储能变电系统原理和油气行业应用初探 – 刘启蒙-中石油压裂装备控制技术探索者

2021年中国石油集团召开总部组织体系优化调整部署动员会，指出优化调整业务板块划分，构建油气和新能源、炼化销售和新材料、支持和服务、资本和金融四大业务板块（子集团），首次把油气与新能源并举，且列在四大业务板块之首。中国石油集团首个课题为《电化学高效储能与规模应用示范研究》，该项研究将对“十四五”以及未来清洁电力业务未来发展具有重要的支撑作用。

中国石油瞄准了风光发电大规模储能配套，以及油田的综合能源供应和清洁转型。在《油区多能多负荷系统中储能装备能量管理系统开发》中，中国石油明确提出要结合油区多能多负荷系统供电特点，设计开发出一套针对油田应用场景的综合能量管理系统，压裂井场变电与储能系统也包含在其中，压裂机组的变电及储能系统解决电量不足及调峰，保持电网稳定，电压和频率控制的问题，还可作为UPS保证电网瞬时断电时负载仍能安全工作，将为油田用户带来新的效益增长点。

依据存储能量形式和转换方式的不同，储能可分为四大类，即电化学储能，机械储能、电磁储能和相变储能，按照储能的功率或能量特点又可分为功率型储能（如飞轮储能等）和能量型储能M（如铅酸电池等）。机械储能如抽水蓄能、飞轮储能等，抽水蓄能受限于使用场合，同时工期较长，而飞轮储能虽然功率很高，但其能量密度很低；电磁储能如超导磁储能、超级电容储能等，量然其效率高、响应速度快，但其能量密度低，属于功率型储能，常用于电网快速功率支撑，同时其成本很高：相变储能目前还在研究阶段，技术未成熟，没有在电网中推广使用：

电化学储能具有响应速度快、技术成熟、成本较低、效率较高等诸多优点，是目前应用最为广泛、发展前景最光明的储能方式，电池优选钠离子电池和钛酸锂电池。钛酸锂充放电嵌锂电位为1.55V，不会负极形成锂枝晶,具有较高的锂离子扩散系数，可高倍率充放电和低温充放电，负极填充材料为无机化合物，性能稳定，放电时温升较低，不释放出氧气，降低火灾安全性；长时间搁置下自放电率低。

储能变电系统主要由储能系统（电池橇）和双向逆变系统（PCS橇）组成。储能系统以单体电芯为基本组成单元，通过串联并联等方式，依次组成电池组、电池箱、电池簇、电池橇。双向逆变系统由控制系统、变压器、逆变器等组成。

储能系统由单体电芯、电池模组、电池簇、电池管理系统等组成，设为标准集装箱尺寸，内部设有消防系统、空调系统等。

双向逆变系统主要由输入端配电柜、变压器、PCS模块、储能逆变器、智能配电柜及系统控制柜等组成，其中配电柜内接入10KV网电及发电机组网电，变压器将10KV交流电变为电池仓所需电压，储能逆变器具备双向逆变的特点，既可以完成对负载的供电功能，也可以在接入外部电源的情况下完成储能系统的充电功能。

控制系统管理整个系统的充、放电及负载，各类数据的储存、调用与逻辑控制，与系统外部元件进行有效通讯，主控制系统支持多种类型通讯协议，包括各种变频房特定的通信接口，便于现场集成和调试，考虑适当的软硬件冗余。需要实现如下功能：

1)与所有线上成员通讯，包括电池箱，逆变器，发电机组，配电柜等，以决定在设定条件下进行充、放电及控制设定变频房断电及设备继续运转，同时设置可手动充电模式。

2)稳定电网频率和电压，防止损坏设备以及电路和电气组件跳闸。

3)捕获发电机组产生的多余能量并存储，管理电网，优化电源。“提升”整个系统的性能。

4) 可通过网络接入数据服务器，实现远程访问以监控数据、历史分析和系统性能报告。

5）设定电量下自动充电。

电池管理系统监控、保护和维护每个电池模组和电池簇的安全运行，负责与 PLC 和每个机架控制箱进行直接通信，为每个电池簇分配ID，定义整个电池系统的可用充电和放电功率，向每个电池箱的接触器发送命令，并负责电池簇之间的电压平衡。

储能变流器(Power Conversion System，简称PCS)是电化学储能系统中，连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间的实现电能双向转换的装置，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS 控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时PCS 可通过CAN接口与BMS通讯、干接点传输等方式，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。