淺析MW級集裝箱式電池儲能技術(shù)研究

淺析MW級集裝箱式電池儲能技術(shù)研究

王曉昭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】摘要：MW級集裝箱式電池儲能系統(CBESS)是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要支持，能夠有效提高電力系統的穩定性、可靠性和電能質(zhì)量。綜述了MW級集裝箱式電池儲能系統的研究現狀，詳細介紹了MW級集裝箱式電池儲能系統的相關(guān)概念和工作原理，全面闡述了MW級集裝箱式電池儲能系統的結構、設計、應用等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢，深入探討其發(fā)展前景和研究方向。

【關(guān)鍵詞】MW級集裝箱式電池儲能系統(CBESS)；集裝箱；智能電網(wǎng)；鋰電池

0引言

近年來(lái)國內外MW級電池儲能技術(shù)發(fā)展迅速，集裝箱式電池儲能系統具有容量高、可靠性強、靈活性高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)系統具有廣泛的應用前景。鋰電池儲能系統

相對其他儲能電池較成熟，上下游產(chǎn)業(yè)鏈配套完善，成本下降空間較大；同時(shí),我國電力系統正處于用電高峰期供電緊張、輸配電容量利用率低、有功無(wú)功儲備短缺以及輸電效率低的狀況中。用戶(hù)側也對負荷側電能質(zhì)量提出了更高的要求。這些問(wèn)題都加速了儲能技術(shù)的快速發(fā)展。

儲能技術(shù)成為發(fā)展和建設智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其具有改善電網(wǎng)的低能質(zhì)量，加大可再生能源的利用率。隨著(zhù)新一代鋰電池材料的迅速發(fā)展，以及電池技術(shù)的進(jìn)一步提高，使得鋰電池在儲能方面的應用有廣泛的空間。集裝箱式電池儲能系統具有技術(shù)成熟、大容量、可移動(dòng)、可靠性高、無(wú)污染、噪音低、適應性強、可擴充、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，所以集裝箱儲能系統作為電力系統的儲能電源，是未來(lái)儲能的發(fā)展方向。

1.概念

MW級集裝箱式電池儲能系統是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過(guò)PCS進(jìn)行充放電，實(shí)現與電力系統的多種能量交換，并可接入多種供電模式，如光伏陣列、風(fēng)能、柴油發(fā)電機與電網(wǎng)等儲能系統。儲能系統的輸出可以上電并網(wǎng)、供應各種負載設備以及電動(dòng)汽車(chē)充電機等。

分布式電源如柴油發(fā)電機、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電池儲能系統等相對分散地接入低壓交流母線(xiàn)，然后通過(guò)升壓變壓器接入10kV或者更高電壓等級的電網(wǎng)，如圖1所示。微電網(wǎng)的主電源是儲能系統或柴油發(fā)電機時(shí)，微電網(wǎng)有兩種運行模式，作為系統電壓或調頻參考：

（1）風(fēng)儲運行模式：儲能電池系統通過(guò)恒頻、恒壓(V/F)控制策略，保持微電網(wǎng)系統電壓和頻率的穩定性。此種模式運行情況下，柴油發(fā)電機處于靜止狀態(tài)，風(fēng)能發(fā)電系統一般采用*大輸出功跟蹤控制策略，當風(fēng)能輸出功率大于負荷消耗功率，并且儲能電池系統的荷電狀態(tài)(SOC)較高時(shí)，也需要運行在限功率狀態(tài)中。

（2）風(fēng)柴儲運行模式：柴油發(fā)電機(通過(guò)勵磁和調速控制)或風(fēng)能發(fā)電機，建立微電網(wǎng)系統電壓和頻率參考，儲能電池系統采用恒功率控制(PQ)策略，通過(guò)接收后臺控制系統指令，接收對儲能電池系統充/放電命。

2.設計

MW級集裝箱式電池儲能系統包含鋰電池組、電池管理系統、能量轉換系統、控制系統等設備。其中技術(shù)核心是電池組、電池簇結構設計、電池系統熱設計、電池系統的保護技術(shù)、電池管理系統等。

MW級集裝箱儲能系統由電池系統和能量轉換系統組成，電池系統含有磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統和作為直流短路保護和電路隔離熔斷開(kāi)關(guān)，所有的設備集中安裝在集裝箱內。為滿(mǎn)足容量輸出要求，若干個(gè)電池模塊連接成一個(gè)電池簇，電池系統中的每一個(gè)電池簇的直流輸出，連接到能量轉換系統，將DC-AC和AC-DC(雙向)，并控制功率。

圖2為MW級集裝箱儲能系統的主要組成拓撲圖。

MW級集裝箱式電池儲能系統完成新能源接入，并網(wǎng)控制、數據采集、遠程傳輸、無(wú)人值守等功能，與傳統的儲能電站相比，具有安裝調試簡(jiǎn)單、外形美觀(guān)等特點(diǎn)，特別適用于高海拔、嚴寒、島嶼、荒漠等復雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲能系統應用需求。

3.結構

MW級集裝箱式電池儲能系統是以40尺標準集裝箱為載體，內置兩臺250kW儲能能量轉換系統，將1MWh鋰電池系統、電池管理系統、儲能監控系統、空調系統、消防系統、配電系統集中裝在一個(gè)特制的箱體內，以實(shí)現高集成度、大容量、可移動(dòng)的儲能設備，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點(diǎn)，滿(mǎn)足各種環(huán)境使用。

MW級集裝箱式電池儲能系統內部包含電池系統、電池管理系統、能量轉換系統以及控制系統等。

如圖3所示：黑色部分為電池室中有6個(gè)電池簇并聯(lián)，灰色部分為能轉換系統、空調系統和控制系統，紫色部分為風(fēng)道。圖4為集裝箱電池系統內部圖。

4.優(yōu)勢

本文設計的MW級集裝箱式電池儲能系統有可移動(dòng)、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，不論從商業(yè)角度還是在技術(shù)角度都具有一定的實(shí)用價(jià)值，此外，在軍事領(lǐng)域和環(huán)境適應性

方面都具有優(yōu)勢。其主要特點(diǎn)有以下幾面：

4.1模塊化設計：

國際標準化組織是標準的尺寸，允許遠洋運輸和公路運輸方便。它們可以懸掛在高架起重機上，船上，卡車(chē)和臨時(shí)用地。

4.2堅固耐用的設計：

國際標準化組織在運輸過(guò)程中保護貨物，并將在能源儲存系統的生命期內提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。

4.3可移動(dòng)性設計：

綜合比較其他儲能電池，鋰電池儲能技術(shù)的優(yōu)勢在于質(zhì)量與體積，可移動(dòng)性強，不受地域限制。

4.4靈活的基礎設計：

集裝箱是很容易適用任何所需的選擇。這包括空調，光伏，風(fēng)機，通道門(mén)，電力電纜接入和其他等設備的接入。

5.應用

以1MWh儲能系統作為一個(gè)單元，具有廣泛的適用性，可以通過(guò)多個(gè)單元并聯(lián)組合擴充容量，具有較好的競爭優(yōu)勢，也可接入新能源或作為智能電網(wǎng)的分布式電源接入電網(wǎng)。

5.1新能源接入

由于風(fēng)能與太陽(yáng)能等新能源的特點(diǎn)是隨機性強、間歇性高，出力變化快，新能源直接并網(wǎng)，特別是大容量的接入電網(wǎng)，會(huì )對電網(wǎng)的調度和控制產(chǎn)生一定的影響，甚至會(huì )干擾電網(wǎng)的穩定性。通過(guò)電池儲能系統與可再生新能源聯(lián)合應用，將隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出，保證了電網(wǎng)系統的穩定性。

5.2備用電源

在偏遠地區、供電可靠性差或者有重要負荷的地區，MW級電池儲能系統可作為備用電源，為發(fā)生故障的電網(wǎng)系統或者需要檢修時(shí)配電系統提供電源。MW級集裝箱式電池儲能系統能夠運到一個(gè)地區并提供本地化的電力來(lái)源。當惡劣氣候損壞公用電網(wǎng)系統，可用于緊急救援；或可用于尚未連接到電網(wǎng)的地區。MW級集裝箱式儲能系統可以并入電網(wǎng)進(jìn)行充電，也可配置新能源接入進(jìn)行儲能電能補給。

5.3微電網(wǎng)

微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時(shí)，分布式能源和用戶(hù)負荷的隨機性很大，很難保證發(fā)電用電的實(shí)時(shí)平衡，導致頻率波動(dòng)范圍大，電壓波動(dòng)劇烈。大容量、高效的電池儲能技術(shù)可以抑制外部電網(wǎng)的干擾，保證局部用戶(hù)的電能質(zhì)量，并進(jìn)一步實(shí)現微電網(wǎng)的平穩運行。

5.4電能質(zhì)量

MW級集裝箱電池儲能系統可永久連接到電網(wǎng)，從而提供快速響應頻率調節電網(wǎng)的效用。

（1）可再生平滑：可用于風(fēng)力農場(chǎng)和大型太陽(yáng)能光伏陣列連接平滑輸出這些可再生能源系統。

（2）遠程軍事行動(dòng)：可用于遠程軍事行動(dòng)沒(méi)有接入公用電網(wǎng)提供電力。MW級集裝箱式電池儲能系統可以為照明，通信和各種軍事電子硬件提供電力?？梢苿?dòng)性還可以提高使用的靈活性，拓展新的市場(chǎng)商業(yè)模式，如短期可租賃性、臨時(shí)增容、在建工程用電等，具有比較的發(fā)展空間

（3）其他：大容量電池儲能技術(shù)還可以用于提高配網(wǎng)電能質(zhì)量。通過(guò)換流器提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，提高系統電壓穩定性，應對電壓跌落問(wèn)題；為系統提供備用、調峰、電力系統穩定器等。

6.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

6.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

6.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

6.3系統功能

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

系統能夠對PCS充放電功率曲線(xiàn)、SOC變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

7結束語(yǔ)

本文詳細介紹了MW級集裝箱式電池儲能系統的概念、結構、核心技術(shù)以及應用方向，其在電網(wǎng)系統中的應用還處于不斷發(fā)展階段，要實(shí)現大規模規范化的應用，需要解決成本、政策、環(huán)境等非技術(shù)和儲能技術(shù)等一系列相關(guān)問(wèn)題。

MW級集裝箱式電池儲能系統具有容量大、可靠性高、技術(shù)成熟、環(huán)保、環(huán)境適應性強、安裝簡(jiǎn)便、可擴充性高等特點(diǎn)，因此MW級集裝箱式儲能系統是未來(lái)儲能技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻

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[2］張文亮，丘明，來(lái)小康.儲能技術(shù)在電力系統中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(7)：

[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡(jiǎn)介：

王曉昭，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事儲能柜能量管理系統的研究與應用，手機：18702112137（微信同號）QQ：2881068609