一种模块化储能单元及电化学储能电站的制作方法

1.本实用新型涉及电能储存技术领域，具体涉及一种模块化储能单元及电化学储能电站。


背景技术：

2.随着经济的发展和社会的进步，以及人民生活水平的不断提高，负荷曲线呈现的峰谷差越来越大，这也造成了电力系统供需不平衡现象。同时风能、太阳能等可再生能源和智能电网产业的迅速崛起，储能技术成为万众瞩目的焦点。大规模储能技术被认为是支撑可再生能源普及的战略性技术，得到各国政府和企业界的高度关注。当前也建有一些大型的调峰电厂和抽水蓄能电站，但此类调峰成本都比较高，设备利用率低，资源浪费，同样也造成了发电成本的进一步提高。化学储能主要指蓄电池储能，蓄电池储能系统是使用范围最广的储能系统，蓄电池储能系统的优势在于一是成本较低，技术成熟，充放电倍数高，二是模块性好，可作为分布式能量储存装置。因此，蓄电池储能系统是风力发电和太阳能发电大规模并网储能和调节的首要选择技术之一。蓄电池储能系统一般用于变电站的负荷平定(即削峰填谷)、可再生能源发电系统(稳定电网)以及系统备用(起到旋转备用和事故应急备用)，因此在主动配网中有良好的应用前景。
3.由于集中式pcs成本较低且国内储能行业发展还处于初期阶段，因此目前传统的电化学储能电站大都采用集中式pcs。虽然这几年国内的中大型电化学储能电站如雨后春笋，各省市在电网侧和用户侧做了不少示范项目，但电化学储能电站几年运行下来，跟电化学储能电站设计时预期的寿命和运行状态相差甚远，甚至有些电站出现了爆炸、火灾等安全事故。
4.现有使用集中式pcs的电化学储能电站存在如下技术问题：
5.(1)集中式pcs的电化学储能电站，直流侧存在电池多级串并联，存在并联环流和容量损失，1年后容损＞5％，降低了电池包单元的容量利用率，且随着年限增加会持续扩大，即俗称的木桶短板效应；
6.(2)储能系统直流侧高压并联汇流，存在着直流拉弧风险，基于直流电无过零点的特性，直流端连接点越多，大电流所造成的拉弧风险越大，易造成火灾隐患；
7.(3)储能系统直流侧高压并联汇流，几千节电池中有一颗电池出现热失控易造成整个集装箱损毁，损失巨大；且系统使用的七氟丙烷灭火装置，无法有效熄灭由本身带有巨大能量的电池体出现的热失控而造成的火灾；
8.(4)由于集中式pcs的转换效率的下垂特性，充放电时无法始终工作在最高效率点；且存在多级直流汇流引起的直流线损，系统充放电效率＜88％；
9.(5)集中式pcs的电化学储能电站，电池先串联再并联，bms采用多级管理，系统复杂，可靠性低；且每个电池包单元都需高压箱，整个机柜还需要直流汇流柜，系统成本高；
10.(6)采用集装箱+定制设计，集装箱本体及系统标准化程度低，系统成本高，且很难规模化生产。
11.现有的采用集中式pcs的电化学储能电站，始终无法避免以上几点技术问题。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于提供一种模块化储能单元和储能电站，解决现有技术中集中式pcs的电化学储能电站存在的系统复杂、充放电效率低、安全性能低以及标准化程度低等问题。
13.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
14.一种模块化储能单元，集成了组串式pcs、电池包单元、bms单元、ems单元、温控单元、消防单元、交直流配电单元、远程监控单元，所述bms单元和ems单元分别与组串式pcs相连，所述组串式pcs的直流侧无需汇流，每个电池包单元直接接入组串式pcs，组成一个完整的、独立的模块化储能单元，所述组串式pcs的交流侧无需汇流，所述组串式pcs的交流测接入交直流配电单元，单个模块化储能单元可直接并网运行。目前集中式 pcs的电化学储能电站需要直流侧先汇流，再经过集中式pcs转变成交流，最后再并网，而本实用新型提供的组串式pcs模块化储能单元在pcs直流侧无汇流，每个电池包单元直接接入组串式pcs，组成一个模块化储能单元，然后每个模块化储能单元直接交流侧并网，也无需使用交流汇流箱和并网柜，有效简化系统；且pcs直流侧无并联汇流，大大降低了直流拉弧风险，大大降低了火灾隐患；且本实用新型提供的模块化储能单元采用标准化机柜+标准化单元模组，适用于大批量制造，规模化生产优势明显，生产制造成本较定制化储能电站大大降低，可实现中小型电化学储能电站的标准化、规模化建设；bms和 ems用于时刻监控电池的使用状态，为模块化储能单元的使用安全提供保障。
15.所述电池包单元由多个电池包串联而成；电池包单元采用单串设计，电池并联匹配损失为0，电池容量利用率提升5％以上，降低了木桶短板效应。
16.单个所述电池包单元的容量为100～200kwh，电压为600～800v。
17.所述bms包括bmu和bcmu，所述bmu与单个电池包相连，采集电池包内每个电芯的数据；所述bcmu与一个电池包单元相连的所有bmu相连，所述bcmu与所述组串式pcs相连；使用集中式pcs的电化学储能电站的bms单元是3级架构，bms 采用多级管理，系统复杂，可靠性低；本实用新型电池单元采用单串设计，bms采用主从管理，简单可靠，且bms简单2级管理，同时无需直流高压箱和直流配电柜，成本大大降低；bcmu直接与pcs通讯并管理，缩短电池保护、功率控制决策链，确保系统简单、稳定、可靠。
18.所述组串式pcs直流侧电压为600～900v，交流侧电压为300～450v。
19.所述模块化储能单元还包括消防装置、温控装置和远程控制装置；消防装置、温控装置和远程控制装置的设置可进一步提高储能单元的安全性能和标准化程度。
20.所述温控装置包括柜式空调；温控采用柜式空调，无需复杂的温控风道，不但制冷效果更佳而且低成本。
21.所述消防装置包括气溶胶灭火装置；模块化储能单元能量密度低，消防可用简单可靠的气溶胶消防装置，无需复杂的消防系统，提高可靠性的同时降低了成本；每个模块化储能单元都配备一套气溶胶灭火器，消防保护更有针对性，能第一时间处理本柜体的消防事故，不影响到其它的模块化储能单元，即使电池出现热失控仅仅损失一个电池柜，且消防容易控制，损失仅为集装箱电站的十分之一。
22.本实用新型还提供一种电化学储能电站，所述电化学储能电站由至少2个模块化储能单元并联而成。
23.所述并联的模块化储能单元无需交流汇流，直接多点并网建立所述电化学储能电站；由于每个模块化储能单元均是独立的储能系统，由多个模块化储能单元组成大型储能电站时，无需交流汇流，可直接多点并网建立电化学储能电站，因可以分布式多点并网，所以无需集装箱、空旷电站场地、直流汇流箱、交流汇流箱、并网柜、变压器、集装箱配电系统等设备，大大降低系统成本；电化学储能电站由于简化了消防单元和温控单元，提升消防效果和温控效果的同时，成本大幅降低。
24.本实用新型的有益效果为：
25.(1)本实用新型提供的模块化储能单元集成了组串式pcs、电池包单元、bms、ems、温控装置、消防装置、交直流配电器、远程监控装置等，组成一个完整的独立的储能系统，单个模块化储能单元可直接并网运行。由多个模块化储能单元组成大型储能电站时，无需交流汇流，也无需使用滤波回路，可直接多点并网建立电化学储能电站，有效简化系统。模块化储能单元采用标准化机柜+标准化单元模组，适用于大批量制造，规模化生产优势明显，生产制造成本较定制化储能电站大大降低。bms和ems用于时刻监控电池的使用状态，为模块化储能单元的使用安全提供保障。
26.(2)多个模块化储能单元组成电化学储能电站时无需交流汇流，可直接分布式多点并网，因此无需集装箱、空旷电站场地、直流汇流箱、交流汇流箱、并网柜、变压器、集装箱配电系统等设备，大大降低系统成本。
27.(3)所述电池包单元由多个电池包串联而成，无电池包单元并联，电池并联匹配损失为0，电池容量利用率提升5％以上，降低了木桶短板效应。
28.(4)电池包单元只串不并，bms采用主从管理，简单可靠，且bms简单2级管理，同时无需直流高压箱和直流配电柜，成本降低3-4％。
29.(5)pcs直流侧无并联汇流，大大降低了直流拉弧风险，大大降低了火灾隐患。
30.(6)模块化储能单元能量密度低，安全等级较低，消防可用简单可靠的气溶胶消防装置，无需复杂的消防系统，且低成本。每个模块化储能单元都配备一套气溶胶灭火装置，消防保护更有针对性，能第一时间处理本柜体的消防事故，不影响到其它的模块化储能单元，即使电池出现热失控仅仅损失一个电池柜，且消防容易控制，损失仅为集装箱电站的十分之一。
31.(7)温控用柜式空调，无需复杂的温控风道，不但制冷效果更佳，且低成本。
附图说明
32.图1：本实用新型模块化储能单元系统拓扑图。
33.图2：集中式pcs储能单元和本实用新型模块化储能单元电气一次系统示意图。
34.图3：集中式pcs储能单元和本实用新型模块化储能单元bms架构示意图。
35.附图标记：1、ac380v母线；2、组串式pcs；3、模块化储能单元；4、电池包单元。
具体实施方式
36.以下结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步详细的说明。
37.实施例1
38.如图1至3所示，本实用新型设计的模块化储能单元3，将电化学储能电站使用的集中式pcs(powercontrolsystem，储能变流器)换成组串式pcs2，模块化储能单元3集成了组串式pcs2、电池包单元4、bms(batterymanagementsystem，电池管理系统)、ems(energymanagementsystem，能量管理系统)、温控装置、消防装置、交直流配电单元、远程监控装置，组成一个完整的独立的储能系统，单个模块化储能单元3可直接并网运行。其中，电池包单元4由多个电池包串联而成。bms和ems分别与组串式pcs2相连，电池包单元4不经汇流而直接接入组串式pcs2的直流侧，所述组串式pcs2的交流测接入交直流配电系统，然后每个模块化储能单元3交流侧并网(如图2所示)。其中，温控装置为柜式空调，消防装置为气溶胶灭火器。模块化储能单元3采用标准化机柜+标准化单元模组，适用于大批量制造，规模化生产优势明显，生产制造成本较定制化储能电站大大降低。模块化储能单元3技术参数如表1所示.
39.表1
40.41.集中式pcs的电化学储能电站的bms单元是三级架构，bms采用多级管理，系统复杂，可靠性低，使用模块化储能单元3的电化学储能电站，bms单元是两级架构，包括 bmu(battery management unit，电池从控单元)和bcmu(battery control management unit，电池包单元管理单元)，每个bmu与一个电池包相连，用于监控单体电池，采集电池包内每个电芯的相关数据；多个电池包串联成电池包单元4，bcmu与一个电池包单元4相连的所有bmu相连，收取每个bmu上传的电芯实时数据，bcmu直接与pcs通讯并管理，缩短电池保护、功率控制决策链，确保系统简单、稳定、可靠(bms架构转变示意图如图 3所示)。
42.常规使用的集中式pcs的电化学储能电站直流侧存在电池多级串并联，存在并联环流和容量损失，1年后容损＞5％，降低了电池包单元4的容量利用率，且随着年限增加会持续扩大，即俗称的木桶短板效应；使用模块化储能单元3的电化学储能电站，消除了并联环流和容量损失，解决了木桶短板效应问题。
43.实施例2
44.电化学储能电站由至少两个模块化储能单元3并联而成，且模块化储能单元3可直接并联组成任何所需容量的大型电化学储能电站。假设一个模块化储能单元3是60kw/140kwh 的容量，每10个60kw/140kwh模块化储能单元3能组成标准的0.6mw/1.4mwh的储能系统。由多个模块化储能单元3组成大型储能电站时，无需交流汇流，可直接多点并网建立电化学储能电站。因可以分布式多点并网，所以无需集装箱、空旷电站场地、直流汇流箱、交流汇流箱、并网柜、变压器、集装箱配电系统等设备，大大降低系统成本。且简化了消防单元和温控单元，提升消防效果和制冷效果的同时，成本大幅降低。