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1、500KW储能电站PCS系统方案书设计单位：设计时间：年月H储能电站PCS系统方案书一、产品介绍1.1 能量转换系统介绍能量转换系统（PoWerConVerSiOnSystem）,是用于储能电站的专业换流设备，它通过与蓄电池组和公共电网连接，主要有以下主要功能：1）在电网负荷低谷期，将电网上的交流电能转换成直流电能，给蓄电池组充电;在电网负荷高峰期，它又将蓄电池组的直流电能转换成满足电网要求的交流电能，回馈至公共电网中去，起到移峰填谷的功能，保证电网的正常运行；2）提高电网质量的功能；通过监测电网的状态，并接收来自电网调度的要求或本地控制要求，向电网馈送或吸收有功，提供无功补偿等，保证电网电能
2、的质量；3）离网运行（又称为孤岛运行）功能，能量转换系统还可以根据实际的需要，在满足设定要求的情况下，与主电网脱开，给本地的部分负荷提供满足电网电能质量要求的交流电能；4）新能源接入功能；PCS也可以根据实际的需求，接入光伏或风机，将新能源产生的电能，转换成符合电网要求的交流电能，馈送至公共电网，以缓解电网供电紧张的局面；1.2 CP-ES-500KW产品介绍CP-ES系列产品为*集团利用自身雄厚的研发实力，研制的专业双向换流系统（bidirectionalconvertingsystem）;目前我公司研制的产品最大容量到500KW；其型号为CP-ES-500KW；其主要的性能特点如下：1）所
3、有的元器件均采用高质量产品，确保系统的性能和使用寿命；CP-ES-500KW内部的元器件，包括空气开关、继电器、IGBT模块、电解电容、滤波电容等，均使用知名品牌产品，严格挑选，确保系统优异的整机性能和长的使用寿命；2）使用先进的DSP数字处理芯片，运用先进的软件处理算法，确保对系统运行的可靠、精确控制；CP-ES-500KW的控制主芯片，使用TI公司的TMS320F28XX系列DSP,该系列DSP为32位的高性能控制芯片，丰富的外设，高速的数据处理能力，十分适合于高性能电能变换设备中使用，加上软件程序上使用先进的控制和处理算法，可以确保对系统运行状态实现完美、可靠、精确的控制；3）具有并网运
4、行和离网运行两种模式；可以满足用户的不同要求；该双向换流系统可以工作在两种模式，并网运行模式和离网运行模式，并可以在两种模式之间进行快速切换，满足用户在实际运用中的不同需求；4）完善可靠的各种保护功能，最大限度的确保系统和电网的安全；该双向换流系统具有各种完备的保护功能，如过欠压保护、过欠频保护、过流保护、短路保护、过载保护、过温保护、防孤岛保护、功率翻转保护等等，确保系统、蓄电池和公共电网最大的运行安全；5）设备自身功耗小，转换效率高达96%以上；确保能量的最大化利用；由于采用了一系列硬件和软件优化措施，使得设备本身的功耗很小，转换效率可以达到96%以上，节能性能优异；6）预留并联接口，可以
5、扩容至MW级换流器；内置有并联接口，可以非常方便地将500KW系统扩容至IMW以上的换流系统；7）LCD彩色触摸屏显示，人机界面友好；使用彩色触摸屏显示技术，操作方便，简单，实时显示直流侧、交流侧参数以及设备的运行状态，并可对操作、运行、故障等历史信息进行详细的存储记录;8）通讯接口丰富，可满足不同监控通讯方式的要求；该系统具有各种通讯接口，包括RS232485CAN/以太网接口等等，可以满足不同监控通讯方式的要求；9）并网运行状态下，对电网产生的谐波污染小，是真正的绿色产品；由于采用先进的软件算法和优异的硬件拓扑结构，因此并网运行状态下，对电网产生的谐波污染很小，绿色环保；10）并网运行状态
6、下，可根据实际电网的需求，在并网侧产生相应的无功功率，达到对电网无功补偿的目的；并网运行时，可根据远程指令或本地设定，向电网注入无功功率，使得并网功率因数可在-17之间可调，实现对电网的无功补偿；11）离网运行状态下，能够产生高质量的交流电能，满足用电负荷对电能质量的要求；12）IGBT功率模块采用光纤连接驱动，有效降低EML提高了控制可靠性;1.3技术参数CP-ES-500KW设备的具体技术参数如下表；型号CP-ES-500KW直流侧电压范围（VdC）675-900额定功率（KW）500额定直流电压（VdC）810锂离子蓄电池节数（节）225泄漏电流（八）20mA交流侧交流相数三相五线制（R
7、+S+T+N+PE）额定功率（KW）500并网放电额定电压（Vae）380允许电压范围（VaC）323418额定频率（Hz）50允许频率范围（HZ）48-50.5总电流谐波畸变率5%输出功率因数-1-1离网运行额定电压（Vae）380电压精度（Vac）3%输出电压失真度5%（额定线性负载）额定输出频率（HZ）502%动态负载电压瞬变5%（阻性负载。到100%跃变）并网充电额定电压（VaC）380允许电压范围（VaC）323-418频率范围（HZ）48-50.5最大功率（KW）600功率因数1交流过载能力110%,过载10分钟120%,过载1分钟最大效率96%最大短路电流峰值V2倍额定电流功能反
8、孤岛效应检测具备主动、被动式孤岛检测显示触摸彩屏实时显示直流侧、交流侧参数以及设备的运行状态通信及集中监控RS232/485/CAN/以太网接口般参数冷却方式风冷防护等级IP30安装环境室内尺寸（深X宽X高）（mm）90020001800重量（kg）29501.4系统主电路原理拓扑图50OkW双向换流系统(CP-ES-500KW)的主电路原理拓扑图如下图所示:双向换流功率部分彩屏液晶显示通讯接口DSP控制板QQDCDc*按着电池ijl直流(W开关及动作保护部分隔离变压黑交流恻开关及动作保护部分电能质量监测仪1.5 保护及控制原理框图500kw双向换流系统(CP-ES-500KW)的保护及控制原
9、理框图如下图所示:1.6 保护功能详细介绍双向换流系统具有完备的保护功能，确保设备本身和相连设备的安全；其主要的保护功能具体说明如下：1）开机自检功能；双向换流系统具有完备的开机自检功能，开机启动时，机器会首先进入自检功能，对整个电路的主功率部分如继电器、IGBT模块等重要元器件进行自检，对控制部分的硬件和软件进行自检，对系统连接的蓄电池和公共电网进行检测，对与其它设备的通讯是否正常进行检测，如发现任何故障和异常状态，换流系统都将停止启动，进入保护状态，声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；2）直流电压过欠压保护；换流系统实时检测直流侧的电压，检测到直流电压超出允许范围后，根据实际情况，立
10、即或延时一段时间后，封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧开关保护装置动作；同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故隙状态被手动清除后，才会重新投入运行；双向换流系统前端连接锂离子蓄电池，单节锂离子蓄电池额定电压为3.6V,需串联的电池节数为225节，则直流额定电压为810V,单节电池的过压保护值为4.0V,欠压保护值为3.0V,则直流电压欠压设定值=3.0VX225=675V;直流电压过压设定值=4.0V225=900V;3）直流侧过流保护换流系统实时检测直流侧电流，当检测到有过流现象，根据实际情况，立即或延时一段时间后，封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧开关保护装置动
11、作；同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态被手动清除后，才会重新投入运行；4）交流电压异常保护换流系统在运行过程中，检测到交流侧电压异常后，根据换流系统当前的运行状态，立即或延时一段时间后，封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧开关保护装置动作；同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态消除后，才会重新投入运行；根据国家标准规定，电网电压在85%Unom-l10%Unom之间，双向换流系统应能够正常工作，即交流电压过压保护值为1.1X38OV=418V;交流电压欠压保护值为0.85380V=323V;保护值可根据用户实际需求进行更改；5）交流侧过流保护当换流
12、系统检测到交流侧电流过大，根据其实际检测值的大小，在规定时间内封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧开关保护装置动作；同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态被手动清除后，才会重新投入运行；6）频率异常保护当换流系统工作在并网运行模式下时，当检测到电网频率值超出正常范围后，根据实际检测值的大小，选择立即或者持续运行一段时间后，封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧的开关保护装置动作，同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态消除后，重新投入运行；根据国家相关标准规定，当电网频率在49.550.2Hz范围内，双向换流系统应能持续工作，当电网频率在4849.5
13、Hz之间时，设备应能继续工作10分钟后保护，当电网频率在50.250.5Hz之间，设备应能继续工作2分钟后保护，则过频设定值为50.5Hz,欠频设定值为48Hz；保护值可以根据用户实际需求进行修改；7）防孤岛保护换流系统具有主动式和被动式两种孤岛检测方式，确保能准确迅速的检测到孤岛状态，当换流系统工作在并网放电模式下时，检测到孤岛发生后，在要求时间内，立即封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧的开关保护装置动作,同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态消除后，重新投入运行；8）恢复并网保护检测到电网电压和频率异常，换流系统进入保护状态，当检测到电网电压和频率恢复正常后，延时
14、一段时间后，换流系统才能够重新并网运行；双向换流系统的恢复并网保护时间设定为3分钟；可根据用户要求进行更改；9）输出直流分量超标保护当换流系统运行在并网放电状态时，检测到输出到电网的直流分量超标后，立即保护，同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；待故障状态消除后，重新投入运行；10）功率翻转保护换流系统在运行过程中，当检测到功率传输流向异常后，封锁功率器件的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧的开关保护装置动作，同时声光报警，并在显示屏中显示和记录相关信息；11）过温保护当换流系统在运行过程中，检测到机器内部温度（包括环境温度、隔离变压器线包温度、功率器件散热器温度等）过高后，自动封锁功率器件
15、的驱动脉冲，并令直流侧和交流侧的开关保护装置动作，同时在显示屏中显示和记录相关信息；待温度值恢复正常后，换流系统自动恢复正常运行；温度过温保护值设定为85,过温恢复值设定为75；1.7 关键设备技术参数型号为CP-ES-500KW的双向换流系统，其关键元器件为IGBT功率模块，该元器件的的选择对设备的性能影响非常关键，详述如下：换流系统中，使用了12个IGBT功率模块，其主要性能参数和数据如下表所示：元器件名称IGBT功率模块生产厂商EUPEC型号FF300R17KE3单个IGBT元件个数2个IGBT单管动态不重复峰值电压1700V动态重复峰值电压1700V通态平均电流300A浪涌电流600A
16、重量340g其技术参数和应用详见附件“IGBT.pdf”和“IGBT设计应用说明.pdf”；下面是IGBT型号的详细说明：A) IGBT过电压裕度的详细计算过程如下:由于蓄电池母线电压最高为900Vdc,考虑到布线分布电感，以及短路冲击产生的di/dt较大，所以选用1700V的IGBT功率模块，逆变母线采用了叠层母线可以有效降低直流母线到IGBT之间的分布电感，母线电容采用高寿命、高耐压、高吸收电流的溥膜电容作为滤波元件，以够有效的防止过太的产生；实际使用中，最高电压不会超过1200Vdc,采用1700Vdc功率管是为了增加系统工作富余量使IGBT工作在最为可靠的区域，提高产生的可靠性；B)
17、IGBT过电流裕度的详细计算过程如下：若采用锂电池供电且最高电压不超过900Vdc,则经计算所需要的单体锂电池节数为215节，则系统工作的电压范围为：645V900V,按最低电压计算，500kW的最大直流侧放电电流为：(500k0.96)645V=807A;807A3=269A;可见单相逆变的功率模块电流有效值为269A,考虑到正弦电流峰值，以及可能工作于离网模块的电压源模式，则最大峰值电流为：269A*2=538A;,考虑到系统会有限制最大功率输出功能，所以选用电流为300A/1700V的模块并联，达到600A有效值，1200A的电流峰值容量，远大于538A的额定峰值电流容量，所以系统电容裕
18、量相对较大，系统工作在非常安全的工作区域；C) IGBT触发系统原理说明如下：考虑到PCS系统工作于高电压、大电流状态。所以系统的EMI相对较大，考虑到系统所要求的可靠性、稳定必等因素，所以采用光纤传输触发信号的方案来增加触发系统的可靠性，达到系统所要求的可靠性和稳定性。系统原理如下图所示，由于采用了光纤作为传输信号所以控制部分与驱动部分可以相隔较远，控制部分可以远离EMI产生源，这有利于增强控制部分工作的稳定性；IGBT触发系统原理示意图D) IGBT功率模块外形尺寸其外形尺寸图如下图所示：(Yanhnqmi?：,PlflFreimQfHOIeranZenGeneraltolerancena
19、chISO2768mHISO2768mHIGBT功率模块外形尺寸图E)IGBT功率模块的过电压、过电流和误触发保护模块的过电压，从硬件上通过降低母线分布电感，在保证热损耗不提高情况下适当延长关断时间，从而减少因Ldi/dt产生的过电压；从软件上采取实时检测母线电压的的方式来达到母线电压的持续过高现象；模块的过电流,硬件上通过霍尔检测IGBT电流,瞬时限流保护,增加了IGBT饱和压检测保护电路，限制因系统故障产生的瞬时过电流；软件上采用最大功率限制程序，使系统只能输出500kW的系统功率，从而抑制因远程指令的误发送产生过流的情况；IGBT的误触发现象，主要是通过结构上的合理布局，使控制部分到功率
20、模块的距离最小，经过电平变换使长距离传输的触发信号具备高电压大电流特点，增强传输信号的抗干扰能力；通过缓冲电路的设计降低EMI干扰，进而减少触发信号受干扰的机率；采用光纤传输方式提高传输可靠性；F)IGBT功率模块故障维护及更换方法双向换流系统的所有易损件，均采用了前门维护安装的结构设计，维护者只需要在前门进行更换操作，不需要预留专门的维修空间及通道；而且功率器件采用了模块设计方式，更换速度非常快；G)双向换流系统的散热量双向换流系统为能量变换装置，所以具有一定的发热量。热量主要由两部分组成一部分是功率器件所产生的损耗，另一部分是输出隔离变压器产生的热量；IGBT所产生的散热量约占系统损耗的7
21、0%,主要由两部分产生开关损耗和通态损耗；从IGBT的数据手册可查得，IGBT的最大功耗为1.4kW,系统用了12只，所以IGBT所产生的极限损耗为16.8kW;隔离变压器由于采用了先进的材料及生产工艺，所以其变换效率较高，满负载情况下可98%,所以隔离变压器的损耗为IOkW;所以从系统极限热损耗为IGBT损耗+变压器损耗约为26.8kW,所以系统设计时需考虑26.8kW的散热量，以及相应的通风散热系统相匹配；1.8冷却系统说明双向换流系统要达到高性能和长的使用寿命，需要设计好配套冷却系统，确保设备内部的热量及时排出，500KW双向换流系统的冷却系统设计方案详述如下：系统的散热设计充分利用了自
22、然风散热方式，充分利用环境度与发热元件的温度实现散热，通过强制风冷措施实现热量交换；内部空调用于降低配电室内的环境温度，延长系统工作寿命；散热通风系统如下图所示:空凋日日日日：日日日：日mm:日m日百如上图所示：冷空气从配电室底部一侧引入，经机内循环热交换后从配电室顶部一侧吹出，这样散热方式充分利用了室外冷空气的热量交换，避免了热量积累，使配电室内温度升高的现象，也间接的降低了空调的制冷量，达到节能的目的；冷却系统需要上传到监控系统的信息包括：室内温度、室外温度、室内湿度、室外湿度，通风流量、室内噪声、室内温度过高状态、室内湿度过高状态、制冷系统故障状态、制冷系统停开状态1.9系统外观图CP-
23、ES-500KW的外观图如下图所示:CP-ES-500KW外观图二、储能电站技术方案配置说明2.1 储能电站系统总述该项目为MW级电池储能站试点项目，储能站额定容量为5MWX4h,额定功率为5MW,以PCS为单位划分为10个分系统，每个分系统的额定容量为500kW4h,额定功率为500kWo储能站每个分系统最大充放电功率不超过600kW,寿命期内充放电容量不小于50OkWX4h；储能站接入广东深圳电网IIOkV碧岭变电站IOkV侧，主要考虑削峰填谷、提高电能质量、孤网运行、配合新能源接入等功能应用。主要由蓄电池、蓄电池管理系统(BMS)、能量转换系统(PCS)、储能站监控系统等组成。该方案书只
24、针对储能电站能量转换系统(PCS)进行相关的方案设计；2.2 能量转换系统(PCS)总述能量转换系统，是储能电站的重要组成部分，它主要负责在并网模式下，实现蓄电池组和公共电网之间的双向能量转换；在离网模式下，将蓄电池组的直流电能转换成符合电网质量要求的交流电能，供本地用电负载，此外，它还具有无功补偿等功能；其在并网放电模式下的系统组成及能量流动示意图如下所示：PCS(能量转换系统)I1公共电网其在并网充电模式下的系统组成及能量流动示意图如下所示:公共电网PCS（能量转换系统）其在离网模式下的系统组成及能量流动示意图如下所示:PCS（能成转换系统）本坳倒我蓄电沌出2.3 单个PCS系统设计储能电
25、站设计容量为5MW,根据标书要求，以PCS为单位，分成10个子系统，每个PCS子系统的额定容量为500KW；以每个子系统为例，500KW的容量，则可采用志成冠军集团的型号为CP-ES-500KW的双向换流系统，后端连接380V/10KV的容量为600KVA的升压变压器，双向换流系统的直流侧连接蓄电池组即可，其与电站监控系统、与电池管理系统（BMS）之间均需要通讯连接；单个500KW的PCS系统如下图所示：储能站监控系统蓄电池组上图中，红色粗线表示功率流动示意，蓝色细线表示通讯连接示意；2.3.1 通讯数据内容单个500KWPCS系统需要分别与BMS和储能站监控系统之间进行实时的通讯数据交换；P
26、CS系统与BMS之间的通讯内容如下表所示：序号PCS接收信息序号PCS发送信息Ol电池电压0102电池电流0203充放电状态0304电池温度0405报警信息05PCS系统与储能电站监控系统之间的通讯内容如下表所示:序号PCS发送信息序号PCS接收信息Ol设备地址Ol工作模式指令02工作模式02无功补偿指令03直流侧电压值03继电器动作指令04直流侧电流值05直流侧功率值06交流侧电压值07交流侧频率值08交流侧电流值09交流侧有功功率值10交流侧无功功率值11交流侧功率因数12交流侧直流分量值13交流侧THD14直流侧继电器开关状态15交流侧继电器开关状态16当日放电电量17累计放电电量18当
27、日充电电量19累计充电电量20运行状态21报警信息2.3.2500KWPCS子系统设备配置单个500KWPCS子系统的配置如下表所示:设备名称型号数量双向换流系统CP-ES-500KW1台升压变压器600KVA380/IOKV1台2.4储能电站PCS系统总配置整个储能电站的额定容量为5MW,则需要50OkWPCS子系统10个并联实现，其系统组成示意图如下所示:IOKV母线图中红色方框内即为整个储能电站PCS系统，整个系统由10个500KW子系统并联连接而成，其交流侧同时连接到IOKV高压母线上；整个储能电站的PCS系统组成配置如下表所示：设备名称型号数量双向换流系统CP-ES-500KW10台升压变压器600KVA380/IOKV10台
