王宏建，赖永春，苏先进，曾春保，许林毅

（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）

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ЕMS 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。

图1 新型能源建设项目系统拓扑Fig.1 Topology of new energy project system

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3000～4500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。

表1 电池适宜温度Table 1 Suitable temperature for battery

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Ⅳ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。

图2 传统风冷储能系统拓扑Fig.2 Topology of air-cooled energy storage system

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 mm×2438 mm×2896 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。

图3 新型液冷储能系统拓扑Fig.3 Topology of liquid-cooled energy storage system

图4 模组温度仿真Fig.4 Simulation of module temperature

图5 流道温度仿真Fig.5 Simulation of circulation channel temperature

图6 系统温度仿真Fig.6 Simulation of system temperature

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。

图7 系统温度仿真Fig.7 Simulation of system temperature

（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 mm×2438 mm×2896 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。

图8 三级消防Fig.8 Three level fire fighting

图9 三级防爆Fig.9 Three level explosion proof

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。

图10 三级防爆Fig.10 Three level explosion proof

（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。