锂电池储能系统在重要用户配电网的应用设计目 录1. 绪论32. 接入方案的设计与对比32.1. 系统主接线及负荷配置32.2. 储能电池的选择52.3. 锂电池储能系统接入方案的选择53. 控制策略优化与设计63.1. 储能系统整体控制策略73.2. 储能系统工作在充电模式下的控制策略73.3. 储能系统工作在放电模式下的控制策略84. 电磁暂态仿真与结果分析95. 结论121. 绪论近年来，随着风能、光伏等新能源技术发电的持续迅猛发展，储能技术作为智能电网的重要组成部分，已在用户侧获得越来越多的应用，例如对重要用户持续可靠的供电，要求储能技术不仅需具备快速大功率调节特性，还需具有较大的储能容量。文献1介绍了几类面向电网的储能电源，目前发展前景最优且相对成熟的电池储能技术主要为锂离子电池及燃料电池储能系统。研究表明，燃料电池储能系统虽在能量密度、设计容量等性能在理论上优于锂离子储能系统，但燃料电池因其标准发布年限偏早且少，针对日益迅速进步的社会来说，这套标准和现状之间的契合性远不及锂电池。在成本方面，燃料电池系统高出锂电池系统 3200 元/kWh 2，若要完成此次 400 kW/400 kWh 的储能系统的整体设计及实施，锂电池纯能系统的预算价格为 70 万元，而以氢为原料，并配备制氢设备的燃料电池厂家给出的预算价格为 2300 万元，具体部分预算如表 1 所示。Table 1. 400 kW/400 kWh lithium battery and fuel cell cost budget表 1. 400 kW/400 kWh 锂电池与燃料电池造价预算表锂电池储能系统预算燃料电池储能系统预算锂电池本体及逆变单元50 万元太阳能和制氢储能部分700 万元一二次接入设备部分15 万元燃料电池及并网部分1500 万元相关安装布置费用5 万元土建及相关安装布置费用100 万元总计70 万元总计2300 万元本文主要研究了锂电池接入配电网的三个不同方案，进行相关计算和选型，同时考虑其电能质量与经济性等指标进行方案选择。并且研究了锂电池在充电模式下的恒流和恒压控制策略，放电模式下的 V/f 控制双闭环控制策略以及投切控制策略，最后对储能系统接入电网后的电网暂态过程进行了仿真分析， 对重要用户的配电系统设计具有一定的参考价值。2. 接入方案的设计与对比2.1. 系统主接线及负荷配置本次储能供电方案设计对象主要为重要用户，所以本文选择将锂电池储能系统接入某数据中心，其主接线如图 1 所示，10 kV 侧母线采用单母分段接线方式，两段母线之间配有母联断路器，两段母线互为备；0.4 kV 侧母线也采用单母分段接线方式，两段母线同样互为备用，而 10 kV 母线与 0.4 kV 母线间通过 10/0.4 kV 变压器连接，最终的用户负荷通过 0.4 kV 侧母线接入系统。对于重要用户来说，其一二级负荷占比较大，相应的三级负荷占比较小，在设置锂电池储能接入系统时，可认为在系统失电后将自动断开与三级负荷的连接的开关，而储能系统只需要保证相对重要的一二级负荷的供电可靠性即可。本文中锂电池储能系统所供给的重要用户功率一共为 500 kW，其各级负荷的具体占比如图 2 所示，因此实际接入锂电池储能系统的容量按照一二级总负荷的有功功率 400 kW 进行电池容量的计算以及储能系统的整体设计。Figure 1. Main wiring of an important user system图 1. 某重要用户系统主接线Figure 2. The proportion of load at all levels of important users图 2. 重要用户的各级负荷占比2.2. 储能电池的选择图 3(a)为典型的锂电池储能系统结构，其由一个或多个储能单元基本构成，电池堆(BP)，储能逆变器(PCS)和电池管理单元(BMS)又构成了一个个储能单元，如图 3(b)所示，而一条储能支路是由一个储能单元和一个低压接入开关组成。一般针对大容量兆瓦级的储能系统，考虑到经济与运维特性，一般会将单个储能单元的容量设置为总负荷功率的 1/2 或 1/4，再根据单个储能单元的容量配备相应的电池管理单元和储能逆变器。因为此次 400 kW/400 kWh 的用电要求是属于较小容量储能系统的，所以可以 400 kW 单独接入分为两路 200 kW 储能单元接入低压母线。(a) (b)Figure 3. (a) Typical lithium battery energy storage system topology diagram; (b) Sche- matic diagram of energy storage unit structure图 3. (a) 典型锂电池储能系统的拓扑结构图；(b) 储能单元结构示意图2.3. 锂电池储能系统接入方案的选择考虑母线的电压等级及对重要用户负荷的供电要求，系统主接线的低压 400 V 侧和高压 10 kV 侧都为单母分段接线，并结合其有功负荷功率的配置，设计了以下三种锂电池储能系统的接入方式。方案一是将锂电池储能系统通过一 10 kV/0.6 kV 的变压器接入备用电源侧 10 kV 母线(II 段)，并配备相应断路器和隔离开关，同时配置相应的 10 kV 母联备自投保护测量监控装置和变压器保护装置，保证与原系统的二次配合，其接入方式如图 4 所示。Figure 4. The energy storage system is connected to the 10 kV bus of the standby power supply side图 4. 储能系统接入备用电源侧 10 kV 母线(II 段)方案二是将所有锂电池部分作为一整个储能系统接入备用电源侧的 400 V 母线(II 段)，配备相应低压开关，并配备相应的 400 V 低压母联备自投保护设备，其余接线不变，其具体接入图如图 5 所示。Figure 5. The energy storage system is directly connected to the single 400 V bus图 5. 储能系统直接接入单侧 400 V 母线方案三中将锂电池储能系统按照其容量等分成两部分分别接入两段 400 V 母线，配备与方案二类型相同的开关与二次设备两套，具体接入方式如图 6 所示。方案一对于接入 10 kV 电压等级电网的储能系统，由于其接入电压等级较高，容易引起保护配置和绝缘的问题，对重要用户的供电可靠性造成威胁。而且因其对电网质量的影响较大，所以规定其电能质量的数据要能够远程传送，以满足电网企业对电能质量检测的要求，所以对储能系统接线的要求相对较高；当储能电池接入 10 kV 高压侧时，由于储能电池的额定电压相对较低，所以必须经过升压变压器与10 kV 高压母线连接，所以设备投资较大。在方案二中，由于本次其接入 400 V 电压等级的储能系统容量较小，且能在储存对应时间的电能量，以备重要用户的使用，故供电可靠性较高，同时，因其额定电压与母线电压为同一等级，故无需变压器，减少了设备投资成本，且有利于工作人员后期对储能电源的维护。方案三虽然将储能系统等分成两部分分别接入两段 400 V 母线，进一步提高了系统的可靠性，但对储能系统设备保护装置需求量多，投资相比较大，造成后期工作人员检修和维护工作量大。Figure 6. The energy storage system is divided into two parts and connected to two 400 V bus图 6. 储能系统等分成两部分分别接入两 400 V 母线综合考虑供电可靠性、经济性以及安装运维等各方面因素，采用方案三为接入方案较为合理。3. 控制策略优化与设计由 2.1 可知，系统主接线主要采用两路电源进线以及单母线分段的接线方式，母联开关设备自投，2 路 400 V 电源进线分别取自上级变电所的不同母线，变电所上级的 10 kV 亦选取单母分段接线，母联开关备自投，正常运行时，两路母线分列运行，锂电池储能系统处于充电运行状态，当一路电源失电时， 失电母线段断开，母联开关闭合，失电母线段恢复供电，但若因故，失电母线并未恢复供电，此时锂电池储能系统将转换放电运行状态。对储能系统的控制，使其实现与电网的双向功率传送，实际上就是要采用或优化具有适用性的储能逆变器的接入方式以及控制策略3。综合考虑文中特定负荷的大小、接入电压等级以及对可靠性和高效率的要求，如图 7 所示，本文锂电池储能系统的接入方式选择单级接入，锂电池堆经由三桥臂模块逆变后，通过输出滤波电路和隔离升压变压器并人三相交流电网4。Figure 7. Lithium battery access mode structure图 7. 锂电池接入方式结构图3.1. 储能系统整体控制策略锂电池储能系统的整体控制流程如图 8 所示，其中运行指 PCS 系统在外围故障检测无故障时运行， 信息采集过程主要包括电池 BMS 反馈的 SOC 值、系统的调度指令以及电池和交流侧电压、电流等信息。接下来进行控制判断，通过信息采集环节收集的信息进行判定，决定最终控制模式的选择5。这里最终的控制方式分为四种：电池的充电控制、电池放电控制、PQ 功率跟踪控制和 V/f 控制。电池的充放电控制主要依据的是电池管理系统(BMS)反馈的电池信息决定的；而 PQ 控制指令以及有功、无功的指令值大小可根据上级的调度指令，也可根据自身系统的电量采集来自动进行判断6。Figure 8. PCS system overall control process图 8. PCS 系统整体控制流程3.2. 储能系统工作在充电模式下的控制策略本文使用锂电池的恒流/恒压充电方式，充电初期采用恒定大电流充电模式，在锂电池电压达到设定值后转为恒压限流充电模式，随着电池电压的不断上升，充电电流逐渐减小，最后通过充电电流的减小程度来判断充电是否结束6。充电后期采用小电流充电有利于减小恒定大电流充电对电池的损坏，同时锂电池电压的升高速率减缓有利于防止过充电。针对锂电池的恒流/恒压充电方式，可设定两种控制外环： 电流外环和电压外环，分别可保证系统以恒定的电流或电压对电池进行充放电控制，从而不仅满足了电池充放电性能和快速性，而且兼顾了储能电池的循环周期和使用寿命7。3.2.1. 恒流控制外环当 PCS 工作在直流侧恒流充放电模式时，直流侧电流作为双闭环控制的外环，其控制结构如图 9 所示。idcref 表示系统给定的直流侧储能电池的充放电电流，idc 表示电池当前流过的电流值，两者的差值作为 PI 控制器的输入，经过 PI 环节后输出 idref 作为电流内环有功电流的给定值。Figure 9. Constant current control outer loop design图 9. 恒流控制外环设计3.2.2. 恒压控制外环当 PCS 工作在直流侧恒压充电模式时，以直流侧电压为被控量作为双闭环控制的外环，使储能电池的充电电压按照给定值进行充电，原理如图 10 所示。Figure 10. Constant voltage control ou