在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案_王宏建.pdf

第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案王宏建1，赖永春1，苏先进1，曾春保2，许林毅2（1漳州科华技术有限责任公司，福建 漳州 363000；2厦门科华数能科技有限公司，福建 厦门 361000）摘要：新型能源建设项目存在能源供应单一、用电管理简单、运行环境严苛、运行维护困难等问题，本文主要针对高原、极寒、海岛、沙漠等多种极端运行环境场景，提出了不同的解决方案。同时，针对传统风冷储能系统电量不均衡、电芯温差大、能量密度低等问题，提出液冷储能系统解决方案，可为相关项目的方案设计和运行维护提供建设性意见。关键词：新型能源建设项目；极端运行环境；液冷储能doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0380 中图分类号：TK 01 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）07-2349-06Solutions for new energy construction projects in extreme operating environments and liquid cooled energy storageWANG Hongjian1,LAI Yongchun1,SU Xianjin1,ZENG Chunbao2,XU Linyi2(1Zhangzhou Kehua Technology Co.,Ltd,Zhangzhou 363000,Fujian,China;2Xiamen Kehua Digital Energy Technology Co.,Ltd,Xiamen 361000,Fujian,China)Abstract:New energy construction projects typically face may issues,such as single energy supply,simple electricity management,harsh operating environments,and difficult operations.Therefore,this article mainly proposes different solutions for various extreme operating environments,such as high altitudes,extreme cold conditions,islands,and deserts.Liquid-cooled energy storage system solution is proposed to address the issues of imbalanced electricity,large temperature differences between battery cells,and low energy densities in traditional air-cooled energy storage systems.This article proposes solutions for new energy construction projects in extreme operating environments,and can provide constructive suggestions for the design and operation of related projects.Keywords:new energy construction projects;extreme operating environment;liquid-cooled energy storage system能源的供应灵活可替换是应对国家能源危机的必备良策。目前，我国不断完善供能结构，推进能源转型发展，加快构建新型能源体系。截至目前，不接入国家电网的高原、极寒、远海、岛礁、边防哨所等地，配置了光储柴等多能源互补微电网，极大改善了边疆生产生活的电能保障1。同时，部分科研院所配置了可接入国家电网的综合能源互补微电网，完善了电能保障的能源结构，探索了新型能资讯聚焦收稿日期：2023-06-02。第一作者及通讯联系人：王宏建（1993），男，硕士，工程师，研究方向为光伏、微网储能，E-mail：。引用本文：王宏建,赖永春,苏先进,等.在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案J.储能科学与技术,2023,12(7):2349-2354.Citation：WANG Hongjian,LAI Yongchun,SU Xianjin,et al.Solutions for new energy construction projects in extreme operating environments and liquid cooled energy storageJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2349-2354.2023 年第 12 卷储能科学与技术源示范项目的技术路线2。1 极端运行环境与解决方案新型能源建设项目的运行环境复杂，涵盖了高原、极寒、海岛、沙漠等多种极端环境3。场景不同，解决方案也不一样。新型能源建设项目通常由“源网荷储”四部分组成。在此基础上，通过能量管理系统EMS对源网荷储运行的数据进行采集、监测、控制、功率分配、事故分析及报警，实现无人值守。目前，新型能源建设项目通常为“光伏+储能+柴油发电机”型微电网，部分项目配置了风力发电机、制氢储氢系统。1.1高原环境1.1.1场景特点在新型能源建设项目中，高原点位的海拔30004500米，极少数点位超过了5000米。随着海拔的提高，首先，带来的是气压下降，海拔5000米的气压较水平面的气压降低了约40%，对柴油发电机的影响最大，造成气缸进气量减少、燃烧不充分、有黑炭沉积、冒黑烟等现象，导致动力性能变差；其次，造成设备的绝缘强度和性能下降，如金属的硬度变脆、断路器的动作时间变长等；然后，高原地区的太阳光紫外线和辐射强；最后，高原昼夜温差大。1.1.2解决方案针对柴油发电机动力性能变差，通过改进柴油发电机增压器来提高增压比，同时改变气阀和喷油正时；针对绝缘强度降低，对电气设备增大电气间隙和安规距离，提高空气绝缘耐压性能；针对设备性能下降，电气设备优选高原型，同时选用高容量的电气设备以应对设备降额，然后优先将设备放置于具备暖通设施的适宜工作温度环境。另外，户外选用耐低温电缆且放置在冻土层之下；针对太阳光紫外线强辐射大导致材料老化快，在设备及产品表面附上带有抗氧化剂的防护层；针对昼夜温差大带来的热胀冷缩特性，从材料选型上采用低膨胀系数、宽温域、长寿命的材料。针对昼夜温差大带来的凝霜凝露特性，在设备内部增加除湿器和加热器，延长风机工作时间，杜绝凝霜凝露产生。1.2极寒环境1.2.1场景特点在新型能源建设项目中，极寒环境出现在北部边疆以及高海拔地区，温度最低可达到-40，极大地影响了电子元器件工作、设备性能以及电池活性及使用寿命。1.2.2解决方案针对天气寒冷的特性，在室外长期运行和间歇性运行的设备，或设计在室外放置的设备，均应放置在有采暖设施的密闭空间，如室内或集装箱。避免在极寒环境下，电路板、控制板及电子元器件无法图1新型能源建设项目系统拓扑Fig.1Topology of new energy project system2350第 7 期王宏建等：在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案工作；户外电缆选用耐低温电缆且放置在冻土层之下；集装箱内设备可采用“柜内加热器+室内暖通设备”的双重保障，确保器件及设备可以正常工作。针对极寒环境极大影响储能电池的活性及使用寿命的问题，应确保电池长期在适宜的温度下工作或储存4，在极寒的环境下，若不能保证集装箱内部长期0 以上的温度，则要采用低温电池或特种电池。1.3海岛环境1.3.1场景特点在新型能源建设项目中，有一些远海、岛礁项目，空气湿度大盐雾大，有利于霉菌体肆意生长，影响设备外观。同时，霉菌分泌的酸性物质会破坏设备表面镀层，使元器件腐蚀，严重的话会造成电路板短路。在长期潮湿环境下会诱导光伏组件产生PID效应，极大地降低了光伏发电量，而且由此产生的漏电流会影响绝缘性能。另外，海岛上常常出现台风、飓风、暴雨等恶劣天气。1.3.2解决方案针对高温高湿高盐雾环境下的霉菌，各设备均需要增加防护等级和防腐等级，如电气设备表面使用防腐涂料且加强涂覆厚度、采用合金一体机身等设计，电气设备内部的电路板等器件加强涂覆等方式；针对空气湿度大，通过在设备内部增加风机和除湿器，杜绝冷凝和带电设备爬电现象的产生，同时增强绝缘性能；针对高温天气，室外运行的设备加强风机通风循环和风机冗余设计，或将设备放置在具备空调的室内或集装箱，降低高温对设备运行效率和寿命的影响。在储能制冷系统上，可以采用液冷系统代替风冷系统；针对光伏组件PID效应，采用具备PID防护和修复功能的光伏逆变器；针对恶劣天气，光伏组件采用地面铺设，不采用最佳倾角，抗风压设计满足15级以上台风设计，加强组件、支架与底座的固定以及基座的载重。1.4沙漠环境1.4.1场景特点在新型能源建设项目中，部分项目点位于沙漠地带，风大沙尘多，高温，干热，昼夜温差大。1.4.2解决方案针对风大沙尘多，接插件选用防尘型，设备的防护等级不低于IP65，同时避免沙尘刮伤，加强设备表面涂覆，并定期检查和打扫设备通风口。另外，针对风大沙尘多极易使光伏组件积灰尘，也可以根据曲线扫描，定位严重积灰的光伏组件位置。针对干热产生静电特性，设备要做到可靠接地，同时器件做好反击穿和灭弧措施。针对高温天气，解决方案同海岛环境下的措施。针对昼夜温差大导致的热胀冷缩和凝霜凝露，解决方案同高原环境下的措施。2 储能系统关键技术设计及应用针对新型能源建设项目的运行环境涵盖了高原、极寒、海岛、沙漠等多种极端复杂的运行环境，传统储能温控系统的解决方案多为风冷，存在电量不均衡、电芯温差大、能量密度低等问题，现推出液冷储能温控系统解决方案。2.1传统风冷储能系统解决方案传统风冷储能系统解决方案，可由储能变流器、储能电池系统、高压箱、电池管理系统、风冷空调、消防系统、配电系统、集装箱箱体等部分组成。电池拟采用280 Ah电芯，容量以3.5 MWh为例，传统风冷储能系统配置10簇电池簇，接入一台1.725 MW储能变流器，之后通过集电线路接到变压器后，并到国家电网，系统拓扑图如图2所示。传统风冷储能系统解决方案存在以下问题。（1）电量不均衡储能电池由电芯串联构成模组，由模组串联构成电池簇，再由电池簇并联构成电池堆，会出现“木桶效益”。即当某个电芯出现容量衰减或故障，会导致整簇储能电池容量输出异常；当容量少的一簇电池放电截止时，整个集装箱电池放电截止；当容量多的一簇电池充电截止时，整个电池箱电池充电截止。虽然电池管理系统会进行电量均衡，但是整个电池系统仍无法实现相同深度的充放电。（2）电芯温差大温控系统由集装箱空调、风道、风扇三部分组表1电池适宜温度Table 1Suitable temperature for battery序号123内容电池储存温度最大运行环境温度适宜运行环境温度温度范围/-3035放电：-2045充电：045放电：1535充电：153523512023 年第 12 卷储能科学与技术成。电芯产生的热量经由模组风扇吹出至集装箱内部，再经过空调同外界进行热交换，使电芯降温。但是，风冷无法快速均衡地导出电芯热量，导致电芯不同电池温差不同，部分电芯温度过高对电池循环寿命和系统安全等有影响。（3）能量密度低空调和风道占用了集装箱面积，使得集装箱电池能量密度变低，容量仍以3.5 MWh为例，部分集装箱尺寸达到 40 尺(12192 mm2438 mm2896 mm)。2.2新型液冷储能系统解决方案新型液冷储能系统的解决方案，仍以3.5 MWh为例，除了储能变流器、储能电池系统、高压箱、电池管理系统、风冷空调、消防系统、配电系统、集装箱箱体等部分组成的基础上，用DCDC簇级控制器代替了高压箱，用液冷管道代替了风冷管道，系统拓扑图如图3所示。新型液冷储能系统的解决方案采用了如下多种先进关键技术。（1）智能设计针对簇间电量、簇内各模组和各电芯的电压差异，簇级控制器和电池管理系统共同实现电量的主动均衡。针对某簇电池运行故障，簇级控制器实现故障快速切除。针对某簇电池电池过充或热失控等情况，簇级控制器实现主动限流或保护控制。通过智能设计，系统可实现年可利用率99%，提升全生命周期可充放电容量6%，提高电池循环寿命3%。（2）高效散热电池长期处于不适宜的工作温度(如高温或低温)，会影响电池的运行效率和循环寿命5。针对散热介质，由原来的风冷更改为液冷，对模组进行立体化降温。针对模组级散热不均衡，将每个模组都布置液冷管道，通过对模组温度传感采样和3D仿真，采用流道同程化散热均衡设计、多维度并联分流、流量流速设计，实现模组内部各电芯的温度均衡。针对系统级散热，对液冷管道和热交换通道采用冷热分离均流的结构设计，优化系统实现快速散热。新型液冷储能系统，除在散热介质和散热管道图3新型液冷储能系统拓扑Fig.3Topology of liquid-cooled energy storage system图2传统风冷储能系统拓扑Fig.2Topology of air-cooled energy storage system2352第 7 期王宏建等：在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案的设计外，还研发出智能温控均衡控制技术和运行控制策略，使得液冷储能系统内部温差不超过5，任一模组之间温差不超过3，从而预测系统使用寿命提升约13%。在能量管理系统显示界面上，如图7所示，可直观显示全系统模组级SOC、充放电功率、模组级温度、系统温度、故障模组等关键信息，进行运行预警和精准故障定位。（3）提高系统能量密度采用标准模块化设计，仍以3.5 MWh为例，采用液冷方式，系统总重量35吨，可以集成在20尺（6058 mm2438 mm2896 mm)集装箱中。针对10 MW/20 MWh系统单元，液冷储能系统标准程度高，比风冷储能系统节省占地面积40%以上。（4）安全设计储能安全是重中之重，液冷储能系统采用了“三级消防-三级防爆-三级绝缘”的高度智能安全控制技术。三级消防：模组级别，分别在模组内部布置气溶胶；系统级别，通过在集装箱和模组内部的烟感温感探头检测，采用七氟丙烷或全氟己酮为消防介质的气体全浸没消防，同时采用水为消防介质的水喷淋消防。气体消防主要作用为迅速灭火，水消防主要作用为持续降温避免复燃；集装箱级别，内部图4模组温度仿真Fig.4Simulation of module temperature图5流道温度仿真Fig.5Simulation of circulation channel temperature图6系统温度仿真Fig.6Simulation of system temperature图7系统温度仿真Fig.7Simulation of system temperature23532023 年第 12 卷储能科学与技术放置手持消防灭火器。三级防爆：分别在电芯、模组、集装箱上进行设置，降低火灾和事故带来的影响。三级绝缘：分别在模组级做直流侧绝缘检测及分断，在簇级控制器做直流侧绝缘检测及分断，在储能变流器做交流侧绝缘检测及分断，增强系统可靠性。（5）关键器件寿命预测随着新型能源建设项目多年运行后，系统中的大功率开关器件、母线电容、风机等易耗易损件逐渐老化及失效，通过应用数据采集、比对以及AI算法，实现数据分析、故障预测、器件寿命预测等功能，提升产品智能化水平及产品可靠性。3 结论针对新型能源建设项目的运行环境复杂，本文对高原、极寒、海岛、沙漠等多种极端运行环境场景，提出了解决方案。针对传统风冷储能系统的问题，新型液冷储能系统的解决方案采用了智能设计、高效散热、提高系统能量密度、安全设计等关键技术，极大地增强了储能系统的安全性和可靠性。本文可为新型能源建设项目建设和设计方案提供建设性意见。参 考 文 献1 帅智康,陈燕东,罗安等.岛礁/陆基多能源系统高效质供电关键技术及应用DB/OL.湖南省,湖南大学.2020-04-01.https:/ 高维娜,于海青,苏文威,等.储能电站可靠性与安全性技术研究进展J.电池,2022,52(1):110-113.GAO W N,YU H Q,SU W W,et al.Research 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