電池儲能系統集成技術與應用

前言
作者簡介

第1章　緒論 1
1.1　儲能市場概況 1
1.2　電池儲能的發展趨勢 4
1.3　電池儲能系統的基本特點與面臨的挑戰 9
1.4　電池儲能系統集成技術的任務 10
1.5　本書主要內容 12
參考文獻 13

第2章　電池儲能系統架構與關鍵設備 15
2.1　電池儲能系統架構 15
2.2　電池儲能系統性能指標 16
2.3　電池及電池管理系統 19
2.3.1　先進鉛酸電池 19
2.3.2　全釩液流電池 22
2.3.3　鋰離子電池 27
2.4　儲能變流器 33
2.5　電池儲能系統成本分析 38
2.6　小結 39
參考文獻 39

第3章　電池儲能系統主要應用與解決方案 43
3.1　火儲聯合調頻系統 43
3.1.1　火電機組AGC基本原理 43
3.1.2　火儲聯合系統 45
3.2　輔助新能源並網 47
3.2.1　削峰填穀 48
3.2.2　提高預測精度 50
3.2.3　平滑 53
3.2.4　 直流耦合系統及控制 55
3.3　一次調頻 61
3.3.1　獨立一次調頻 61
3.3.2　新能源配置儲能系統實現一次調頻 62
3.4　微電網 65
3.4.1　交流母線微電網 66
3.4.2　直流母線微電網 68
3.4.3　無縫切換 69
3.4.4　微電網能量管理系統 70
3.5　小結 72
參考文獻 72

第4章　電池儲能系統電氣設計 76
4.1　電氣系統概述 76
4.2　低壓開關櫃設計 77
4.2.1　電氣絕緣 77
4.2.2　導體設計 81
4.2.3　短路故障導體應力計算 84
4.2.4　低壓斷路器 91
4.2.5　交流低壓SPD 95
4.3　變壓器 101
4.3.1　變壓器的選型 101
4.3.2　交流接地方式 103
4.4　高壓開關櫃 106
4.4.1　高壓開關櫃的選型 106
4.4.2　中置櫃 107
4.4.3　環網櫃 109
4.4.4　C-GIS 113
4.4.5　高壓電力線纜的選型 114
4.4.6　高壓避雷器 115
4.5　電池匯流櫃的設計 116
4.5.1　直流匯流回路設計 116
4.5.2　直流側極間短路故障分析 121
4.6　控制配電設計 128
4.7　電池儲能系統並網對配電網的影響 129
4.8　小結 133
參考文獻 133

第5章　電池儲能系統結構與安全設計 140
5.1　整體結構 140
5.2　圍護結構與佈局 144
5.3　接地與靜電防護 146
5.4　熱管理系統設計 147
5.4.1　散熱冷卻方式 148
5.4.2　電池功耗發熱量計算 153
5.4.3　外部靜滲入熱量計算 155
5.4.4　溫控系統功率計算及控制邏輯 158
5.5　結構與散熱模擬 161
5.6　系統火災與自動滅火系統設計 165
5.6.1　火災與電池熱失控 165
5.6.2　自動滅火系統設計 169
5.6.3　火探管滅火系統 180
5.7　小結 181
參考文獻 182

第6章　電池儲能系統本地控制與遠端通訊 186
6.1　電池儲能系統本地控制與管理 186
6.1.1　本地控制器硬體平臺 187
6.1.2　電池儲能系統內部通信方式 188
6.1.3　本地控制器軟體架構 193
6.1.4　電池儲能系統運行狀態與控制邏輯 195
6.2　電池儲能系統監控與能量管理 200
6.2.1　電池儲能系統通信設備配置 200
6.2.2　電池儲能系統站級SCADA系統 201
6.2.3　能量管理系統 203
6.3　IEC 61850在電池儲能系統中的應用 206
6.3.1　IEC 61850系列標準 206
6.3.2　IEC 61850技術特點 209
6.3.3　IEC 61850建模的基本概念 210
6.3.4　電池儲能系統的IEC 61850建模 215
6.4　小結 219
參考文獻 220

第7章　電池儲能系統設備集成安裝與檢驗 222
7.1　集裝箱及戶外櫃檢驗 222
7.2　電氣設備安裝與檢驗 223
7.2.1　高壓開關櫃安裝與檢驗 223
7.2.2　變壓器安裝與檢驗 228
7.2.3　低壓開關櫃安裝與檢驗 229
7.2.4　儲能變流器安裝與檢驗 231
7.2.5　直流匯流櫃及直流線纜安裝與檢驗 232
7.3　溫控系統安裝與檢驗 234
7.4　消防系統安裝與檢驗 236
7.5　電池儲能系統出廠調試 237
7.6　電池儲能系統起吊運輸與現場安裝 239
7.6.1　起吊運輸 239
7.6.2　現場安裝 240
7.7　小結 241
參考文獻 242

第8章　電池儲能系統建模與模擬 243
8.1　儲能電池建模 243
8.1.1　常用電池模型 243
8.1.2　改進型電池模型 244
8.2　鋰離子電池模擬分析 246
8.3　鉛酸電池模擬分析 249
8.4　儲能變流器建模與控制 252
8.4.1　儲能變流器同步旋轉坐標系建模 252
8.4.2　儲能變流器向量控制 255
8.4.3　儲能變流器虛擬同步機控制 256
8.5　系統模擬 259
8.5.1　調頻控制 259
8.5.2　調壓控制 263
8.5.3　緊急功率支撐 267
8.5.4　調峰控制 268
8.5.5　計及SOC變化的電池儲能系統控制 270
8.6　小結 273
參考文獻 273

第9章　先進技術在電池儲能系統中的應用展望 275
9.1　電池儲能系統與物聯網 275
9.1.1　物聯網概述 275
9.1.2　物聯網技術在電池儲能系統中的應用 276
9.1.3　物聯網對電池儲能系統的要求 279
9.2　神經網路技術在電池儲能系統中的應用 279
9.2.1　基於神經網路的電池儲能系統即時容量識別 280
9.2.2　基於神經網路的電池儲能系統軟故障狀態識別與保護 284
9.2.3　神經網路技術在電池儲能系統中的應用展望 287
9.3　電池儲能系統與區塊鏈技術 288
9.3.1　區塊鏈技術概述 288
9.3.2　共用儲能技術 290
9.3.3　基於區塊鏈技術的共用儲能交易體系 291
9.3.4　基於區塊鏈技術的共用儲能商業運營思考 296
9.4　小結 297
參考文獻 298

第10章　儲能集成技術典型應用案例與系統 301
10.1　典型應用案例 301
10.1.1　雙湖微電網 301
10.1.2　兆光火儲聯合調頻系統 305
10.1.3　日本直流光儲項目 308
10.1.4　夏威夷風儲項目 311
10.2　典型電池儲能系統 312
10.2.1　Younicos電池儲能系統 312
10.2.2　CellCube電池儲能系統 313
10.2.3　Ingeteam電池儲能系統 315
10.2.4　Power Electronics電池儲能系統 317
10.3　小結 318
 

前言
 
隨著新能源大規模並網與智慧電網的建設，電池儲能系統近年來受到了廣泛關注並得到了大量應用。不論是在發電側、電網側，或是在負荷側，電池儲能系統都能夠發揮雙向功率控制和能量調控的作用，使得電力的生產者、調度者和消費者均能基於各自的安全考量和經濟利益，從中汲取最大化價值，從而增強了電力管理的靈活性。特別是現代通信技術、大資料、人工智慧等新技術的發展，進一步賦予了電池儲能系統數位化、智慧化的特徵，使之能夠在多樣化的商業模式和市場體系下，促進新能源消納、電力輔助服務、需求側回應與綜合智慧能源的融合發展。

當前，各國按照各自的能源結構轉型方向和戰略目標，推動了大量的電池儲能系統工程示範或商業化專案。預計2020-2022年，全球電池儲能系統新增投運規劃將超過16GW；我國也將在“十四五”期間逐步完成電池儲能系統從商業化初期向規模化發展的轉變。因此，面對電池儲能系統容量不斷擴大、應用場景日益增多的趨勢，系統集成商的專業水準與技術能力都亟待進一步提升；而電池儲能系統集成技術關係到系統內部各設備的優化運行、協調控制與聯動保護、安全與壽命保障，並最終實現電池儲能系統在多種應用領域的安全、高效、一體化運行，已經成為電池儲能技術發展中的研究熱點與難點。

電池儲能系統集成技術，不僅涵蓋系統本身的硬體集成與軟體控制，還包括儲能系統與應用場景的銜接與協同。除電氣、電力電子、電化學、通信控制外，技術人員還應對應用領域相關知識，如電力系統、新能源發電、火儲聯合、需求側響應及微電網等，有著較深入的研究與理解。上述學科的融合，將進一步優化電池儲能系統容量與功率配置、設計與運行控制，確保良好的經濟性和壽命的可預期性。

《電池儲能系統集成技術與應用》較為系統和全面地論述了電池儲能系統集成技術所面臨的問題與任務、基本系統架構、關鍵設備、運行控制、電氣設計、結構設計、熱設計、消防安全設計、通信與控制、設備集成與安裝調試、建模仿真及先進技術應用展望等，最後介紹了典型應用案例與系統產品。

《電池儲能系統集成技術與應用》的內容源于作者及其所在團隊多年的技術研究與積累，寫作的初衷旨在為從事電池儲能系統集成設計的工程師、高等院校從事儲能系統研究的教師和學生提供參考，目的在於抛磚引玉，促進電池儲能系統集成技術在我國的發展。

《電池儲能系統集成技術與應用》由陽光電源股份有限公司余勇研究員、浙江大學年珩教授合作編著。其中，余勇研究員編寫了全書大綱、前言以及第1-7章、第10章，年珩教授編寫了第8章和第9章；全書由余勇研究員、年珩教授統稿。

電池儲能系統集成技術與應用涉及的學科領域較多，應用場景更是不勝枚舉，由於作者水準有限，對有些問題的探討不夠深入或淺嘗輒止，書中也難免存在疏漏甚至謬誤，敬請讀者不吝指教。
 
作者