电池储能系统集成技术与应用

1.本书由阳光电源股份有限公司余勇研究员、浙江大学年珩教授联合撰写。
2.本书的内容源于作者及其所在团队多年的技术研究与积累。
3.本书较为系统和全面地阐述电池储能系统硬件集成、软件控制和典型应用。
4.电池储能系统集成技术已经成为电池储能技术发展中的研究热点与难点。

《电池储能系统集成技术与应用》较为系统和全面地论述了电池储能系统集成技术所面临的问题与任务、系统架构、关键设备、运行控制、电气设计、结构设计、热设计、消防安全设计、通信与控制、设备集成与安装调试、建模仿真及先进技术应用展望等，*后介绍了典型应用案例与系统产品。
   《电池储能系统集成技术与应用》的内容源于作者及其所在团队多年的技术研究与积累，写作的初衷旨在为从事电池储能系统集成设计的工程师、高等院校从事储能系统研究的教师和学生提供参考，目的在于抛砖引玉，促进电池储能系统集成技术在我国的发展。

阳光电源股份有限公司余勇博士，研究员，IEEE PES储能系统与装备分会常务理事，中国电机工程学会新能源并网与运行专业委员会委员。自2006年加入阳光电源股份有限公司以来，一直从事变流器、储能系统的研究与开发工作，对储能系统的设计开发、运行机理、应用需求、功能特性等均有着十分深入的理解。领导研发的储能系统相关产品在国内外得到了大量的工程应用，从我国西藏海拔5000m的数十兆瓦级县域微电网，到马尔代夫数百千瓦级海岛微电网；从北美工商业需求侧响应，到常规发电机组黑起动；从各国风光储辅助新能源并网，到国内火储联合AGC（自动发电控制）调频，再到欧洲独立一次调频，积累了丰富的储能系统集成与应用经验。主持或参与科研任务8项，省级1项，已有50余项发明专利获得授权，参与起草已发布国家标准2项，获得了国家科技进步二等奖、西藏自治区科学技术一等奖、新疆维吾尔自治区科学技术进步二等奖、中国电力科学技术进步一等奖、庐州英才等奖项或荣誉。

    浙江大学年珩教授，IEEE高级会员，长期致力于新能源系统运行与控制技术研究，相继获得国家自然科学基金项目青年基金、面上基金以及国家重点研发计划等资助，对实际复杂电网环境下新能源及储能系统的基础理论与关键技术进行了持续的研究，在系统精确建模、稳态性能提升、暂态故障穿越等方面开展了长期、深入、富有创新性的研究。迄今已在新能源领域发表SCI/EI 论文170余篇，研究成果已在工业界得到大量成功应用。

目　　录

前言
作者简介
第1章　绪论 1
1.1　储能市场概况 1
1.2　电池储能的发展趋势 4
1.3　电池储能系统的基本特点与面临的挑战 9
1.4　电池储能系统集成技术的任务 10
1.5　本书主要内容 12
参考文献 13
第2章　电池储能系统架构与关键设备 15
2.1　电池储能系统架构 15
2.2　电池储能系统性能指标 16
2.3　电池及电池管理系统 19
2.3.1　先进铅酸电池 19
2.3.2　全钒液流电池 22
2.3.3　锂离子电池 27
2.4　储能变流器 33
2.5　电池储能系统成本分析 38
2.6　小结 39
参考文献 39
第3章　电池储能系统主要应用与解决方案 43
3.1　火储联合调频系统 43
3.1.1　火电机组AGC基本原理 43
3.1.2　火储联合系统 45
3.2　辅助新能源并网 47
3.2.1　削峰填谷 48
3.2.2　提高预测精度 50
3.2.3　平滑 53
3.2.4　 直流耦合系统及控制 55
3.3　一次调频 61
3.3.1　独立一次调频 61
3.3.2　新能源配置储能系统实现一次调频 62
3.4　微电网 65
3.4.1　交流母线微电网 66
3.4.2　直流母线微电网 68
3.4.3　无缝切换 69
3.4.4　微电网能量管理系统 70
3.5　小结 72
参考文献 72
第4章　电池储能系统电气设计 76
4.1　电气系统概述 76
4.2　低压开关柜设计 77
4.2.1　电气绝缘 77
4.2.2　导体设计 81
4.2.3　短路故障导体应力计算 84
4.2.4　低压断路器 91
4.2.5　交流低压SPD 95
4.3　变压器 101
4.3.1　变压器的选型 101
4.3.2　交流接地方式 103
4.4　高压开关柜 106
4.4.1　高压开关柜的选型 106
4.4.2　中置柜 107
4.4.3　环网柜 109
4.4.4　C-GIS 113
4.4.5　高压电力线缆的选型 114
4.4.6　高压避雷器 115
4.5　电池汇流柜的设计 116
4.5.1　直流汇流回路设计 116
4.5.2　直流侧极间短路故障分析 121
4.6　控制配电设计 128
4.7　电池储能系统并网对配电网的影响 129
4.8　小结 133
参考文献 133
第5章　电池储能系统结构与安全设计 140
5.1　整体结构 140
5.2　围护结构与布局 144
5.3　接地与静电防护 146
5.4　热管理系统设计 147
5.4.1　散热冷却方式 148
5.4.2　电池功耗发热量计算 153
5.4.3　外部静渗入热量计算 155
5.4.4　温控系统功率计算及控制逻辑 158
5.5　结构与散热仿真 161
5.6　系统火灾与自动灭火系统设计 165
5.6.1　火灾与电池热失控 165
5.6.2　自动灭火系统设计 169
5.6.3　火探管灭火系统 180
5.7　小结 181
参考文献 182
第6章　电池储能系统本地控制与远程通信 186
6.1　电池储能系统本地控制与管理 186
6.1.1　本地控制器硬件平台 187
6.1.2　电池储能系统内部通信方式 188
6.1.3　本地控制器软件架构 193
6.1.4　电池储能系统运行状态与控制逻辑 195
6.2　电池储能系统监控与能量管理 200
6.2.1　电池储能系统通信设备配置 200
6.2.2　电池储能系统站级SCADA系统 201
6.2.3　能量管理系统 203
6.3　IEC 61850在电池储能系统中的应用 206
6.3.1　IEC 61850系列标准 206
6.3.2　IEC 61850技术特点 209
6.3.3　IEC 61850建模的基本概念 210
6.3.4　电池储能系统的IEC 61850建模 215
6.4　小结 219
参考文献 220
第7章　电池储能系统设备集成安装与检验 222
7.1　集装箱及户外柜检验 222
7.2　电气设备安装与检验 223
7.2.1　高压开关柜安装与检验 223
7.2.2　变压器安装与检验 228
7.2.3　低压开关柜安装与检验 229
7.2.4　储能变流器安装与检验 231
7.2.5　直流汇流柜及直流线缆安装与检验 232
7.3　温控系统安装与检验 234
7.4　消防系统安装与检验 236
7.5　电池储能系统出厂调试 237
7.6　电池储能系统起吊运输与现场安装 239
7.6.1　起吊运输 239
7.6.2　现场安装 240
7.7　小结 241
参考文献 242
第8章　电池储能系统建模与仿真 243
8.1　储能电池建模 243
8.1.1　常用电池模型 243
8.1.2　改进型电池模型 244
8.2　锂离子电池仿真分析 246
8.3　铅酸电池仿真分析 249
8.4　储能变流器建模与控制 252
8.4.1　储能变流器同步旋转坐标系建模  252
8.4.2　储能变流器矢量控制 255
8.4.3　储能变流器虚拟同步机控制 256
8.5　系统仿真 259
8.5.1　调频控制 259
8.5.2　调压控制 263
8.5.3　紧急功率支撑 267
8.5.4　调峰控制 268
8.5.5　计及SOC变化的电池储能系统控制 270
8.6　小结 273
参考文献 273
第9章　先进技术在电池储能系统中的应用展望 275
9.1　电池储能系统与物联网 275
9.1.1　物联网概述 275
9.1.2　物联网技术在电池储能系统中的应用 276
9.1.3　物联网对电池储能系统的要求 279
9.2　神经网络技术在电池储能系统中的应用 279
9.2.1　基于神经网络的电池储能系统实时容量识别 280
9.2.2　基于神经网络的电池储能系统软故障状态识别与保护 284
9.2.3　神经网络技术在电池储能系统中的应用展望 287
9.3　电池储能系统与区块链技术 288
9.3.1　区块链技术概述 288
9.3.2　共享储能技术 290
9.3.3　基于区块链技术的共享储能交易体系 291
9.3.4　基于区块链技术的共享储能商业运营思考 296
9.4　小结 297
参考文献 298
第10章　储能集成技术典型应用案例与系统 301
10.1　典型应用案例 301
10.1.1　双湖微电网 301
10.1.2　兆光火储联合调频系统 305
10.1.3　日本直流光储项目 308
10.1.4　夏威夷风储项目 311
10.2　典型电池储能系统 312
10.2.1　Younicos电池储能系统 312
10.2.2　CellCube电池储能系统 313
10.2.3　Ingeteam电池储能系统 315
10.2.4　Power Electronics电池储能系统 317
10.3　小结 318

前　　言

    随着新能源大规模并网与智能电网的建设，电池储能系统近年来受到了广泛关注并得到了大量应用。不论是在发电侧、电网侧，或是在负荷侧，电池储能系统都能够发挥双向功率控制和能量调控的作用，使得电力的生产者、调度者和消费者均能基于各自的安全考量和经济利益，从中汲取化价值，从而增强了电力管理的灵活性。特别是现代通信技术、大数据、人工智能等新技术的发展，进一步赋予了电池储能系统数字化、智能化的特征，使之能够在多样化的商业模式和市场体系下，促进新能源消纳、电力辅助服务、需求侧响应与综合智慧能源的融合发展。
    当前，各国按照各自的能源结构转型方向和战略目标，推动了大量的电池储能系统工程示范或商业化项目。预计2020-2022年，全球电池储能系统新增投运规划将超过16GW；我国也将在“十四五”期间逐步完成电池储能系统从商业化初期向规模化发展的转变。因此，面对电池储能系统容量不断扩大、应用场景日益增多的趋势，系统集成商的专业水平与技术能力都亟待进一步提升；而电池储能系统集成技术关系到系统内部各设备的优化运行、协调控制与联动保护、安全与寿命保障，并终实现电池储能系统在多种应用领域的安全、高效、一体化运行，已经成为电池储能技术发展中的研究热点与难点。
    电池储能系统集成技术，不仅涵盖系统本身的硬件集成与软件控制，还包括储能系统与应用场景的衔接与协同。除电气、电力电子、电化学、通信控制外，技术人员还应对应用领域相关知识，如电力系统、新能源发电、火储联合、需求侧响应及微电网等，有着较深入的研究与理解。上述学科的融合，将进一步优化电池储能系统容量与功率配置、设计与运行控制，确保良好的经济性和寿命的可预期性。
    《电池储能系统集成技术与应用》较为系统和全面地论述了电池储能系统集成技术所面临的问题与任务、基本系统架构、关键设备、运行控制、电气设计、结构设计、热设计、消防安全设计、通信与控制、设备集成与安装调试、建模仿真及先进技术应用展望等，后介绍了典型应用案例与系统产品。
    《电池储能系统集成技术与应用》的内容源于作者及其所在团队多年的技术研究与积累，写作的初衷旨在为从事电池储能系统集成设计的工程师、高等院校从事储能系统研究的教师和学生提供参考，目的在于抛砖引玉，促进电池储能系统集成技术在我国的发展。
   《电池储能系统集成技术与应用》由阳光电源股份有限公司余勇研究员、浙江大学年珩教授合作编著。其中，余勇研究员编写了全书大纲、前言以及第1-7章、第10章，年珩教授编写了第8章和第9章；全书由余勇研究员、年珩教授统稿。
    在《电池储能系统集成技术与应用》的编写过程中，得到了阳光电源股份有限公司董事长曹仁贤教授、赵为博士、合肥工业大学张兴教授等专家的关心与支持，在此一并向他们表示衷心的感谢；同时，感谢曹伟、李国宏、孙德亮、蔡壮、汪东林、刘牛、袁兴来以及其他一同进行储能系统技术研究与开拓的阳光电源股份有限公司的同事，书中涉及的很多工作也是来自于他们的艰辛劳动或受到了他们的启发；与本书有关的研究工作获得了“十二五”国家科技支撑项目“大型机械能-电能转换回收利用关键技术研究及示范（2014BAA04B02）”与“光伏微电网关键技术研究和核心设备研制（2015AA050607）”、国家重点研发计划项目“分布式光储发电集群灵活并网关键技术及示范（2016YFB0900300）”与“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究（2017YFB0903300）”的支持。
    电池储能系统集成技术与应用涉及的学科领域较多，应用场景更是不胜枚举，由于作者水平有限，对有些问题的探讨不够深入或浅尝辄止，书中也难免存在疏漏甚至谬误，敬请读者不吝指教。

                                作　者