焦煤集團5MW10MWh儲能技術方案

焦煤集團儲能技術方案

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Rev01新建2023-05-18

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I句第三方公開。-1-南京南瑞繼保電之箝南心言

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目錄

1總體概述.........................................................5

2儲能配置.........................................................5

3運行策略及經濟性分析...........................................6

3.1運行策略.................................................................6

3.2經濟性分析...............................................................6

3.2.1投資預算............................................................6

3.2.2運彳亍收益............................................................6

3.2.3風險提示............................................................7

4電氣一次系統方案................................................7

4.1電網接入方案.............................................................7

5系統構成及控制目標..............................................8

5.1主接線圖..................................................................8

5.2控制目標.................................................................9

5.3負荷構成及特性..........................................................9

6應急電源方案...................................................10

6.1準備工作.................................................................10

6.2黑啟動方案..............................................................10

6.3電源恢復.................................................................II

7變流升壓一體機技術方案.........................................11

7.1變流升壓一體機整體方案................................................11

7.2變流器...................................................................12

7.2.1變流器規格書.....................................................14

7.2.2變流器故障保護功能............................................17

7.3升壓變壓器..............................................................19

7.3.1變壓器型式......................................................19

7.3.2變壓器溫度監控...................................................20

7.3.3變壓器高壓室.....................................................20

7.3.4通訊動力柜........................................................20

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8電池艙技術方案.................................................21

8.1總體方案................................................................21

8.2電池及電池架...........................................................23

8.2.1電池單體..........................................................23

8.2.2電池模組..........................................................23

8.2.3電池簇.............................................................23

8.2.4電池架.............................................................24

8.3電池艙熱管理系統.......................................................25

8.3.1空調選型..........................................................25

8.3.2散熱仿真..........................................................25

8.4電池管理系統...........................................................26

8.4.1BMS三級構成....................................................26

8.4.2BMS具體功能....................................................27

8.4.3南瑞繼保BMS的技術優勢.......................................28

8.4.4高壓控制箱........................................................29

8.5匯流控制柜..............................................................30

8.6消防系統................................................................32

8.6.1方案概述..........................................................32

8.6.2電池艙防火設計...................................................32

8.6.3滅火設施及消防器材.............................................32

8.6.4火災報警系統及聯動.............................................33

8.6.5消防供電、防雷接地.............................................33

8.6.6防爆通風、空氣調節.............................................33

8.6.7防煙、排煙........................................................33

8.7艙體.....................................................................34

9電氣二次系統方案................................................35

9.1電氣二次設計原則.......................................................35

9.2二次系統通訊結構.......................................................35

9.3EMS方案................................................................36

9.3.1監控方案..........................................................36

9.3.2監控軟件方案.....................................................38

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9.3.3快速協調控制系統...............................................49

9.4繼電保護及安全自動裝置................................................55

9.4.1設計原則..........................................................55

9.4.2繼電保護及安全自動裝置配置..................................55

9.5系統供電方案............................................................57

9.6輔控系統方案...........................................................57

9.6.1視頻方案.........................................................57

9.6.2環境監測方案....................................................58

9.6.3消防滅火及報警聯動方案........................................58

10儲能系統供貨配置清單..........................................60

10.1儲能電池艙配置清單...................................................60

10.2變流升壓一體機配置清單...............................................60

10.3EMS配置清單..........................................................61

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1總體概述

本項目儲能電站接入項目所在的1OkV開關站，總容量5MW/1OMWh,以一回儲

能集電線路接入10kV母線，集電線路有2個2.5MW/5.018MWh(實際配置容

量)儲能單元。每個儲能單元由一個變流升壓一體機和一個電池艙構成。

配置EMS能量管理系統一套，實現儲能電站內所有信息采集顯示以及控制，

并與升壓站監控系統進行通訊，上送關鍵儲能信息，實現就地控制策略編制和執

行。

儲能電站配置視頻、消防報警等輔助監控設備。視頻攝像頭按艙布置，對電

池艙和變流升壓一體機實現實時監視，信息統一匯總后接入升壓站主控室。每個

儲能電池艙內配置一套完整的消防報警和自動滅火系統，變流升壓一體機設置火

災探測器，電池艙和變流升壓一體機的火災報警信息上傳至升壓站的主控室。

2儲能配置

根據收集到的2023年焦煤集團趙固二礦UOkV變電站10kV負荷資料，考慮

到儲能主要目的是作為井下重要負荷的應急電源，容量配置原則按照2小時，平

時運行50%儲能容量做峰谷套利。

(1)作為應急電源：趙固二礦最低保安負荷功率為3.88MW,考慮到不同安

保安負荷順序啟動，保安負荷帶變頻器的啟動功率暫按L5倍額定功率考慮，最

低保安負荷中單臺電機最大功率為L25MW,則儲能系統容量需求為：1.25MWX

1.5+2.63MW=4.505MWo

(2)平時峰谷套利：統計趙固二礦運行負荷功率可知，在一天中8:00-14:00

負荷功率較低，約為5-6MW左右。考慮到儲能充電時，不能導致系統容量電費

增加，即負荷功率與儲能充電功率之和，不能超過該系統受電容量；儲能放電

時，負荷可以有效利用儲能中電量。

綜上所述，建議配置5MW/10MWh儲能系統。其中5MWh儲能作為應急電

源，保障最低保安負荷；另外5MWh儲能峰谷套利，回收部分成本。

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3運行策略及經濟性分析

3.1運行策略

根據河南省2023年1月HOkV工業用戶代理電價計算（實際電價可能略有

差異），尖峰時段電價為1.342313元/度電，高峰時段電價為1.170126元/度電，

平時段電價為0.696279元/度電，低谷時段為0.342562元/度電。

根據分時電價時段，儲能系統可以實現每天兩充兩放。

第一次充電：23:00-7:00谷時電價時段充電，充電盡量采用小功率充電，避

免造成容量電費增加；

第一次放電:10:00-14:00尖高峰電價時段放電（7-8月時，12:00-14:00尖

峰電價時段放電）；

第二次充電：14:00~17:00平時電價時段充電，充電盡量采用小功率充電，

避免造成容量電費增加；

第二次放電：17:00~21:00尖高峰時電價時段放電。（7-8月時，20:00~21:00

尖峰電價時段放電，1、12月時，18:00~19:00尖峰電價時段放電）。

3.2經濟性分析

3.2.1投資預算

初步按儲能系統EPC總包1.8元/瓦時計算，項目總投資約為1800萬元。

3.2.2運行收益

收益主要來源于儲能系統峰谷套利，儲能在平谷時電價時段充電，在尖高峰

電價時段放電，從而產生二者之間的電費差。特殊情況下，如限電時，儲能還會

起到更大的應急支撐作用，保證辦公和部分生產，本章節暫不考慮該部分收益。

計算條件：考慮5MWh的儲能作為應急電源，剩余5MWh容量用于峰谷套

利，參考測算數據，儲能整體運行效約為85%,每年運行330天，每天按以上運

行策略兩充兩放，生命周期10年（電池效率EOL不低于70%）,折舊率5%。

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表1運行收益表

年限電池循環次數單年收益(元)逐年總收益(元)

1660￥1,941,197.75￥1,941,197.75

21320￥1,808,031.59￥3,749,229.34

31980￥1,699,730.49￥5,448,959.83

42640￥1,621,372.92￥7,070,332.75

53300￥1,559,922.89￥8,630,255.64

63960￥1,514,217.14￥10,144,472.78

74620￥1,482,267.16￥11,626,739.95

85280￥1,456,920.39￥13,083,660.34

95940￥1,432,007.06￥14,515,667.40

106600￥2,307,519.74￥16,823,187.13

從上表可知：

(1)僅考慮峰谷套利實現收益，大約10年可以收回1682萬元的成本。

3.2.3風險提示

(1)儲能電池逐年衰減效率無法準確評估;

(2)運行天數需要得以保障。

(3)以上計算中未考慮運維成本；

4電氣一次系統方案

4.1電網接入方案

5MW/10MWh儲能系統由2個2.5MW/5MWh儲能單元構成，每個儲能單元由

2組2.508MWh電池堆分別經2臺1250kW(1725kW降容使用)變流器逆變成

交流690V,2臺變流器交流側并聯接入升壓變的低壓繞組，如下圖儲能單元接

線示意圖所示，每臺升壓變的變比10kV/0.69kV,容量2500kVA,采用干變形

式。接入一個10kV間隔并網。如下圖儲能系統主接線示意圖。

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?,1995.

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至10kV觸集械

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圖4-1單個儲能系統主接線示意圖

5系統構成及控制目標

5.1主接線圖

焦煤集團趙固二礦變電站現有2臺110kV主變，10kV低壓側采用單母分段

接線方式，I段母線重要負荷為通風機I回，副井絞車I回，H段母線重要負荷

為通風機II回，副井絞車II回。5MW/10MWh儲能集電線路規劃接入10kVI

段備用間隔。

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趙固二礦變電站」

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5.2控制目標

本項目采用高安全性磷酸鐵鋰電池儲能方案，保證通風及提升系統安全平穩

運行，減少停電事故對生產安全的影響，滿足備用電源和削峰填谷功能使用。

正常情況儲能系統工作在削峰填谷模式，通過峰谷差價獲取收益，同時需保

留應急電源容量。離網情況作為應急電源給關鍵負載供電，關鍵負載的間斷供電

需控制在5min內。本方案僅考慮I段II段進線電源均失電場景，I段或H段

單電源失電后的恢復策略不在此方案范圍內。

5.3負荷構成及特性

儲能黑啟動前應明確黑啟動的范圍，范圍的確定應以實際需求及黑啟動能力

為根據。黑啟動范圍以外的回路應提前分斷電氣連接，以避免負荷過重和安全問

題。

確定黑啟動范圍后，應對范圍內的所有負荷進行統計，尤其應關注變壓器、

電機以及單個容量較大或啟動沖擊較大的負荷。本本項目關鍵負荷構成如下：

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AAA-Aigs南京南瑞城保電生日用公,

JN■*ZARI-RFlAYSFlECTRICC。LTD

趙固二礦最低保安負荷功率為3.88MW,考慮到不同安保安負荷順序啟動，

保安負荷帶變頻器的啟動功率暫按L5倍額定功率考慮，最低保安負荷中單臺電

機最大功率為1.25MW,則儲能系統容量需求為：1.25MWX

1.5+2.63MW=4.505MWo

原方案儲能配置容量5M肌滿足要求。

6應急電源方案

6.1準備工作

新增1臺故障解列裝置PCS-9658,采集儲能所在10kVI段母線電壓。

1）原升壓站備自投裝置檢測到I母首先失壓時，切I母進線電源及儲

能支路，合母聯開關。II母進線電源同時帶I、H母負載，此時若II母進線電

源也失電，I母失壓，故障解列裝置動作，切除母聯開關及I段母線所有支路開

關（包含進線電源和儲能支路），故障解列動作整定延時配合備自投時間。關鍵

負載僅需切除400V側開關，保障黑啟動時僅帶配變軟啟動。

開關全部按照動作邏輯分開后，運維人員在后臺檢查開關狀態，確保儲能黑

啟動前無負荷接入，且網側開關及母聯開關處于分閘狀態。同時，后臺畫面編制

校驗邏輯，可輔助運維人員確認準備條件。

2）原升壓站備自投裝置檢測到II母首先失壓時，切H母進線電源，

合母聯開關。I母進線電源同時帶I、H母負載，此時若I母進線電源也失電，

I母失壓，故障解列裝置動作，切除母聯開關及I段母線所有支路開關（包含進

線電源及儲能支路）。關鍵負載僅需切除400V側開關，保障黑啟動時僅帶配變

軟啟動。

開關位置確認工作同1）所述。

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6.2黑啟動方案

由于儲能系統中電池及PCS過載能力較弱，一般只允許1.ri.5倍的短時過

載。黑啟動時變壓器類負荷的勵磁涌流天然存在，需要PCS的電流輸出能力與勵

磁涌流匹配才能成功，同時要考慮電機類負荷的啟動沖擊電流影響，并保證充足

的電量存儲。

1）負荷必要性。原則上只給黑啟動過程中必須帶電的負荷供電，以減小儲

能的功率和能量需求。

2）負荷功率。單個負荷的額定功率不宜超過儲能容量的50%,負荷總功率不

宜超過儲能總容量的80%o

3）運行特性。對于較大容量的變壓器，應提前閉合輸入側開關，隨儲能系

統一同軟啟動；對于較大容量的電機類負荷，需配置變頻器或軟啟動設備。電壓

建立后不宜直接投入儲能容量10%以上的變壓器或電機。

4）電量保證。應根據黑啟動需要的電量，提前將電池剩余電量S0C調整到

合適范圍。緊急情況未能提前調整S0C時，根據S0C可運行至最低10%估算系統

黑啟動后能持續的供電時間。

確保上述條件滿足情況下，合儲能支路開關，切換儲能PCS運行在離網模式

下，電壓建立后逐步投入負荷。

6.3電源恢復

網側電源恢復時，協調控制裝置采集并網點兩側電壓值作為同期合閘的判

據。并網開關同期合閘，儲能PCS調整至PQ模式，實現無縫并網。

7變流升壓一體機技術方案

7.1變流升壓一體機整體方案

變流升壓一體機主要由儲能變流器、升壓變壓器等設備組成，升壓變壓器為

歐式箱變，是集干式變壓器、斷路器柜、通訊動力柜于一體的組合變壓器。

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6^6⑥1995.南京南瑞墉配電之用限公之

J■ZARI-RFlAYSFlECTRICC。LTD

變流器實現交直流變換的功率控制，升壓變壓器實現交流升壓和變流器隔

離，箱變高壓側的斷路器實現本儲能單元檢修和保護的開斷，通訊動力柜內集成

了變壓器測控保護、本儲能單元變流器和BMS的通訊，以及本儲能單元輔助信息

的采集，通訊動力柜包含自供電輔助變壓器及輔助配電回路，實現本儲能單元的

輔助供電。

A儲能單元2.5MW變流升壓一體機尺寸為（長*寬*高）：

7600*3000*2880mmo變流升壓一體機包含2臺PCS變流器戶外柜，1個2.5MVA

10kVA）.69kV升壓變壓器（歐式箱變，集成10kV斷路器柜、通訊動力柜），及其

他集裝箱輔助設備。具體內部配置如圖。

圖7-12.5MW變流升壓一體機布局圖

7.2變流器

PCS-9567儲能變流器采用基于IGBT的電壓源型換流器拓撲，通過交流側濾

波器實現對開關頻率諧波的濾波，通過交、直流側EMC濾波器實現對高頻諧波干

擾的濾波，直流側設置負荷開關和熔絲實現直流側故障的保護和隔離，交流側設

置接觸器和斷路器實現交流側電網的聯接以及故障的隔離。具有以下特點：

安全

?一二次倉分倉隔離設計，可靠性高

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南京南瑞繼保電用公足

1995,ZARI-RFlAYSFlFCTRICCCITD

?IP65高防護等級，可靠應對惡劣環境

?獨立循環散熱設計，提高散熱效率及可靠性

高效

?風冷散熱，系統損耗小

?PCS三電平拓撲，最高效率99%

電網友好

?PQ、構網等多種控制模式，適用各種應用場景

?支持IEC61850協議及快速通訊接口，毫秒級響應

?支持故障錄波，方便故障分析及定位

集成度高

?功率模組模塊化設計，便于運行維護

?單元積木功能，支持多柜交流側并聯

?功率及能量密度提升＞50%

PCS-9567儲能變流器可通過脈寬調制(PWM)靈活控制輸出的電壓相位和幅

值，利用輸出電壓與電網電壓的相位和幅值差，在輸出側濾波電感上形成有功和

無功電流，從而達到控制注入電網的有功、無功功率四象限運行的目的。

下圖為PCS-9567雙向儲能變流器的一次結構及二次原理圖：

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?,1995.品次南京南瑞繼保電W向用心川

■ENARI-RFlAYSFlFCTRICCOLTD

直流交流交流

斷路號DC/AC逆變接觸器斷路器

直流交流//

交流

EMI

滋波器EMI

濁波器灌波器

由

防雷器。接地

溫度,a流開出

i▼

人機交互采樣鎖相PLLVSGLVRT

開入

通訊管理電與統計開入PQ控制保護防孤島

通訊指令聯鎖保護

事件管理文件管理開出VF控制PWM控制絕緣監視

圖7-2PCS-9567儲能變流器一次結構及二次原理圖

圖7-3PCS-9567儲能變流器外觀

7.2.1變流器規格書

表7-1南瑞繼保儲能變流器參數

技術參數PCS-9567

直流電壓工作范圍1050V-1500V

直流最大輸入電壓1500V

最大輸入電流1833A

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余屬談南京南瑞繼保電w自限公白

1995.■、防&NARI-RFIAYSFlFCTRICCO1TO

額定交流電壓690V

額定頻率50Hz

交流額定交流電流1046A

1250kW

額定交流功率

（1750kWPCS降額使用）

最大輸出電流1150A

直流過欠壓保護支持

直流過流保護支持

直流反接保護支持

交流過欠壓保護支持

保護

交流過欠頻保護支持

交流過流保護支持

浪涌保護支持

接地保護支持

防護等級IP65

工作溫度范圍-35-50℃

系統相對濕度0-95%

冷卻方式自適應強制風冷

最高海拔6000（＞3000需降額使用）

尺寸1200W*2350H*1400Dmm

機械

重量1600kg

RS485支持

通訊以太網支持

高速光纖組網支持

雙向儲能變流器作為儲能裝置和電網的柔性接口，采用高可靠性智能化功率

模塊開發，通過充、放電一體化的設計，實現交流系統和直流系統的能量雙向流

動。南瑞繼保PCS-9567雙向儲能變流器主要能夠實現以下功能：

?準確靈活的充放電控制模式

提供CAN或以太網接口，實現與電池管理系統（BMS）的實時通訊，能夠準

確的監測當前電池的運行信息，不僅可以控制變流器的充、放電狀態，還可以方

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便的切換成恒流、恒壓或恒功率等多種充放電模式，從而實現以最優化的策略對

電池進行充放電控制。支持各種類型的儲能元件，不同型號僅控制軟件不同。

?并網運行模式和孤網運行模式的自由切換

PCS-9567既可以在并網運行模式下實現與電網的能量雙向交換，也可以在孤

網運行模式下作為主電源支撐孤網的運行，兩種運行模式可以自由切換。

?軟并網控制和電能質量控制

控制系統根據在線監測到的電網電壓信息，實時準確的控制變流器的輸出電

壓，能夠消除靜態和動態誤差，實現無沖擊并網。此外控制系統內部集成了諧波

在線監測功能，無需設置獨立的數據采集單元，通過通訊總線共享數據，增加獨

立的諧波分析軟件模塊，就能完成所有的分析數據計算功能，實現對并網電能的

優化控制，確保并網電能質量。

?響應EMS指令進行削峰填谷

可以在EMS（能量管理系統）的調度下，用電低谷時存儲電能，用電高峰時

釋放電能，減弱電網峰谷差，改善電網負荷特性，實現電力系統負荷水平控制和

負荷轉移。

?電網頻率和電網無功功率調節功能

并網運行時，與電網調度系統及AGC相配合，可實現電網一次和二次調頻；

與AVC相配合，可實現電網靜態無功控制。

?完備的自檢和保護功能

自檢的范圍覆蓋控制系統、10單元、變流器功率模塊及總線等相關設備。自

診斷的周期確保在1ms內檢測到系統內部的故障，并做出相應的閉鎖觸發脈沖或

跳閘響應。完善的各種繼電保護功能，有效保障變流器的正常運行。

?暫態故障錄波功能

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系統能連續記錄故障前和故障后一段時間內的信號。記錄的數據文件存放于

運行人員工作站的共享目錄，可以用于故障分析，文件格式為國際標準的

COMTRADE格式。

PCS-9567具有如下顯著特點：

?采用南京南瑞繼保電氣有限公司高性能高可靠性的UAPC平臺，友好的人機

界面；

?元器件采用進口高質量產品，保證裝置可靠安全運行，轉換效率高；

?具備全面的充放電限制功能，保證充放電過程中電池不過壓、不過溫，確保

充放電過程電池安全；

?完善可靠的保護功能，保證產品可靠安全運行，或安全迅速地保護停機；

?響應快速，充放電轉換時間短，參與電網調峰，緩解電網壓力；

?高電能質量，產品并網電能質量優于相關標準的技術指標要求；

?適應高海拔應用＜6000米（超過3000米需降額使用）；

?接口豐富，具有CAN、RS485、以太網等多種通信接口，便于對上、對下各

種通信方式實現。

7.2.2變流器故障保護功能

運行過程中，PCS-9567控制裝置會實時檢測自身工作狀態以及儲能電池和交

流電網的狀態，一旦檢測到故障及異常，變流器會停止工作，并發出報警信號。

?交流過/欠壓保護

變流器并網運行過程中，電網接口處的電網電壓允許偏差為額定值的±10%,

當電網電壓超出規定范圍時，變流器停止工作，并在控制裝置液晶顯示屏上顯示

相應的報警信息。

?交流過/欠頻保護

知識產權所有,未經正式許可，嚴禁奴制、使用、或

向第三方公開.

。迎--18-

1995.南京南瑞墉配電之用限公之

6^6J⑥■ZARI-RFlAYSFlECTRICC。LTD

變流器并網運行過程中，當電網頻率超出規定范圍時，變流器停止工作，并

在控制裝置液晶顯示屏上顯示相應的報警信息。

?交流過流保護

變流器并網運行過程中，電網發生短路時，變流器可限制交流輸出電流為額

定值的120%之內，同時在設定時間內將儲能裝置同電網斷開；當變流器嚴重過

流時，變流器觸發速斷保護，立刻并發出相應的報警信息。

?負序電流保護

變流器并網運行過程中，電網負序電流超出允許范圍時，逆變器停止向電網

供電，并發出相應的報警信息。

?負序電壓保護

逆變器并網運行過程中，當電網的負序電壓超出允許范圍時，逆變器停止工

作，并發出相應的報警信息。

?孤島檢測保護

PCS-9567儲能變流器裝置配置了主動式與被動式雙重孤島檢測方法，當電網

發生孤島故障時，變流器可迅速檢測出電網孤島故障，并將儲能裝置同電網斷

開，并發出相應的報警信息。

?直流過壓保護

PCS-9567儲能變流器根據電池的特性以及變流器內部的元件耐壓水平，綜合

確定直流過壓保護的限定值，當變流器檢測到輸入電壓高于此限