铅酸电池储能系统方案设计(有集装箱).doc

技术方案集装箱式铅酸蓄电池成套设备方案设计报告2014年1月目录目录21 需求分析32 集装箱方案设计32.1 集装箱基本介绍32.2 集装箱的接口特性52.3 系统详细设计方案72.4 集装箱温控方案143 电池组串成组方案163.1 电池组串内部及组间连接方案183.2 系统拓扑图194 蓄电池管理系统(BMS)204.1 BMS系统整体构架204.2 BMS系统主要设备介绍224.3 BMS系统保护方式244.4 BMS系统通信方案251 需求分析集装箱式铅酸蓄电池成套设备供货范围包括铅酸蓄电池、附属设备、标准40尺集装箱、备品备件、专用工具和安装附件等。每个标准40尺集装箱含管式胶体（DOD80 1200次以上）或富液式（DOD80 1400次以上）免维护铅酸蓄电池、电池架及附件、电池管理系统（含外电路）、电池直流汇流设备、设备间的连接电缆及电缆附件（包括铜鼻、螺栓、螺母、弹垫、平垫等）、动力及控制信号接口等。根据标书要求，综合铅酸电池特性，对于储能系统进行如下设计：每3个标准40尺集装箱承载2MWh，每个集装箱由336只2V1000Ah管式胶体铅酸电池串联而成，电压672V，电池串容量672kWh。每3个集装箱并联到一台500kWh 储能双向变流器。三个电池堆的总容量可达2MWh，故本方案中三个集装箱为一单元，每个单元配置一套BMS电池管理系统,可监控每颗单体电池工作情况。集装箱中另含烟感探头、消防灭火器、加热器、摄像头、温湿度监测等设备，以保证铅酸电池安全稳定的工作环境，实现远程监控。2 集装箱方案设计2.1 集装箱基本介绍根据项目要求，同时考虑电池堆的成组方式、集装箱内辅助系统的设计、安装以及日常巡视和检修等各方面，选用40英尺标准集装箱。外部尺寸： 12192*2438*2591mm 。本项目共需要42个40英尺标准集装箱。集装箱设计静态承重60t，最大起吊承重45t。集装箱的主要任务是将铅酸电池、通讯监控等设备有机的集成到1个标准的40尺集装箱单元中，该标准单元拥有自己独立的供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、电气联锁系统、机械连锁系统、安全逃生系统、应急系统、消防系统等自动控制和安全保障系统。铅酸电池安装在电池支架上，支架采用螺栓固定的方式安装在箱底。BMS柜及空调采用落地安装。动环监控柜采用壁挂式安装，内部整合了智能控制单元。动力配电箱采用壁挂式安装方式。集装箱内动力供电线及环境设备监控电线采用内走线的方式，表面无走线槽及走线管；蓄电池动力输出和BMS监控及接口线采用线槽式走线，方便维护。集装箱外形图如下所示。方安案1：采用侧维护门型式方案二：采用一侧维护门型式集装箱储能项目外型图2.2 集装箱的接口特性2.2.1 集装箱机械接口特性集装箱可满足满载情况下整体起吊的要求。集装箱整体采用螺栓安装固定方式，方便移动。螺栓固定点与整个集装箱的非功能性导电导体（集装箱金属外壳等）可靠联通，同时，以铜排的形式向用户提供2个符合电力标准要求的接地点。集装箱的防护等级为IP54。固定方式如下图所示。2.2.2 集装箱电气接口特性集装箱内部自身设备采用双重供电模式。一种为交流供电模式，接口为380V交流；另一种为直流独立供电模式，为集装箱环境支持设备和通讯监控设备提供可靠的电力保障。正常情况下箱体电源供应取自外部的交流电源，当外部电源供应发生故障时，自动切换至直流独立供电模式，从铅酸电池获取动力电源。储能系统提供电压为672V（胶体铅酸蓄电池，2V1000AH，336只串联）的正负极直流电力输入输出接口。箱内BMS采用RS485接口或CAN接口同外部PCS进行通信，采用以太网接口或485接口同后台监控进行通信，提供蓄电池状态信息、报警信息、集装箱环境监测信息，并具备“四遥”功能。动力及监控通信电缆的进出线方式均为下进下出。动力线及监控线分开走线。动力线采用2根1*300mm2的RVV22的线缆；RS485与以太网使用线缆为标准的带屏蔽层的双绞线。2.2.3 集装箱通讯接口特性集装箱采用统一的对外通信接口， 包含两个RS485（ModbusRTU）接口和2个工业以太网接口，以及一个CAN接口。通信接口的型式、性能和技术指标如下：1） RS485：接口采用标准RS485电气规范接口。规约采用ModbusRTU 模式；物理层通讯口采用RS485，采用屏蔽双绞线做通讯介质；通讯口链路波特率可选用2400、4800、9600和19200，缺省选用9600；链路传输模式为1主多从半双工。BMS做主机，PCS做从机。2） 以太网：接口采用RJ-45端口，10/100Base-T。通信规约文本采用标准 MODBUSTCP/IP协议；BMS为服务器，SCADA监控后台为客户端，服务端口号为 502；BMS启动后需要在502建立服务侦听，监控后台根据需要BMS建立连接或断开连接。3） CAN：预留CAN接口，采用带屏蔽层的双绞线，可同PCS及后台监控系统通信。2.3 系统详细设计方案2.3.1 接地方案集装箱提供螺栓安装固定方式。螺栓固定点可与整个集装箱的非功能性导电导体（正常情况下不带电的集装箱金属外壳等）可靠联通，同时，集装箱以铜排的形式向用户提供2个符合最严格电力标准要求的接地点，向用户提供的接地点必须与整个集装箱的非功能性导电导体形成可靠的等电位连接，接地点位于集装箱的对角线位置。非功能性导电导体接地点参考如下图所示。接地系统中导体的有效截面积不小于250mm。接地电阻小于2。集装箱内部有接地铜排，BMS柜，动环监控柜等的地线接至内部接地铜排上，箱内接地铜排通过250mm导线接至外部铜排上，外部铜排接至接地扁钢。接地铜排示意图如下。接地扁钢尺寸：40*5*3000mm。2.3.2 防雷系统在电源线路上安装有智能防浪涌保护模块，并带有辅助报警开关，一旦发生雷击可通过监控平台发出对外报警信号。监控系统实时监测防雷器信号，一旦发生报警，系统自动切换到相应的监控界面，同时产生报警事件及有相应的处理提示。防雷模块具备差模和共模保护能力。通信线路防雷：BMS同后台监控设备及PCS通信线路使用专用通信线防雷器，防雷器安装在BMS柜中。防雷系统通过接地扁钢或接地圆钢连接至集装箱给用户提供的不少于2个的接地铜排上。2.3.3 集装箱设备供电系统集装箱供电采用动力配电箱，电源供应为外部380V交流供电，每个集装箱的用电负荷容量为20kW。正常工作时所有的供电均由外部交流电提供，当出现故障时，将自动切换到独立供电系统。动力配电箱主要为空调、排氢扇、声光报警器、插座供电，动环境监控模块，BMS提供交流电。动力配电箱供电示意图如下图。动力配电箱布置图如下所示。2.3.4 照明系统设计 照明灯使用LED防爆灯，供电电源采用直流24V，由动环监控模块供给。照明灯与门禁系统联动，当打开门时，照明灯自动亮，门关闭时，照明灯自动断灭。此外，有独立的照明控制开关来控制灯的亮灭，管理人员可在现场用手动开关进行控制。当系统出现故障导致交流供电中断时，独立供电系统将提供电源供应使得照明灯亮起。照明系统具有防爆功能，为集装箱内部的监控提供一个良好的照明环境。2.3.5 温湿检测系统设计 集装箱内部环境温湿度对设备正常运行有重要影响。因此在集装箱的两头位置，分别安装一个温湿度报警器，实时监测集装箱内的温度和湿度值，一旦发现温度和湿度超过设定的数值将启动空调进行温湿度的控制，当温湿度超过设定的最高报警值时，且时间超过10分钟，则启动报警器。定向后台监控传送过温及湿度过高报警信息。集装箱默认温度一级控制数值为30摄氏度，二级报警值为45摄氏度。集装箱默认湿度一级控制数值为80%，二级报警值为95%。通过在集装箱重要部位安装温湿度报警器对环境温湿度实现监测，既可在温湿度报警器表面实时看到当前的温度和湿度数值，亦可通过电池管理系统将数据上传远程监控平台，进行温湿度的远程实时监测。温湿度报警器供电由动环监控模块的输出提供。2.3.6 报警系统设计 系统具有报警系统，可以对火灾及雷击进行报警。在集装箱的顶部两端分别安装一个声光报警灯，安装方式为螺栓固定安装。能够为外界提供比较明显的信息，从而起到预警作用。同时通过电池管理系统将数据上传远程监控平台，进行远程报警监测。声光报警器供电由动环监控模块提供，电压为直流24V。2.3.7 消防系统消防系统由烟感探测器、温湿度报警器、声光报警器、手动干粉灭火器组成。该系统带有温度传感器，在温度达到报警值，或者检测到烟雾时，系统可以实现自动声光报警，提示进行手动灭火。2.3.8 隔热阻燃系统 本集装箱设计采用高品质隔热阻燃系统，全天候应对使用现场的各种情况。隔热阻燃材料采用岩棉，既能够保持集装箱的温度，又具有优良的阻燃性能。2.3.9 电气连锁系统集装箱内配置烟雾传感器、温湿度报警器等安全设备，烟雾传感器和温湿度报警器和系统的控制开关形成电气连锁，一旦检测到故障，集装箱通过声光报警和远程通信的方式通知用户，同时，切掉正在运行的电池成套设备。防止电气事故的发生。2.3.10 机械连锁系统 集装箱在室外露天条件下不会被偷盗者打开，可保证在偷盗者试图打开集装箱时产生威胁性报警信号，同时，通过远程通信方式向后台报警，该报警功能也可由用户手动屏蔽。2.3.11 安全逃生 集装箱内有明确的安全逃生通道标示。一旦发生危险，人员可以根据安全标示迅速逃离现场，并且可手动控制报警系统通知用户和手动切掉正在运行的成套电池设备。逃生通道标志使用圆形夜光方向牌贴于地上。逃生通道标志如下图所示。 逃生示意图如下图所示。2.3.12 应急系统当蓄电池完全失去电力情况下并且门打开的情况下，应急灯将亮起。应急灯由动环监控模块控制，当动环监控模块完全失去电力时，应急灯亮起。2.3.13 独立供电系统动力配电箱使用1路单独的直流供电电源向动环监控设备、BMS和照明灯独立供电。此系统可以保证当外部供电故障时，保证动环监控模块和BMS继续工作，向集中监控系统上传信息；同时照明灯正常工作，保证箱内照明需求。2.3.14 湿度控制系统集装箱为一个封闭的空间，如果内外温差较大，会在集装箱内部产生凝露，影响电气的安全性，温湿度传感器监控箱内湿度，当湿度超过80%，空调将启动除湿功能，使箱内湿度降至40%的安全范围内。2.3.15 排氢系统集装箱内铅酸电池会泄露少量的氢气，因此需要及时排出氢气。排氢扇、氢气传感器和动环监控模块共同组成了排氢系统。氢气传感器动态检测氢气浓度，把氢气浓度信号传输给动环监控模块，如果氢气浓度超标，动环监控模块发送控制信号，启动排氢扇，进行排氢。排氢门窗自动控制，排氢路线如下图绿色线所示。2.3.16 动环监控系统设计总体方案集装箱监控系统采用一体化监控模块监控环境因素与安全状况，包括温度、湿度、消防、防盗等。当检测到该状态量超过设定的安全阈值，系统将通过RS485 方式上报给BMS，然后BMS在上报给SCADA。 监控系统总体方案框图如下。功能描述1)一体化监控模块实时采集温度、湿度、烟感传感器，达到预定阈值将同时产生声光告警，启动集装箱警报系统，同时把告警状态上报给BMS；2)一体化监控模块实时监测内部电源220V状态，一旦220V掉电，将自动开启应急电源系统；3)一体化监控模块可根据门禁控制机柜照明灯，任何一个门打开，照明灯亮，所有门关闭，照明灯灭。4)一体监控模块实时监控空调状态，可以远程监控空调的加热和制冷状态。5)一体监控模块可以实时控制排风扇进行集装箱换气。动环监控模块动环监控模块安装在动环监控箱内，主要完成监控信号采集输入和设备控制信号输出功能。动环监控箱内部供电如下图所示。采集的信号为：箱内数字温湿度传感器信号，烟雾传感器信号，门禁信号，氢气传感器信号，箱外温度信号，雷击报警信号。输出控制信号分别为：声光报警器信号，空调控制信号，排氢风机控制信号，加热设备控制信号（预留）。模块功能框图如下所示。另外，预留3路模拟信号输入接口，预留3路开关量输入输出。预留1路485通信端口。2.4 集装箱温控方案集装箱使用保温材料进行密封，同空调设备制冷设备和动环监控模块共同组成了完善的温控系统。当集装箱内部空气温度超过第一级设定值时（出厂默认设置35），将进行温度过高预警，预警信号通过声光报警和远程报警的形式传送；当集装箱内部空气温度超过第二级设定值时（出厂默认设置45），将从电气上切除整个集装箱并进行声光报警和远程报警；温度报警和保护阈值可由用户设置，出厂时，所有设备的初始设置值完全相同。集装箱内布置336只电池温度传感器，2只集装箱内温度传感器，1只外部温度传感器，15kw空调主机（采用半导体制冷元件，陶瓷制热元件，总制热功率15kw，制冷5kw）。通过综合内外温度传感器采集到的温度，进行智能判断，提供最佳的节能方案。本集装箱有339个温度采样点；温度调控设备，执行温度调节控制。本温控方案温度调控设备采用1 台空调制冷和加热膜进行升温。具体温度控制策略如下：1.由待机状态起机模式：当集装箱内温度低于0时，空调启动加热, 持续加热到10，然后允许电池进入正常的工作状态，即充放电状态。2.正常运行状态模式：当集装箱内温度低于5时，启动加热；当集装箱内温度高于30时，启动制冷。温控系统保持集装箱内温度维持在 530。本系统选用的SC系列空调一体机是一款节能型空调，除了具备机房专用空调的高能效比、高显热比的节能效果外，还把自然冷源制冷（热管系统）集成机械制冷（压缩机系统）于一体，实现双循环制冷模式，根据基站内部的热负荷以及外界环境温度智能地选择工作模式，实现最优的节能效果，可确保40英尺标准集装箱空间在11.5分钟内从零下30度上升到0度以上。在空调机组的冷凝器进、出风口四周贴15mm厚保温棉，保温棉应粘贴平整、牢固，粘贴完毕后在保温棉与机组接缝的内框、保温棉贴墙面及四边接口处打胶密封。用户可根据现场情况选择安装配件，配件包括室外进出风口遮雨罩（选配件）。防护网安装在遮雨罩入口处，可以防止可能的大型异物进入空调机组。在出入风口处可以检测灰尘度，通过灰尘的多少，决定是否清洗防尘沙网。过滤网属于日常维护易损部件，其更换周期与机房密封状况以及清洁状况有直接的关系。通常情况下，为保证空调机的正常有效运行，过滤网每月检查一次，并在清洁状况较差时清洗。型号为SC07-H1 具体配置如下型号SC07-H1电压（V）3380V/50Hz机械制冷模式制冷量（kW）7.5热管冷却模式显热制冷量425W/K机械制冷模式输入功率（kW）2.8热管冷却模式输入功率（kW）0.8机组最大功率（kW）5.5最大电流FLA（A）15.7加热量(kW)9加热电流(A)13.6内循环风量(CMH)4000高*宽*深（mm）2000*900*700重量（kg）2203 电池组串成组方案名称成组单元设备组成详图容量单体采用2V1000Ah管式胶体铅酸蓄电池2V1000Ah2KWh电池簇24只2V1000Ah管式胶体铅酸蓄电池串联组成一簇，配备一台蓄电池监控模块。蓄电池簇48V1000h48KWh蓄电池簇监控单元电池组单元14簇电池组串联组成一组电池组单元，配备一台蓄电池组控制单元电池组单元672V/1000Ah672kWh电池组控制单元储能系统单元3组电池组单元独立分两路接入一台双极式单级500KW PCS构成一组储能单元，配备一台直流配电柜。电池管理系统BMU，500KW，PCS电池组单元500KW/2.016MWh直流配电柜BMUPCS7MW/28MWh储能系统14组500KW/2.016MWh储能系统单元并联构成7MW/28MWh储能系统储能系统单元7MW/28.224MWh就地监控系统以上成组方案，充分考虑了电池多组并联时产生环流的问题，也充分考虑了系统的走线主载流量，电池簇内采用铜排联结，载流量500A，满足系统运行需求，在跨簇联结时采用铜线联结形式，载流量500A。系统设计多级开关保护，方便接线及系统控制。3.1 电池组串内部及组间连接方案连接件名称图片材质电池间连接铜排外包绝缘护套电池簇间相连铜排外包绝缘护套层间联结铜排外包绝缘护套，通过绝缘端子固定于支架侧边电池组出线固定于电池架侧方的接线端子，外加绝缘护套。BMS系统电压测试与均流线连结方案采用专用卡件与套于蓄电池端子，在电池组件连接时与铜排一同固定。BMU单元固定采用镙丝直接固定于电池簇支架一侧3.2 系统拓扑图铜排联结，整体稳固体好，可能减少后续运行过程中由于振动及其它原因导致的接线端子松动现象。此外采用了全护套铜排及绝缘端子帽保护，提升电池组的安全绝缘等级。下图表示了储能系统整体联方案，电池组间内部通过铜排连接。电池组至直流配电柜通过电缆连接，电缆通过底部电缆沟进入直流配电柜。BMS系统弱电走线与直流线路分开，减少干拢，弱电线路通过铁质线管引至直流配电柜或采用带屏蔽层电缆。直流配电柜至PCS采用电缆经由电缆沟接入PCS直流侧输入断路器，BMMS通信线缆经由电缆沟，通过铁质线管引入PCS和储能系统就地监控系统。4 蓄电池管理系统(BMS)4.1 BMS系统整体构架本次BMS系统是根据大规模储能电池阵列的特点设计的电池管理系统，本系统使用铅酸电池为储能单元的储能电池阵列，用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合，包括：监测并传递铅酸电池、电池组及电池系统单元的运行状态信息，如电池电压、电流、温度、内阻以及保护量等；评估计算电池的荷电状态SOC、寿命健康状态SOH及电池累计处理能量等；保护电池安全等。系统整体结构图本BMS系统由ESMU、ESGU与BMM构成：ESMU(Energy Storage System Management Unit)储能系统管理单元,该管理单元对BMM上传的电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及记录存储；每台ESMU管理两台ESGU模块。ESGU(Energy Storage Battery Group Control Unit)电池组控制单元,ESGU主要是对整组电池的运行信息收集，采集整组电池的总电压和电流，对电池组出现的异常进行报警和保护；每台ESGU管理14簇电池。BMM(Battery Monitoring Module)蓄电池组监护模块,该单元集电池运行信息监测采集、自动充电、放电均衡管理、在线内阻测试、故障诊断等功能于一体。每个模块可以管理一簇（24只）单体蓄电池。每组电池单元对应14簇电池，14台BMM。该BMS系统有如下特点：全面电池信息管理，在线SOC诊断，无损主动均衡充电管理，系统保护功能，热管理功能，自我故障诊断与容错技术，专业的负荷联动控制及优化，灵活的模块化设计。4.2 BMS系统主要设备介绍电池监测模块BMM3.1该单元集电池运行信息监测采集、充电均衡管理、故障诊断等功能于一体。设计紧凑合理，高度集成，各单元间采用隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。每一个模块可对24串电池进行监测和维护，可连接多路温度传感器，储能电池管理模块之间及与储能系统管理单元之间采用RS485或CAN连接。 在线自动检测每节蓄电池电压、蓄电池组端电压、充放电电流和温度等； 实时报警功能，实现对电压、温度、电流的超限报警； 现场报警，干节点输出闭合，可实现远端计算机报警并显示报警内容； 在线自动定期（周期可设）测试蓄电池内阻； 具有RS485/或CAN通讯接口，可接入监控系统或现场采集单元，实现数据和告警信息上送，达到远程监控蓄电池组的目的； 采用模块化设计，安装、使用和维护方便，且模块间相互隔离、可靠性高； 产品具有蓄电池组在线均衡维护功能，可通过对单体蓄电池在线小电流充电，提高蓄电池组电压一致性，达到延缓蓄电池失效的目的。储能电池监测模块BMM3.1实物图电池组控制模块ESGUESGU主要是对整组电池的运行信息收集，采集整组电池的总电压和电流，对电池组出现的异常进行报警和保护；能根据安全处理规则的要求对电池组进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，储能系统管理单元发出命令至该单元，控制整组电池的开断，避免电池被过充、过放和过流。 具体功能具备系统上电自检功能，主要包括所有传感器、系统状态等；具备电池组端电压、电流、温度等检测功能；具有电池正负极对机壳的绝缘检测功能；具有管理主接触器控制及主接触器反馈信号检测功能；异常报警及硬接点保护控制功能；具备CAN/ RS485总线通讯功能。图：电池组控制模块ESGU实物图储能系统管理单元ESMU对BMM3.1上传的电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及记录存储，此外，可一对一实现与PCS主机、储能调度监控系统等进行联动控制，根据输出功率要求及各组电池的SOC优化负荷控制策略，保证所有电池组的总运行时间趋于一致。 具体功能a.监测显示数据1）监测显示单体电池电压数据。2）监测显示电流数据。3）监测显示温度。温度包括：环境温度、BMM3.1的数据。b.报警功能1）通讯连接报警。2）温度过高或者过低报警。3）单体电压过高及过低报警。4）组端电压过高或者过低报警。5）BMM3.1错误报警。c.保护1）单体电压过低或者过高保护。2）温度过低或者过高保护。3）组端电压过高或者过低保护。d.参数设置1）电池组安装及运行参数的设置2）网络通讯参数设置3）接口协议参数设置4）ESGU参数设置 图：储能系统管理单元实物图4.3 BMS系统保护方式1、储能用BMS和PCS及后台都有数据通信，通信方式与PCS是以太网或RS485的方式，与后台监控是以太网的方式，采用的通信协议都是Modbus或IEC61850（可选），确保当BMS 和PCS 间出现通信异常时，BMS 、电池、后台能正常工作，能却把电池和BMS 正常运行。2、电池管理系统BMS与后台通信采用标准Modbus协议或IEC61850（可选），具有高性能、高可靠性、实时性的通讯能力，具有多种错误检测方式，保证庞大数据量上传及指令下发的准确性和及时性。3、BMS通过以太网（RS485）和两路硬接点两种方式与PCS进行联系，保证在电池组出现严重故障时及时停运。4.4 BMS系统通信方案整个储能系统容量为28MWh；系统由14台PCS的电池单元组成，系统采用2V/1000Ah的铅酸单体电池。储能系统采用336节2V/1000Ah的电池组串连构成一组电池，三组电池并联构成一个电池单元，每个电池单元容量为3MWh，即336节2V1000Ah32.016MWh；每个最小模块支持24节单体电池，336节电池需要336/24=14个模块；整个储能系统14个电池单元累计总容量为2.016MWH1428.224MWH；储能逆变器的常见效率在9295，所以整个储能的实际容量为28.224MWH0.9225.97MWh，架构如下：系统在直流侧采用三组电池并联后接入单级式500KW PCS，电池簇接入PCS的功能示意图如下：储能系统总容量为336节2V1000Ah3组14PCS9225.97MWh，系统采用铅酸电池作为储能单元，采用带主动无损均衡和容量诊断的电池管理系统（BMS），采用目前市面上成熟的双向逆变器（PCS）组成，整个系统由后台统一控制，电池采用电池架立式安装。