程，通常说的储能是指针对电能的储能。电力储能技术为实现电网可持续发展目标，解决电量供需不平衡矛盾和提高供电可靠性问题提供了一揽子解决方案。采用大规模储能装置，可以减少和延缓用于发、输、变、配电设备的投资，提高现有电力设备的利用率和供电可靠性，降低发电煤耗、供电线损。同时，电网发展本身也面临着用电峰谷差逐渐增大，电网规模增大后电网安全运行风险增大，大都市电网对电能质量要求上升，新能源并网运行技术新要求等问题，解决这些问题建设智能电网，也对发展电力储能技术提出了迫切的要求。在智能电网的各项关键核心技术中，储能技术起步相对较晚，技术成熟性与产业化研究存在明显不足，国内更是处于起步阶段，亟需大力推进。储能按照储能介质分为三类：物理储能、化学储能以及其他形式的储能。物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，化学储能主要包括铅酸电池、锂电池、液流电池、钠硫电池、镍镉电池等电池形式的储能等，其它形式的储能包括超级电容器、超导电磁储能等。

随着社会对电力的需求和生产持续增长，电网内的装机容量、覆盖区域及负荷峰谷差不断扩大，如此大量的电力需求对电网的稳定性、安全性、智能化提出了更高的要求。为此迫切需要这样的电力储能系统与之相配套，以平衡电力负荷，提高设备运行效率和经济性，减少或延缓电力建设的投资，提高电网突发事故的应对能力，保证电力系统运行安全。更为重要的是，电力储能系统可以将间歇性的可再生能源“拼接”起来，提高电力系统的稳定性，从而解决可再生能源发展的瓶颈问题。作为负荷平衡装置和备用电源，电力储能系统也是智能电网和分布式能源系统必需的关键技术，用于解决其故障率高、系统容量小、负荷波动大等问题。

钠硫储能电池(以下简称钠硫电池)因其容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点，非常适合电力储能使用。经综合比较分析，钠硫电池是目前能量密度、功率密度最大的储能方式之一，是目前唯一的一种同时完全适用于功率型储能和能量型储能的储能电池。钠硫电池作为化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列特点，在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性。钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。钠硫电池技术与生产工艺已相对成熟，但目前钠硫电池储能系统的工程化应用缺少实际经验，对钠硫电池储能系统充放电运行特性、循环运行特性、串并联运行特性等仍缺少实践性的认识，在电网接入的系统设计方面仍缺少指导性的规范。

技术实现要素：

本发明钠硫电池电站储能子系统公开了新的方案，提供了一种具有实用性、指导性的钠硫电池电站储能子系统，解决了现有技术缺乏实用方案的问题。

本发明钠硫电池电站储能子系统包括钠硫电池储能装置、电池管理系统、汇流柜组、储能装置堆仓，钠硫电池储能装置包括若干钠硫储能模块组，钠硫储能模块组通过能量转换系统与电网母线连接，电池管理系统包括直流管理单元、电池管理单元，汇流柜组包括若干汇流柜，钠硫储能模块组包括若干钠硫储能模块串，钠硫储能模块串通过汇流柜与能量转换系统连接，汇流柜内设有直流管理单元，钠硫储能模块串包括若干钠硫储能模块，钠硫储能模块包括钠硫电池模块、电池管理单元，钠硫储能模块安装在储能装置堆仓内。

进一步，本方案的钠硫电池储能装置包括钠硫储能模块组甲、钠硫储能模块组乙，钠硫储能模块组甲包括钠硫储能模块串A、钠硫储能模块串B，钠硫储能模块串A包括10台5kW能量型钠硫储能模块，钠硫储能模块串B包括10台5kW能量型钠硫储能模块，钠硫储能模块组乙包括钠硫储能模块串C、钠硫储能模块串D，钠硫储能模块串C包括10台5kW功率型钠硫储能模块，钠硫储能模块串D包括2台25kW功率型钠硫储能模块。

进一步，本方案的钠硫储能模块包括模块箱体，模块箱体内设有钠硫电池模块、电池管理单元、模块直流主电源输出接线箱、模块通信接口，模块通信接口是以太网接口或CAN接口或RS485接口，5kW能量型钠硫储能模块、5kW功率型钠硫储能模块的模块箱体外形尺寸是907mm×986mm×1038mm，25kW功率型钠硫储能模块的模块箱体外形尺寸是2120mm×1630mm×1100mm。

进一步，本方案的储能装置堆仓包括堆仓组甲、堆仓组乙，堆仓组甲包括背靠背并排设置的2个5kW模块堆仓排甲，5kW模块堆仓排甲包括3个5kW模块堆仓，堆仓组乙包括背靠背并排设置的2个5kW模块堆仓排乙、1个25kW模块堆仓，5kW模块堆仓排乙包括2个5kW模块堆仓，5kW模块堆仓是上下两层“田”字形仓柜结构，上下两层“田”字形仓柜结构内设有4个5kW模块的仓位，25kW模块堆仓是上下两层“曰”字形仓柜结构，上下两层“曰”字形仓柜结构内设有2个25kW模块的仓位。

进一步，本方案的能量转换系统包括双模式储能变流器、若干双向直流变换器，若干双向直流变换器的逆变器侧并联接到双模式储能变流器的直流侧，双模式储能变流器的交流侧接入电网母线，钠硫储能模块串通过双向直流变换器与双模式储能变流器连接。

进一步，本方案的双模式储能变流器包括直流侧EMI滤波器、三相PWM整流器、变压器、交流侧BMI滤波器，双模式储能变流器将双向直流变换器输出的直流电转换成三相交流电输入电网或给用电负荷供电，双模式储能变流器将电网中交流电转换成直流电通过双向直流变换器降压后输入钠硫储能模块串。

进一步，本方案的双向直流变换器包括输入直流断路器QF1、输出直流断路器QF2、输入直流接触器KA1、输出直流接触器KA3、输入电容器C1、输出电容器C2、直流EMI滤波器、预充电电阻R1、预充电接触器KA2、电抗器L1、半桥IGBT模块、熔断器FU1，双向直流变换器将逆变器侧的电能降压输入钠硫储能模块串，双向直流变换器将钠硫储能模块串的电能升压后通过逆变器侧输入双模式储能变流器。

进一步，本方案的电池管理单元包括电池电压检测模块、电池温度检测控制模块，直流管理单元包括回路电压检测模块、回路电流检测模块、电池管理单元控制模块、数据通信接口，直流管理单元通过数据通信接口向上位机、能量转换系统传送功能信号，直流管理单元通过数据通信接口从上位机监控系统接收运行指令、设置信息，直流管理单元通过电池管理单元控制模块向电池管理单元传送上述运行指令、设置信息。

进一步，本方案的直流管理单元与电池管理单元通过RS485总线通信，直流管理单元与上位机监控系统、能量转换系统通过MODBUS通信。

进一步，本方案的汇流柜内还设有电池服/退役控制器、电池电源控制器、GPRS设备，远程客户端通过GPRS设备监控钠硫电池电站的运行情况。

本发明钠硫电池电站储能子系统提供了一种具有实用性、指导性的钠硫电池电站储能子系统，具有良好的商业应用前景。

附图说明

图1是本方案的钠硫电池电站储能子系统的原理示意图。

图2是电池管理系统的原理示意图。

图3是双向直流变换器的原理示意图。

图4是双模式储能变流器的原理示意图。

图5是储能装置堆仓的堆仓组甲的俯视示意图。

图6是储能装置堆仓的堆仓组乙的俯视示意图。

其中，PCS是能量转换系统，BMS是电池管理系统，BMU是电池管理单元，DMU是直流管理单元。

具体实施方式

钠硫电池电站主要有三部分组成：钠硫储能子系统、能量转换子系统以及监控系统。钠硫储能子系统主要有钠硫储能电池模块、电池管理系统和汇流柜、堆仓等电气设备，主要实现钠硫电池运行控制和在线检测。能量转换子系统包括双向直流变换(DC/DC)和双模式储能变流(AC/DC)，实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递。监控系统是以计算机为基础的过程控制与调度自动化系统，主要由现场工作站和服务器等组成。

钠硫储能子系统是电站中最重要的子系统，包括钠硫电池模块、电池管理系统(BMS)和汇流柜，是由钠硫电池储能模块、电池管理子系统、汇流柜及堆仓构成储能模块堆。钠硫储能子系统由2组4串钠硫储能模块组成，接入2台PCS，每个模块串配1台直流管理单元DMU和1台汇流柜，每1个模块配1台电池管理单元BMU。第1组由20台5kW能量型MCN-5E型钠硫电池模块，分2串，每串10台，接入PCSA后联入电网或负荷。第2组是10台5kW功率型MCN-5P型钠硫电池模块组成第1串，由2台25kW功率型MCN-25P型钠硫电池模块组成第2串，分别接入PCSB后联入电网或负荷。5kW电池模块的外型尺寸为907mm×986mm×1038mm，25kW模块的外型尺寸为2120mm×1630mm×1100mm。

钠硫电池管理系统(BMS)主要由直流管理单元(DMU)和电池管理单元(BMU)两部分组成，BMU主要负责电池模块的电压和温度的检测，模块温度的运行控制，DMU负责回路电压和电流的检测，根据BMU检测的电池模块的电压和温度进行电池状态的分析与判断，并在故障时发出故障报警信号和禁能信号给上位机和能量转换系统(PCS)，另DMU还负责接收监控系统运行指令和设置信息，将接收到的指令和信息下发到BMU中执行。DMU与BMU之间通过RS485总线通信，DMU与上位机监控系统和PCS之间通过MODBUS通信。

BMU安装在电池模块上，其主要功能和技术参数如下：

⑴检测电池或电池串电压，范围：0～18V；测量精度：±0.020V，每个通道独立采集，互不干扰；

⑵测量模块输出总电压，测量精度±0.1FS％mV；

⑶温度循检，范围：0～500℃，温控精度±5℃。默认出厂升温设置；时间和温度的变化量可智能设置；

⑷温度控制采用PWM脉宽调节，光隔离控制固态继电器调节加热功率；

⑸监测模块在充放电状态时切换到自动温度补偿运行模式；

⑹通过外部RS485/CAN总线与DMU通讯，通讯速率250kb/s，发送电池数据、电池状态及告警信息；

⑺有2路开关量输出控制功能；

⑻有6路开关量输入监测功能；

⑼本体故障自检功能；

⑽抗扰度等级：IECⅣ级。

DMU安装在汇流柜中。DMU为BMU的上一级管理系统，最多可管理12个BMU，主要技术参数和功能如下：

⑴钠硫储能模块串总电压测量，范围：0-640V，精度：±0.1V；

⑵充放电电流测量，范围：0～±1000A，测试精度：±1.5A(取决于传感器精度)；

⑶完全独立的RS485及CAN/LAN接口；

⑷总线最多可以和12个BMU模块通讯，读取电池电压和温度信息；

⑸通过CAN与PCS双向通信，可控制直流支路充放电；

⑹LAN接口通过TCP/IP协议和系统监控PC机通讯，上报支路电池电压，温度及其它信息，并接收控制平台的命令；

⑺SOC估算及SOH，SOC估算精度小于10％；

⑻提供14路开关量输入监测功能；

⑼提供6路开关量输出控制功能；

⑽故障诊断及在线报警(电压、电流、温度、和SOC)；

⑾实现电池运行状态的实时监控：包含充电过程控制指令、放电过程控制指令、电池组温度控制、电池完全管理；

⑿实现电池故障诊断和安全保护：包含电池故障诊断、失效控制指令；

⒀具有自检和自诊断功能：能诊断和处理各类BMU故障；

⒁电池安全：防止电池过充、过放；对电池运行状态实时监控，及时发出维护请求、维修请求、禁用请求等提示信息；

⒂电池使用一段时间后，需要对电池进行容量检测，通过容检模式可以对使用过电池的容量进行检测；

⒃故障及检修状态上传：在系统运行过程中，若BMU发生故障或需要检修时，通过故障及检修状态上传功能，将装置自身的故障及检修信号上传至储能模块堆监控系统。

汇流柜是钠硫储能子系统中重要的一部分，汇集了回路中所有电池模块的直流线缆，通过汇流柜接入能量转换系统和控制电池模块的服/退役。另外，汇流柜还负责回路中电池模块的工作电源和辅助电源的分配与控制，通过安装在汇流柜中的DMU实现对实现对BMU的运行控制和管理，并对BMU采集数据处理和传输，在电池模块发生故障时发出报警和禁能信号。

电池模块安装在堆仓中，堆仓分上下两层，采用背靠背方式安装，第一、二回路为第一组安装在一起，第三、四回路为第二组安装在一起。每个堆仓可以放置4台5kW电池模块，分上下两层布置，模块编号自堆仓左下方开始顺时针定义。本电站有25kW电池模块2台，安装于一个堆仓组中，分上下安装。

堆仓除作为承载电池模块的载体外，也具有保护和调节电池模块环境的作用，其主要功能如下：

⑴堆仓采用模数化、标准化设计，以部件运输、现场安装形式；

⑵基本堆仓可进行背靠背或平行、垂直拼装成多仓位堆仓。每个模块间可设置防护隔离板，模块就位后需要设置固定装置；

⑶每个基本堆仓在适当位置设置通风口、烟感(温湿度)监测装置，上部设置轴流风机，用于基本堆仓的强制通风；

⑷堆仓防护等级不小于IP54。

⑸堆仓可直接在平整度小于2mm的混凝土基础上直接安装，也可在电气室预留的槽钢基础上安装。

电池储能系统的一个重要组成部分就是能量转换系统(Power Convertion System)。通过PCS可以实现钠硫储能子系统电池模块与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池模块的充放电管理，对网侧负荷功率的跟踪，对电池储能系统充放电功率的控制，对离网运行方式下网侧电压的控制等。PCS主要由双向直流变换器(DC/DC)和双模式储能变流器(AC/DC)组成，以实现钠硫储能子系统与交流电网之间的双向能量传递。DC/DC双向直流变换器的作用是将回路的电压抬升到适合AC/DC双模式储能变流器工作的电压等级，一个回路采用一个50kW双向直流变换器(DC/DC)，变换器由三个模块交错并联工作，三个模块均分回路中电池模块的充放电功率。DC/DC双向直流变换器的逆变器侧并联接到AC/DC变流器的直流侧。

在双向DC/DC变换器中，输入、输出直流断路器QF1、QF2,输入输出直流接触器KA1、KA3，输入输出电容器C1、C2，直流EMI,预充电电阻R1，预充电接触器KA2，电抗器L1，H桥IGBT模块，熔断器FU1。当双向Buck/Boost变换器(升降压式变换器)正向工作时,T1、D2配合工作，能量AC/DC逆变器流向蓄电池，从左到右，处于Buck降压模式。当T1导通时，C2侧电压加到二极管D1、L1和输出电容C1上，故D2截止。此时加在L上的电压为U1>U2，故电感电流线性增加能量以磁场能的形式存储在L中，并同时向蓄电池充电。当T1关断时，电感电流通过D2续流，电感电流线性减小，L的储能向C1转移。当反向工作时，T2、D1配合工作，能量从蓄电池流向交流AC/DC逆变器，从右到左，处于升压模式。T2导通时，C1全部加到电感上，电感电流线性增加，电能以磁场能的形式存储在L中，二极管D1截止。当T2关断时，电感电流通过D1向输出侧流动，C1和L1上的储能向C2转移，即给C2充电，此时加在电感上的电压为U2-U1小于零，所以电感电流线性减小。DC/DC变换过程中，采用电压、电流双闭环的PI控制。实际输出电压的反馈信号U_o与输出电压的给定值U_dref进行比较，其差值经过PI环节生成内环(电流环)的给定电流信号I_dref，I_dref再与电感电流的反馈值I_dl比较，最终生成PWM控制信号，进而控制DC/DC主电路中IGBT的开关状态，实现稳压输出。

AC/DC双模式储能变流器作为电网与钠硫储能子系统之间的接口，是储能系统的重要组成部分，主要作用是将DC/DC双向直流变换器输出的直流电转换成三相交流电输入电网或给用电负荷供电，也可以将电网中交流电转换成直流电通过DC/DC双向直流变换器降压后储存在钠硫电池模块中，实现钠硫电池和电网之间的能量双向流动，并可实现并网、离网运行控制。PCS储能变流器功能设计如下：

⑴直流侧极性反接保护，直流侧过欠压保护，直流侧过流保护，交流侧过流保护，短路保护，交流侧过欠压保护，交流侧过欠频保护，过热保护，浪涌保护；

⑵限压放电、恒功率放电、恒流放电等功能；

⑶孤岛检测功能；

⑷基于钠硫储能子系统的微网系统并、离网无缝切换的控制策略；

⑸有功和无功的控制功能；

⑹结合钠硫电池自身特性的高倍率放电功能；

⑺AC/DC双模式储能变流器的交流侧在V/F离网运行模式下可直接连接离网负载、充电设备，在P/Q模式下连接电网给蓄电池进行充电；

⑻DC/DC双向直流变换器可以兼容多种不同配置和型号的钠硫电池模块；

⑼直流侧和交流侧的多机并联运行控制功能；

⑽人机界面和通讯功能。

AC/DC双模变流器和DC/DC直流变换器在硬件结构上基本一致，由主要包括功率模块和电抗器、接触器和断路器、EMI滤波器、控制器、隔离变压器、UPS等器件组成。

监控系统是以计算机为基础的过程控制与调度自动化系统，它可以对微网内部的分布式发电、储能装置和负荷状态进行监视，在微网并网运行、离网运行和状态切换时，根据电源和符合特性，对其内部的分布式发电、储能装置和负荷进行优化控制，实现对微网的安全稳定运行，提高微网的能源利用效率。监控系统主要由分布式发电监控、储能装置监控、负荷监控、安防监控和电能质量监控所组成。微网系统的设计采用分层控制的方式，在逻辑上可分为三层，即就地控制层、集中控制层、电网调度层。电网调度层为微网与配电网调度系统，从整个电网的安全、经济运行的角度协调调度微网系统。集中控制层是整个微网系统的核心部分，集中管理分布式电源、储能装置和各类负荷，完成微网的监视和控制，根据微网的运行情况，实时优化控制策略，实现并网、离网、停运的平滑过渡，在并网运行时负责实现微网运行优化作用，在离网运行时调节分布式发电出力和各类负荷的用电情况，实现微网的稳态安全运行。就地控制层由微网系统的保护设备和就地控制器组成。微网就地控制器完成分布式发电对频率、电压的一次调节，就地保护设备完成微网系统故障的快速保护。

监控系统主要是采集各个子系统的信息加以汇总，如钠硫储能子系统，能量转换子系统，另外还有安全监控平台等，对采集的信息进行分析和判断，并帮助运行操作人员做出优化的控制方案。监控系统具有数据采集功能、数据处理功能、控制操作功能、故障告警功能、事件处理功能、人机交互功能等。

⑴数据采集功能

对分布式发电、储能装置运行状态参数进行采集，至少包括组端电压、组端电流、荷电状态、温度等遥测信号，以及开关状态、事故信号、异常信号等遥信信号。对变流器的电压、电流、温度等遥测信号，以及开关状态、事故信号、异常信号等遥信信号进行采集。对配电网接口的电压、电流、相位、频率、有功功率、无功功率、功率因数、有功电量、无功电量等遥测信号以及开关状态、事故信号、异常信号等进行采集。

⑵数据处理功能

对采集数据进行计算分析、越线告警、合理性检查等处理，并对相关数据进行存储。

⑶控制操作功能

对储能系统的相应开关设备实现分合控制，以及对储能装置的充放电状态进行控制。

⑷故障告警功能

具备事故信号和异常信号的报警确认与清除、报警查询、自定义报警级别、报警统计分析、报警信息存储等功能，并可通过图形、语音、文字、打印等形式实现。

⑸事件处理功能

可实现对事件的顺序记录、定位和就地故障信息查询等功能。

⑹人机交互功能

画面显示功能。能够对储能系统电气结构图、充放电曲线图及系统实时数据显示，根据需要提供数据饼图、柱状图等图形显示，可提供主要事件顺序显示。交互操作功能。发送遥控、校时等，在人机界面实现人工位、报警确认、挂牌等操作，编辑和修改数据库、图形等信息。报表管理功能。对储能系统进行数据、异常及事故信息、操作记录等信息自动生成报表，对报表进行编辑、存储、查询，并具备定时打印、召唤打印等功能。

⑺与自动化信息系统互联

与调度自动化系统、配电自动化系统、营销管理系统等相关系统互联，实现数据和信息交换。

电站中5kW模块数为30台，25kW模块数2台，其中：

⑴MCN-5E模块20台，配置堆仓5组，构成100kW钠硫储能模块串组，分2路分别接入PCS-A-1及PCS-A-2并网装置DC/DC直流回路。

⑵MCN-5P模块10台，配置堆仓3组，构成50kW钠硫储能模块串，接入PCS-B-1并网装置DC/DC直流回路。

⑶MCN-25P模块2台，配置25kW模块堆仓1组，构成50kW钠硫储能模块串，接入PCS-B-2并网装置DC/DC直流回路。

储能子系统安装区域位置，汇流柜置于室内，开墙设置一维护通道放火门。汇流柜安装位置就近于模块堆仓，便于对模块串的分组及维护，防止误操作。

上述方案中涉及的电力设备、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。

本方案的钠硫电池电站储能子系统从示范电站的储能子系统设计出发，设计了PCS能量转换系统的功能和结构，规定了双向直流变换器和双模式储能变流器的技术参数，设计了储能监控系统体系结构和层次结构，规定了储能监控系统体的基本功能和扩展功能，提出了储能系统接入配电网监控系统性能指标，优化了系统的通讯结构，并对模块成堆方式进行了设计。基于以上内容和特点，本方案的钠硫电池电站储能子系统具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案的钠硫电池电站储能子系统并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。