铅酸电池储能系统专项方案设计有集装箱.docx

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铅酸电池储能系统专项方案设计有集装箱

1月

1需求分析

集装箱式铅酸蓄电池成套设备供货范围包含铅酸蓄电池、隶属设备、标准40尺集装箱、备品备件、专用工具和安装附件等。

每个标准40尺集装箱含管式胶体（DOD801200次以上）或富液式（DOD801400次以上）免维护铅酸蓄电池、电池架及附件、电池管理系统（含外电路）、电池直流汇流设备、设备间连接电缆及电缆附件（包含铜鼻、螺栓、螺母、弹垫、平垫等）、动力及控制信号接口等。

依据标书要求，综合铅酸电池特征，对于储能系统进行以下设计：

每3个标准40尺集装箱承载2MWh，每个集装箱由336只2V1000Ah管式胶体铅酸电池串联而成，电压672V，电池串容量672kWh。

每3个集装箱并联到一台500kWh储能双向变流器。

三个电池堆总容量可达2MWh，故本方案中三个集装箱为一单元，每个单元配置一套BMS电池管理系统,可监控每颗单体电池工作情况。

集装箱中另含烟感探头、消防灭火器、加热器、摄像头、温湿度监测等设备，以确保铅酸电池安全稳定工作环境，实现远程监控。

2集装箱方案设计

2.1集装箱基础介绍

依据项目要求，同时考虑电池堆成组方法、集装箱内辅助系统设计、安装和日常巡视和检修等各方面，选择40英尺标准集装箱。

外部尺寸：

12192*2438*2591mm。

本项目共需要42个40英尺标准集装箱。

集装箱设计静态承重60t，最大起吊承重45t。

集装箱关键任务是将铅酸电池、通讯监控等设备有机集成到1个标准40尺集装箱单元中，该标准单元拥有自己独立供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、电气联锁系统、机械连锁系统、安全逃生系统、应急系统、消防系统等自动控制和安全保障系统。

铅酸电池安装在电池支架上，支架采取螺栓固定方法安装在箱底。

BMS柜及空调采取落地安装。

动环监控柜采取壁挂式安装，内部整合了智能控制单元。

动力配电箱采取壁挂式安装方法。

集装箱内动力供电线及环境设备监控电线采取内走线方法，表面无走线槽及走线管；蓄电池动力输出和BMS监控及接口线采取线槽式走线，方便维护。

集装箱外形图以下所表示。

方安案1：

采取侧维护门型式

方案二：

采取一侧维护门型式

集装箱储能项目外型图

2.2集装箱接口特征

2.2.1集装箱机械接口特征

集装箱可满足满载情况下整体起吊要求。

集装箱整体采取螺栓安装固定方法，方便移动。

螺栓固定点和整个集装箱非功效性导电导体（集装箱金属外壳等）可靠联通，同时，以铜排形式向用户提供2个符合电力标准要求接地点。

集装箱防护等级为IP54。

固定方法以下图所表示。

2.2.2集装箱电气接口特征

集装箱内部本身设备采取双重供电模式。

一个为交流供电模式，接口为380V交流；另一个为直流独立供电模式，为集装箱环境支持设备和通讯监控设备提供可靠电力保障。

正常情况下箱体电源供给取自外部交流电源，当外部电源供给发生故障时，自动切换至直流独立供电模式，从铅酸电池获取动力电源。

储能系统提供电压为672V（胶体铅酸蓄电池，2V1000AH，336只串联）正负极直流电力输入输出接口。

箱内BMS采取RS485接口或CAN接口同外部PCS进行通信，采取以太网接口或485接口同后台监控进行通信，提供蓄电池状态信息、报警信息、集装箱环境监测信息，并含有“四遥”功效。

动力及监控通信电缆进出线方法均为下进下出。

动力线及监控线分开走线。

动力线采取2根1*300mm2RVV22线缆；RS485和以太网使用线缆为标准带屏蔽层双绞线。

2.2.3集装箱通讯接口特征

集装箱采取统一对外通信接口，包含两个RS485（ModbusRTU）接口和2个工业以太网接口，和一个CAN接口。

通信接口型式、性能和技术指标以下：

1）RS485：

接口采取标准RS485电气规范接口。

规约采取ModbusRTU模式；物理层通讯口采取RS485，采取屏蔽双绞线做通讯介质；通讯口链路波特率可选择2400、4800、9600和19200，缺省选择9600；链路传输模式为1主多从半双工。

BMS做主机，PCS做从机。

2）以太网：

接口采取RJ-45端口，10/100Base-T。

通信规约文本采取标准MODBUSTCP/IP协议；BMS为服务器，SCADA监控后台为用户端，服务端口号为502；BMS开启后需要在502建立服务侦听，监控后台依据需要BMS建立连接或断开连接。

3）CAN：

预留CAN接口，采取带屏蔽层双绞线，可同PCS及后台监控系统通信。

2.3系统具体设计方案

2.3.1接地方案

集装箱提供螺栓安装固定方法。

螺栓固定点可和整个集装箱非功效性导电导体（正常情况下不带电集装箱金属外壳等）可靠联通，同时，集装箱以铜排形式向用户提供2个符合最严格电力标准要求接地点，向用户提供接地点必需和整个集装箱非功效性导电导体形成可靠等电位连接，接地点在集装箱对角线位置。

非功效性导电导体接地点参考以下图所表示。

接地系统中导体有效截面积大于250mm²。

接地电阻小于2Ω。

集装箱内部有接地铜排，BMS柜，动环监控柜等地线接至内部接地铜排上，箱内接地铜排经过250mm²导线接至外部铜排上，外部铜排接至接地扁钢。

接地铜排示意图以下。

接地扁钢尺寸：

40*5*3000mm。

2.3.2防雷系统

在电源线路上安装有智能防浪涌保护模块，并带有辅助报警开关，一旦发生雷击可经过监控平台发出对外报警信号。

监控系统实时监测防雷器信号，一旦发生报警，系统自动切换到对应监控界面，同时产生报警事件及有对应处理提醒。

防雷模块含有差模和共模保护能力。

通信线路防雷：

BMS同后台监控设备及PCS通信线路使用专用通信线防雷器，防雷器安装在BMS柜中。

防雷系统经过接地扁钢或接地圆钢连接至集装箱给用户提供不少于2个接地铜排上。

2.3.3集装箱设备供电系统

集装箱供电采取动力配电箱，电源供给为外部380V交流供电，每个集装箱用电负荷容量为20kW。

正常工作时全部供电均由外部交流电提供，当出现故障时，将自动切换到独立供电系统。

动力配电箱关键为空调、排氢扇、声光报警器、插座供电，动环境监控模块，BMS提供交流电。

动力配电箱供电示意图以下图。

动力配电箱部署图以下所表示。

2.3.4照明系统设计

照明灯使用LED防爆灯，供电电源采取直流24V，由动环监控模块供给。

照明灯和门禁系统联动，当打开门时，照明灯自动亮，门关闭时，照明灯自动断灭。

另外，有独立照明控制开关来控制灯亮灭，管理人员可在现场用手动开关进行控制。

当系统出现故障造成交流供电中止时，独立供电系统将提供电源供给使得照明灯亮起。

照明系统含有防爆功效，为集装箱内部监控提供一个良好照明环境。

2.3.5温湿检测系统设计

集装箱内部环境温湿度对设备正常运行相关键影响。

所以在集装箱两头位置，分别安装一个温湿度报警器，实时监测集装箱内温度和湿度值，一旦发觉温度和湿度超出设定数值将开启空调进行温湿度控制，当温湿度超出设定最高报警值时，且时间超出10分钟，则开启报警器。

定向后台监控传送过温及湿度过高报警信息。

集装箱默认温度一级控制数值为30摄氏度，二级报警值为45摄氏度。

集装箱默认湿度一级控制数值为80%，二级报警值为95%。

经过在集装箱关键部位安装温湿度报警器对环境温湿度实现监测，既可在温湿度报警器表面实时看到目前温度和湿度数值，亦可经过电池管理系统将数据上传远程监控平台，进行温湿度远程实时监测。

温湿度报警器供电由动环监控模块输出提供。

2.3.6报警系统设计

系统含有报警系统，能够对火灾及雷击进行报警。

在集装箱顶部两端分别安装一个声光报警灯，安装方法为螺栓固定安装。

能够为外界提供比较显著信息，从而起到预警作用。

同时经过电池管理系统将数据上传远程监控平台，进行远程报警监测。

声光报警器供电由动环监控模块提供，电压为直流24V。

2.3.7消防系统

消防系统由烟感探测器、温湿度报警器、声光报警器、手动干粉灭火器组成。

该系统带有温度传感器，在温度达成报警值，或检测到烟雾时，系统能够实现自动声光报警，提醒进行手动灭火。

2.3.8隔热阻燃系统

本集装箱设计采取高品质隔热阻燃系统，全天候应对使用现场多种情况。

隔热阻燃材料采取岩棉，既能够保持集装箱温度，又含有优良阻燃性能。

2.3.9电气连锁系统

集装箱内配置烟雾传感器、温湿度报警器等安全设备，烟雾传感器和温湿度报警器和系统控制开关形成电气连锁，一旦检测到故障，集装箱经过声光报警和远程通信方法通知用户，同时，切掉正在运行电池成套设备。

预防电气事故发生。

2.3.10机械连锁系统

集装箱在室外露天条件下不会被偷窃者打开，可确保在偷窃者试图打开集装箱时产生威胁性报警信号，同时，经过远程通信方法向后台报警，该报警功效也可由用户手动屏蔽。

2.3.11安全逃生

集装箱内有明确安全逃生通道标示。

一旦发生危险，人员能够依据安全标示快速逃离现场，而且可手动控制报警系统通知用户和手动切掉正在运行成套电池设备。

逃生通道标志使用圆形夜光方向牌贴于地上。

逃生通道标志以下图所表示。

逃生示意图以下图所表示。

2.3.12应急系统

当蓄电池完全失去电力情况下而且门打开情况下，应急灯将亮起。

应急灯由动环监控模块控制，当动环监控模块完全失去电力时，应急灯亮起。

2.3.13独立供电系统

动力配电箱使用1路单独直流供电电源向动环监控设备、BMS和照明灯独立供电。

此系统能够确保当外部供电故障时，确保动环监控模块和BMS继续工作，向集中监控系统上传信息；同时照明灯正常工作，确保箱内照明需求。

2.3.14湿度控制系统

集装箱为一个封闭空间，假如内外温差较大，会在集装箱内部产生凝露，影响电气安全性，温湿度传感器监控箱内湿度，当湿度超出80%，空调将开启除湿功效，使箱内湿度降至40%安全范围内。

2.3.15排氢系统

集装箱内铅酸电池会泄露少许氢气，所以需要立即排出氢气。

排氢扇、氢气传感器和动环监控模块共同组成了排氢系统。

氢气传感器动态检测氢气浓度，把氢气浓度信号传输给动环监控模块，假如氢气浓度超标，动环监控模块发送控制信号，开启排氢扇，进行排氢。

排氢门窗自动控制，排氢路线以下图绿色线所表示。

2.3.16动环监控系统设计

总体方案

集装箱监控系统采取一体化监控模块监控环境原因和安全情况，包含温度、湿度、消防、防盗等。

当检测到该状态量超出设定安全阈值，系统将经过RS485方法上报给BMS，然后BMS在上报给SCADA。

监控系统总体方案框图以下。

功效描述

1）一体化监控模块实时采集温度、湿度、烟感传感器，达成预定阈值将同时产生声光告警，开启集装箱警报系统，同时把告警状态上报给BMS；

2）一体化监控模块实时监测内部电源220V状态，一旦220V掉电，将自动开启应急电源系统；

3）一体化监控模块可依据门禁控制机柜照明灯，任何一个门打开，照明灯亮，全部门关闭，照明灯灭。

4）一体监控模块实时监控空调状态，能够远程监控空调加热和制冷状态。

5）一体监控模块能够实时控制排风扇进行集装箱换气。

动环监控模块

动环监控模块安装在动环监控箱内，关键完成监控信号采集输入和设备控制信号输出功效。

动环监控箱内部供电以下图所表示。

采集信号为：

箱内数字温湿度传感器信号，烟雾传感器信号，门禁信号，氢气传感器信号，箱外温度信号，雷击报警信号。

输出控制信号分别为：

声光报警器信号，空调控制信号，排氢风机控制信号，加热设备控制信号（预留）。

模块功效框图以下所表示。

另外，预留3路模拟信号输入接口，预留3路开关量输入输出。

预留1路485通信端口。

2.4集装箱温控方案

集装箱使用保温材料进行密封，同空调设备制冷设备和动环监控模块共同组成了完善温控系统。

当集装箱内部空气温度超出第一级设定值时（出厂默认设置35℃），将进行温度过高预警，预警信号经过声光报警和远程报警形式传送；当集装箱内部空气温度超出第二级设定值时（出厂默认设置45℃），将从电气上切除整个集装箱并进行声光报警和远程报警；温度报警和保护阈值可由用户设置，出厂时，全部设备初始设置值完全相同。

集装箱内部署336只电池温度传感器，2只集装箱内温度传感器，1只外部温度传感器，15kw空调主机（采取半导体制冷元件，陶瓷制热元件，总制热功率15kw，制冷5kw）。

经过综合内外温度传感器采集到温度，进行智能判定，提供最好节能方案。

本集装箱有339个温度采样点；温度调控设备，实施温度调整控制。

本温控方案温度调控设备采取1台空调制冷和加热膜进行升温。

具体温度控制策略以下：

1.由待机状态起机模式：

当集装箱内温度低于0℃时，空调开启加热,连续加热到10℃，然后许可电池进入正常工作状态，即充放电状态。

2.正常运行状态模式：

当集装箱内温度低于5℃时，开启加热；当集装箱内温度高于30℃时，开启制冷。

温控系统保持集装箱内温度维持在5~30℃。

本系统选择SC系列空调一体机是一款节能型空调，除了含有机房专用空调高能效比、高显热比节能效果外，还把自然冷源制冷（热管系统）集成机械制冷（压缩机系统）于一体，实现双循环制冷模式，依据基站内部热负荷和外界环境温度智能地选择工作模式，实现最优节能效果，可确保40英尺标准集装箱空间在11.5分钟内从零下30度上升到0度以上。

在空调机组冷凝器进、出风口四面贴15mm厚保温棉，保温棉应粘贴平整、牢靠，粘贴完成后在保温棉和机组接缝内框、保温棉贴墙面及四边接口处打胶密封。

用户可依据现场情况选择安装配件，配件包含室外进出风口遮雨罩（选配件）。

防护网安装在遮雨罩入口处，能够预防可能大型异物进入空调机组。

在出入风口处能够检测灰尘度，经过灰尘多少，决定是否清洗防尘沙网。

过滤网属于日常维护易损部件，其更换周期和机房密封情况和清洁情况有直接关系。

通常情况下，为确保空调机正常有效运行，过滤网每个月检验一次，并在清洁情况较差时清洗。

型号为SC07-H1具体配置以下

型号

SC07-H1

电压（V）

3~380V/50Hz

机械制冷模式制冷量（kW）

7.5

热管冷却模式显热制冷量

425W/K

机械制冷模式输入功率（kW）

2.8

热管冷却模式输入功率（kW）

0.8

机组最大功率（kW）

5.5

最大电流FLA（A）

15.7

加热量（kW）

9

加热电流（A）

13.6

内循环风量（CMH）

4000

高*宽*深（mm）

*900*700

重量（kg）

220

3电池组串成组方案

名称

成组单元

设备组成详图

容量

单体

采取2V1000Ah管式胶体铅酸蓄电池

2V1000Ah

2KWh

电池簇

24只2V1000Ah管式胶体铅酸蓄电池串联组成一簇，配置一台蓄电池监控模块。

蓄电池簇

48V1000h

48KWh

蓄电池簇监控单元

电池组单元

14簇电池组串联组成一组电池组单元，配置一台蓄电池组控制单元

电池组单元

672V/1000Ah

672kWh

电池组控制单元

储能系统单元

3组电池组单元独立分两路接入一台双极式单级500KWPCS组成一组储能单元，配置一台直流配电柜。

电池管理系统BMU，500KW，PCS

电池组单元

500KW/2.016MWh

直流配电柜

BMU

PCS

7MW/28MWh储能系统

14组500KW/2.016MWh储能系统单元并联组成7MW/28MWh储能系统

储能系统单元

7MW/28.224MWh

就地监控系统

以上成组方案，充足考虑了电池多组并联时产生环流问题，也充足考虑了系统走线主载流量，电池簇内采取铜排联结，载流量500A，满足系统运行需求，在跨簇联结时采取铜线联结形式，载流量500A。

系统设计多级开关保护，方便接线及系统控制。

3.1电池组串内部及组间连接方案

连接件名称

图片

材质

电池间连接

铜排外包绝缘护套

电池簇间相连

铜排外包绝缘护套

层间联结

铜排外包绝缘护套，经过绝缘端子固定于支架侧边

电池组出线

固定于电池架侧方接线端子，外加绝缘护套。

BMS系统电压测试和均流线连结方案

采取专用卡件和套于蓄电池端子，在电池组件连接时和铜排一同固定。

BMU单元固定

采取镙丝直接固定于电池簇支架一侧

3.2系统拓扑图

铜排联结，整体稳固体好，可能降低后续运行过程中因为振动及其它原因造成接线端子松动现象。

另外采取了全护套铜排及绝缘端子帽保护，提升电池组安全绝缘等级。

下图表示了储能系统整体联方案，电池组间内部经过铜排连接。

电池组至直流配电柜经过电缆连接，电缆经过底部电缆沟进入直流配电柜。

BMS系统弱电走线和直流线路分开，降低干拢，弱电线路经过铁质线管引至直流配电柜或采取带屏蔽层电缆。

直流配电柜至PCS采取电缆经由电缆沟接入PCS直流侧输入断路器，BMMS通信线缆经由电缆沟，经过铁质线管引入PCS和储能系统就地监控系统。

4蓄电池管理系统（BMS）

4.1BMS系统整体构架

此次BMS系统是依据大规模储能电池阵列特点设计电池管理系统，本系统使用铅酸电池为储能单元储能电池阵列，用于监测、评定及保护电池运行状态电子设备集合，包含：

监测并传输铅酸电池、电池组及电池系统单元运行状态信息，如电池电压、电流、温度、内阻和保护量等；评定量算电池荷电状态SOC、寿命健康状态SOH及电池累计处理能量等；保护电池安全等。

系统整体结构图

本BMS系统由ESMU、ESGU和BMM组成：

ESMU（EnergyStorageSystemManagementUnit）储能系统管理单元,该管理单元对BMM上传电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及统计存放；每台ESMU管理两台ESGU模块。

ESGU（EnergyStorageBatteryGroupControlUnit）电池组控制单元,ESGU关键是对整组电池运行信息搜集，采集整组电池总电压和电流，对电池组出现异常进行报警和保护；每台ESGU管理14簇电池。

BMM（BatteryMonitoringModule）蓄电池组监护模块,该单元集电池运行信息监测采集、自动充电、放电均衡管理、在线内阻测试、故障诊疗等功效于一体。

每个模块能够管理一簇（24只）单体蓄电池。

每组电池单元对应14簇电池，14台BMM。

该BMS系统有以下特点：

全方面电池信息管理，在线SOC诊疗，无损主动均衡充电管理，系统保护功效，热管理功效，自我故障诊疗和容错技术，专业负荷联动控制及优化，灵活模块化设计。

4.2BMS系统关键设备介绍

电池监测模块BMM3.1

该单元集电池运行信息监测采集、充电均衡管理、故障诊疗等功效于一体。

设计紧凑合理，高度集成，各单元间采取隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。

每一个模块可对24串电池进行监测和维护，可连接多路温度传感器，储能电池管理模块之间及和储能系统管理单元之间采取RS485或CAN连接。

Ø在线自动检测每节蓄电池电压、蓄电池组端电压、充放电电流和温度等；

Ø实时报警功效，实现对电压、温度、电流超限报警；

Ø现场报警，干节点输出闭合，可实现远端计算机报警并显示报警内容；

Ø在线自动定时（周期可设）测试蓄电池内阻；

Ø含有RS485/或CAN通讯接口，可接入监控系统或现场采集单元，实现数据和告警信息上送，达成远程监控蓄电池组目标；

Ø采取模块化设计，安装、使用和维护方便，且模块间相互隔离、可靠性高；

Ø产品含有蓄电池组在线均衡维护功效，可经过对单体蓄电池在线小电流充电，提升蓄电池组电压一致性，达成延缓蓄电池失效目标。

储能电池监测模块BMM3.1实物图

电池组控制模块ESGU

ESGU关键是对整组电池运行信息搜集，采集整组电池总电压和电流，对电池组出现异常进行报警和保护；能依据安全处理规则要求对电池组进行保护，确保电池系统安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，储能系统管理单元发出命令至该单元，控制整组电池开断，避免电池被过充、过放和过流。

Ø具体功效

含有系统上电自检功效，关键包含全部传感器、系统状态等；

含有电池组端电压、电流、温度等检测功效；

含有电池正负极对机壳绝缘检测功效；

含有管理主接触器控制及主接触器反馈信号检测功效；

异常报警及硬接点保护控制功效；

含有CAN/RS485总线通讯功效。

图：

电池组控制模块ESGU实物图

储能系统管理单元ESMU

对BMM3.1上传电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及统计存放，另外，可一对一实现和PCS主机、储能调度监控系统等进行联动控制，依据输出功率要求及各组电池SOC优化负荷控制策略，确保全部电池组总运行时间趋于一致。

Ø具体功效

a.监测显示数据

1）监测显示单体电池电压数据。

2）监测显示电流数据。

3）监测显示温度。

温度包含：

环境温度、BMM3.1数据。

b.报警功效

1）通讯连接报警。

2）温度过高或过低报警。

3）单体电压过高及过低报警。

4）组端电压过高或过低报警。

5）BMM3.1错误报警。

c.保护

1）单体电压过低或过高保护。

2）温度过低或过高保护。

3）组端电压过高或过低保护。

d.参数设置

1）电池组安装及运行参数设置

2）网络通讯参数设置

3）接口协议参数设置

4）ESGU参数设置

图：

储能系统管理单元实物图

4.3BMS系统保护方法

1、储能用BMS和PCS及后台全部有数据通信，通信方法和PCS是以太网或RS485方法，和后台监控是以太网方法，采取通信协议全部是Modbus或IEC61850（可选），确保当BMS和PCS间出现通信异常时，BMS、电池、后台能正常工作，能却把电池和BMS正常运行。

2、电池管理系统BMS和后台通信采取标准Modbus协议或IEC61850（可选），含有高性能、高可靠性、实时性通讯能力，含有多个错误检测方法，确保庞大数据量上传及指令下发正确性和立即性。

3、BMS经过以太网（RS485）和两路硬接点两种方法和PCS进行联络，确保在电池组出现严重故障时立即停运。

4.4BMS系统通信方案

整个储能系统容量为28MWh；系统由14台PCS电池单元组成，系统采取2V/1000Ah铅酸单体电池。

储能系统采取336节2V/1000Ah电池组串连组成一组电池，三组电池并联组成一个电池单元，每个电池单元容量为3MWh，即336节×2V×1000Ah×3＝2.016MWh；每个最小模块支持24节单体电池，336节电池需要336/24=14个模块；

整个储能系统14个电池单元累计总容量为2.016MWH×14＝28.224MWH；储能逆变器常见效率在92％～95％，所以整个储能实际容量为28.224MWH×0.92＝25.97MWh，架构以下：

系统在直流侧采取三组电池并联后接入单级式500KWPCS，电池簇接入PCS功效示意图以下：

储能系统总容量为336节×2V×1000Ah×3组×14PCS×92％＝25.97MWh，系统采取铅酸电池作为储能单元，采取带主动无损均衡和容量诊疗电池管理系统（BMS），采取现在市面上成熟双向逆变器（PCS）组成，整个系统由后台统一控制，电池采取电池架立式安装。