先进储能科学技术与工业应用丛书--储能系统集成技术与工程实践

本书主要对电化学储能系统集成技术进行了较为全面和系统的介绍，共分为12 章，分别论述了储能发展现状、电化学储能系统组成与集成设计、电池选型与测试评价、电池管理系统设计、储能系统结构与电气设计、电池系统热管理设计及仿真分析、升压变流系统及成套配电装置集成关键技术、储能监控与能量管理系统、储能系统设计验证、储能系统智能制造技术与生产管理、储能系统设备集成现场安装及调试测试，以及储能系统集成典型应用案例分析。
本书主要面向电化学储能行业的从业人员，意在促进我国电化学储能产业的发展。本书可供从事储能系统集成设计的技术人员、科研人员及管理人员参考，也可供高等学校储能科学与工程、电化学、应用化学、新能源、能源与动力工程等相关专业的师生阅读和参考。

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本书是“先进储能科学技术与工业应用丛书”的一个分册，本套丛书由中科院物理所李泓研究员牵头组织，涉及储能科学技术与应用的多个方面，助力于推动储能技术的发展和应用。
本书的内容特点如下：
★储能系统集成模式与行业发展
★储能系统集成技术发展趋势与面临的机遇与挑战
★电化学储能系统组成与集成设计
★电池选型与测试评价
★电池管理系统设计：电池管理系统功能、硬件系统开发要点、软件开发要点、BMS系统的测试验证
★储能系统结构与电气设计：结构设计、电气设计、模块设计、电池簇设计、储能系统预制舱设计
★电池系统热管理设计及仿真分析：热管理系统概述、风冷方案设计、液冷方案设计、相变冷却方案、先进的热管理仿真技术及应用、热管理新技术与发展趋势
★升压变流系统及成套配电装置集成关键技术：系统集成总体设计原则、储能变流器、变压器、高压开关柜
★储能监控与能量管理系统：总体要求、典型系统架构设计、系统安全接入、监控和数据采集软件、能量管理控制策略
★储能系统设计验证：相关标准法规体系解析、模块测试验证、电池簇测试验证、电池系统测试验证、并网测试验证
★储能系统智能制造技术与生产管理：储能系统生产制造工艺、储能系统关键工艺介绍、生产过程控制、智能化与信息化制造技术
★储能系统设备集成现场安装、调试测试：储能系统设备现场吊装、储能系统设备机电安装、储能系统设备现场交接检验、储能系统现场测试
★储能系统集成典型应用案例分析：用户侧储能系统集成项目、火储联合调频储能系统集成项目、变电站调峰调频储能系统集成项目、新能源配套储能系统集成项目、某独立储能系统集成项目

在“双碳”战略目标指导下，作为构建新型电力系统的重要支撑，储能在整个电力系统的战略地位和重要作用得到进一步彰显。2021 年从国家到地方密集出台了300 多项与储能相关的顶层设计和政策规划，明确了“十四五”期间新型储能30GW 以上的装机目标；提出了源网荷储一体化的GW 级大基地项目，各省提出了按新能源装机规模的10%～20%，持续充电时长2～4h 配建储能的政策；规范了共享储能电站的电力市场化交易独立主体身份；部分地区配套了不低于4∶1 的峰谷电价差，以及辅助服务补偿、容量补偿等政策激励。储能行业正向规模化和规范化方向发展。预计到2025 年末，新型储能在电力系统中的装机规模将达到3000 万千瓦以上。
蓬勃发展的储能市场吸引了众多厂家加入，然而挑战与机遇并存，储能系统的集成并不是各个设备的简单堆砌，而是集电力电子、电气、电化学、材料、结构、暖通、通信控制等多专业融合的系统。只有对上述各专业进行深入研究、充分了解储能系统各部件之间的相关关系及作用、开展多维度全生命周期的系统设计及验证，才能确保储能系统的安全可靠运行，实现储能系统设备与设备、设备与控制系统之间的完美匹配，使效率及收益达到最大化。
本书主要对电化学储能系统进行了较为全面和系统的介绍，共分为12 章，分别论述了储能发展现状、电化学储能系统组成与集成设计、电池选型与测试评价、电池管理系统设计、储能系统结构与电气设计、电池系统热管理设计及仿真分析、升压变流系统及成套配电装置集成关键技术、储能监控与能量管理系统、储能系统设计验证、储能系统智能制造技术与生产管理、储能系统设备集成现场安装及调试测试，以及储能系统集成典型应用案例分析。
本书主要面向电化学储能行业的从业人员，意在促进电化学储能产业在我国的发展。本书可供从事电化学储能系统集成设计的技术研发人员、测试机构及技术咨询机构的工作人员参考，也可供高等院校从事储能系统研究的师生参阅。
本书由张剑辉、钱昊、吕喆、刘骁等编著，由张剑辉、钱昊、吕喆确定总体思路、框架和各章节结构，其中，第1 章由吕喆、张志远编著，第2、第7、第8、第11、第12 章由刘骁、杨振华、张成程、郭婷婷编著，第3、第9 章由王垒、陈喆、褚晓荣、王慧编著，第4 章由郭富强、姜科、王海龙、何志超、刘伟、王晓彦、吴亚凯、李瑗茹、程婷婷编著，第5、第6 章由李文鹏、李文启、李新宇、刘宽、孙中豪、刘超、穆英毅、姜力文、顾伟峰、黄牧、施学文编著，第10 章由彭进峰、杨千里、尹树明、王军编著。
限于编著者水平，本书内容不足以涵盖锂电池储能系统集成的所有技术要点，对有些要点的讨论也仅限于蜻蜓点水，不够透彻。编著者希望本书可以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的企事业人员和科技人员等参与到储能行业中来，共同促进储能行业规模化发展，提升行业整体水平。同时，书中难免存在不足和疏漏之处，恳请读者朋友们不吝指正。

编著者
2023 年1 月

第1章 概述 1
1.1 能源转型与储能的发展 1
1.2 储能系统（技术）分类及优缺点 2
1.2.1 物理储能 2
1.2.2 电化学储能 5
1.2.3 电气储能 8
1.3 储能系统集成模式与行业发展 10
1.3.1 储能系统集成定义与场景分析 10
1.3.2 储能系统集成行业发展现状 12
1.4 储能系统集成技术发展趋势与面临的机遇与挑战 13
1.4.1 储能系统集成技术发展趋势 13
1.4.2 储能系统集成面临的机遇与挑战 14
参考文献 15

第2章 电化学储能系统组成与集成设计 16
2.1 电化学储能系统组成 16
2.2 系统集成设计的基本原则 17
2.2.1 安全第一设计原则 17
2.2.2 高可靠性原则 21
2.2.3 经济性原则 22
2.3 储能系统应用场景及接入方式 23
2.3.1 发电侧储能系统 23
2.3.2 电网侧储能系统 24
2.3.3 用户侧储能系统 25
2.3.4 独立储能电站 26
2.4 储能电站总体设计方案 26
2.4.1 储能电站容量确定 26
2.4.2 储能电站站址选择 27
2.4.3 电气一次系统 28
2.4.4 电气二次系统 33
参考文献 44

第3章 电池选型与测试评价 45
3.1 电池分类与特点 45
3.1.1 磷酸铁锂电池 46
3.1.2 三元电池 47
3.1.3 钛酸锂电池 48
3.1.4 固态电池 49
3.1.5 其他电池 49
3.2 储能电池技术要求 50
3.2.1 基本电性能要求 50
3.2.2 寿命要求 55
3.2.3 安全性要求 56
3.2.4 成本要求 58
3.3 电池测试评价方法 59
3.3.1 标准法规体系概述 59
3.3.2 测试评价方法 60
参考文献 79

第4章 电池管理系统设计 82
4.1 电池管理系统功能 82
4.1.1 电池管理系统架构 82
4.1.2 电池管理系统核心功能 86
4.2 硬件系统开发要点 90
4.2.1 硬件系统开发概述 90
4.2.2 硬件系统架构设计 90
4.2.3 可靠性设计 97
4.2.4 关键电路设计 99
4.3 软件开发要点 100
4.3.1 软件架构设计 100
4.3.2 软件核心技术 104
4.4 BMS 系统的测试验证 108
4.4.1 测试验证标准体系介绍 109
4.4.2 BMS 测试验证阶段划分 109
4.4.3 BMS 测试过程管理 112
4.4.4 BMS 测试验证工具链 115
参考文献 116

第5章 储能系统结构与电气设计 117
5.1 概述 117
5.2 结构设计117
5.2.1 制造工艺及可装配性设计117
5.2.2 结构强度设计118
5.2.3 环境适应性设计 120
5.2.4 安全防护设计 121
5.3 电气设计 122
5.3.1 设计基本原则 122
5.3.2 电气绝缘设计 123
5.3.3 电连接设计 126
5.3.4 储能电池侧系统的短路分析 132
5.3.5 电磁兼容性设计 134
5.3.6 控制系统进线电源接地方式 134
5.3.7 防雷、接地和防静电防护 135
5.3.8 电气控制逻辑设计 138
5.3.9 电击防护重点注意事项 138
5.4 模块设计 140
5.4.1 电池模块的设计考虑 140
5.4.2 模块的电连接设计 141
5.4.3 设计考虑点 142
5.4.4 热设计 143
5.4.5 高可靠性要求 144
5.5 电池簇设计 144
5.5.1 电池簇总体方案设计 144
5.5.2 电池簇详细设计 145
5.5.3 电池簇的电连接设计 146
5.6 储能系统预制舱设计 147
5.6.1 预制舱设计概述 147
5.6.2 预制舱的结构设计 148
5.6.3 集装箱的电气设计 152
参考文献 154

第6章 电池系统热管理设计及仿真分析 155
6.1 热管理系统概述 155
6.1.1 热管理的意义 155
6.1.2 常用储能热管理技术路线 157
6.1.3 热管理系统介绍 158
6.1.4 热管理系统的要素 159
6.2 风冷方案设计 160
6.2.1 冷/热负荷计算 161
6.2.2 空调选型及布置 162
6.2.3 主风道设计 163
6.2.4 电池系统散热方案设计 164
6.2.5 部分工程方案设计 165
6.3 液冷方案设计 167
6.3.1 冷水机组选型 168
6.3.2 液冷板设计 169
6.3.3 液冷管路方案设计 170
6.3.4 冷却策略制订 172
6.3.5 仿真模拟 172
6.4 相变冷却方案 172
6.4.1 相变材料的选择 173
6.4.2 相变冷却 173
6.4.3 热管冷却 174
6.4.4 复合冷却 176
6.5 先进的热管理仿真技术及应用 176
6.5.1 储能领域中仿真软件的介绍 176
6.5.2 一维仿真软件在储能领域中的应用 178
6.5.3 三维仿真软件在储能领域中的应用 179
6.6 储能电池系统的热管理新技术与发展趋势展望 180
6.6.1 储能电池系统的热管理新技术 180
6.6.2 储能电池系统的热管理发展趋势 180
参考文献 181

第7章 升压变流系统及成套配电装置集成关键技术 184
7.1 概述 184
7.1.1 升压变流系统 185
7.1.2 成套配电装置 186
7.2 系统集成总体设计原则 186
7.2.1 升压变流系统单元容量确定 186
7.2.2 升压变压器选型 187
7.2.3 PCS 集成形式选择 187
7.2.4 成套配电装置选型 188
7.2.5 系统配电设计 194
7.3 储能变流器（PCS） 195
7.3.1 PCS 分类 195
7.3.2 PCS 系统构成 196
7.3.3 PCS 主要功能 197
7.4 变压器 202
7.4.1 变压器基本功能和分类 202
7.4.2 变压器主要特征参数及试验 203
7.4.3 变压器空载运行、负载运行及短路试验 204
7.5 高压开关柜 206
7.5.1 高压开关柜主要结构 206
7.5.2 高压开关柜分类 207
7.5.3 储能电站常用开关柜 208
7.5.4 开关柜主要部件 210
参考文献 218

第8章 储能监控与能量管理系统 219
8.1 总体要求 219
8.1.1 标准性原则 220
8.1.2 一体化设计原则 220
8.1.3 高可靠性原则 220
8.1.4 高安全性原则 221
8.1.5 开放性原则 221
8.1.6 易用性原则 221
8.2 典型系统架构设计 221
8.2.1 系统结构 221
8.2.2 网络结构 223
8.2.3 软件结构 224
8.2.4 通信接口 225
8.3 系统安全接入 231
8.3.1 安全防护目标 231
8.3.2 相关的安全法规 231
8.3.3 安全防护总体原则 231
8.3.4 安全分区 233
8.3.5 网络专用 234
8.3.6 横向隔离 235
8.3.7 纵向认证 236
8.3.8 综合防护 237
8.4 监控和数据采集（SCADA）软件 238
8.4.1 主要功能 238
8.4.2 核心实时数据库 241
8.4.3 关键技术指标 242
8.5 能量管理控制策略 243
8.5.1 调峰 244
8.5.2 一次调频 244
8.5.3 二次调频 245
8.5.4 自动电压控制 247
参考文献 248

第9章 储能系统设计验证 249
9.1 相关标准法规体系解析 249
9.1.1 国内相关标准法规体系 249
9.1.2 国外相关标准法规体系 250
9.2 模块测试验证 251
9.2.1 基础测试 252
9.2.2 基本性能测试 252
9.2.3 安全性能测试 255
9.3 电池簇测试验证 258
9.3.1 基础测试 259
9.3.2 基本性能测试 259
9.3.3 安全性能测试 263
9.4 电池系统测试验证 266
9.4.1 外观尺寸 266
9.4.2 安装接线及电气安全 267
9.4.3 功能测试 269
9.4.4 性能测试 270
9.5 并网测试验证 272
9.5.1 低电压穿越测试 272
9.5.2 高电压穿越测试 272
9.5.3 电网适应性测试 273
9.5.4 电能质量测试 273
9.5.5 直流分量测试 273
9.5.6 充放电响应时间测试 273
9.5.7 充放电调节时间测试 274
9.5.8 充放电转换时间测试 274
9.5.9 额定能量测试 275
9.5.10 额定功率能量转换效率测试 275
9.5.11 功率控制测试 275
9.5.12 过载能力测试 275
9.5.13 防孤岛测试 276
参考文献 276

第10章 储能系统智能制造技术与生产管理 278
10.1 概述 278
10.2 储能系统生产制造过程介绍 279
10.2.1 模组结构和生产工艺 279
10.2.2 电池模块结构和生产工艺 281
10.2.3 高压箱结构和装配工艺 283
10.2.4 电池簇结构和装配工艺 283
10.2.5 储能集装箱结构和装配工艺 284
10.2.6 储能集装箱装配流程介绍 285
10.3 储能系统关键工艺介绍 285
10.3.1 电芯分选 285
10.3.2 电芯等离子清洗 286
10.3.3 涂胶工艺 287
10.3.4 Busbar 的焊接 289
10.3.5 螺栓拧紧控制 292
10.3.6 气密检测工艺 294
10.3.7 测试 294
10.4 生产过程控制 298
10.4.1 生产计划管理 298
10.4.2 制造过程的管理 299
10.4.3 储能产品的精益生产管理 303
10.5 智能化与信息化制造技术 304
10.5.1 现阶段国内模组产线现状 304
10.5.2 传统的自动化产线建设模式 304
10.5.3 信息化、智能化产线建设方向 305
10.5.4 未来智能化工厂建设方向展望 306
参考文献 307

第11章 储能系统设备集成现场安装、调试测试 309
11.1 储能系统设备现场吊装 309
11.1.1 概述 309
11.1.2 吊装安全要求 309
11.1.3 吊装工作的实施311
11.2 储能系统设备机电安装 313
11.2.1 安装前准备工作 313
11.2.2 成套配电装置安装 314
11.2.3 集装箱（预制舱）安装 316
11.2.4 电气接线 316
11.3 储能系统设备现场交接检验 317
11.3.1 概述 317
11.3.2 集装箱及预制舱检验 318
11.3.3 箱（舱）内电气设备检验 319
11.3.4 消防系统检验 321
11.4 储能系统现场测试 321
11.4.1 概述 321
11.4.2 测试工作的相关要求 321
11.4.3 系统静态测试 323
11.4.4 系统动态测试 328
11.5 储能系统并网测试 332
参考文献 332

第12章 储能系统集成典型应用案例分析 334
12.1 概述 334
12.2 用户侧储能系统集成项目 334
12.2.1 项目基本情况 334
12.2.2 项目特点 334
12.2.3 主要技术 335
12.3 火储联合调频储能系统集成项目 335
12.3.1 项目基本情况 335
12.3.2 储能辅助火电机组调频的作用 336
12.3.3 储能系统接入模式 336
12.3.4 储能系统控制模式 336
12.3.5 储能系统效益 336
12.4 变电站调峰调频储能系统集成项目 337
12.4.1 项目基本情况 337
12.4.2 储能系统集成主要技术 337
12.5 新能源配套储能系统集成项目 338
12.5.1 项目基本情况 338
12.5.2 项目特点 338
12.5.3 储能系统集成主要技术 339
12.6 某独立储能系统集成项目 339
12.6.1 项目基本情况 339
12.6.2 项目特点 339
12.6.3 主要技术 340
12.6.4 项目优点 340