淺析MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能技術(shù)研究
周文浩
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】摘要：MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(CBESS)是未來電網(wǎng)發(fā)展的重要支持，能夠有效提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量。綜述了MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)概念和工作原理，全面闡述了MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，深入探討其發(fā)展前景和研究方向。
【關(guān)鍵詞】MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(CBESS)；集裝箱；智能電網(wǎng)；鋰電池
0引言
近年來國(guó)內(nèi)外MW級(jí)電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有容量高、可靠性強(qiáng)、靈活性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
相對(duì)其他儲(chǔ)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(guó)電力系統(tǒng)正處于用電高峰期供電緊張、輸配電容量利用率低、有功無功儲(chǔ)備短缺以及輸電效率低的狀況中。用戶側(cè)也對(duì)負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出了更高的要求。這些問題都加速了儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展。
儲(chǔ)能技術(shù)成為發(fā)展和建設(shè)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(chǔ)能方面的應(yīng)用有廣泛的空間。集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、大容量、可移動(dòng)、可靠性高、無污染、噪音低、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)充、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，所以集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能電源，是未來儲(chǔ)能的發(fā)展方向。
1.概念
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過PCS進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)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(jī)與電網(wǎng)等儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出可以上電并網(wǎng)、供應(yīng)各種負(fù)載設(shè)備以及電動(dòng)汽車充電機(jī)等。
分布式電源如柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等相對(duì)分散地接入低壓交流母線，然后通過升壓變壓器接入10kV或者更高電壓等級(jí)的電網(wǎng)，如圖1所示。微電網(wǎng)的主電源是儲(chǔ)能系統(tǒng)或柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式，作為系統(tǒng)電壓或調(diào)頻參考：
（1）風(fēng)儲(chǔ)運(yùn)行模式：儲(chǔ)能電池系統(tǒng)通過恒頻、恒壓(V/F)控制策略，保持微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。此種模式運(yùn)行情況下，柴油發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)一般采用*大輸出功跟蹤控制策略，當(dāng)風(fēng)能輸出功率大于負(fù)荷消耗功率，并且儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)較高時(shí)，也需要運(yùn)行在限功率狀態(tài)中。
（2）風(fēng)柴儲(chǔ)運(yùn)行模式：柴油發(fā)電機(jī)(通過勵(lì)磁和調(diào)速控制)或風(fēng)能發(fā)電機(jī)，建立微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率參考，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)采用恒功率控制(PQ)策略，通過接收后臺(tái)控制系統(tǒng)指令，接收對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)充/放電命。
2.設(shè)計(jì)
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包含鋰電池組、電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設(shè)備。其中技術(shù)核心是電池組、電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)、電池管理系統(tǒng)等。
MW級(jí)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，電池系統(tǒng)含有磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統(tǒng)和作為直流短路保護(hù)和電路隔離熔斷開關(guān)，所有的設(shè)備集中安裝在集裝箱內(nèi)。為滿足容量輸出要求，若干個(gè)電池模塊連接成一個(gè)電池簇，電池系統(tǒng)中的每一個(gè)電池簇的直流輸出，連接到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將DC-AC和AC-DC(雙向)，并控制功率。
圖2為MW級(jí)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要組成拓?fù)鋱D。
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)完成新能源接入，并網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、無人值守等功能，與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電站相比，具有安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、外形美觀等特點(diǎn)，特別適用于高海拔、嚴(yán)寒、島嶼、荒漠等復(fù)雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用需求。
3.結(jié)構(gòu)
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是以40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱為載體，內(nèi)置兩臺(tái)250kW儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將1MWh鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)集中裝在一個(gè)特制的箱體內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高集成度、大容量、可移動(dòng)的儲(chǔ)能設(shè)備，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點(diǎn)，滿足各種環(huán)境使用。
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部包含電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，紫色部分為風(fēng)道。圖4為集裝箱電池系統(tǒng)內(nèi)部圖。
4.優(yōu)勢(shì)
本文設(shè)計(jì)的MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有可移動(dòng)、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)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(yīng)性
方面都具有優(yōu)勢(shì)。其主要特點(diǎn)有以下幾面：
4.1模塊化設(shè)計(jì)：
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織是標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，允許遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和公路運(yùn)輸方便。它們可以懸掛在高架起重機(jī)上，船上，卡車和臨時(shí)用地。
4.2堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)：
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在運(yùn)輸過程中保護(hù)貨物，并將在能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護(hù)，免受天氣、運(yùn)輸及其他環(huán)境的侵害。
4.3可移動(dòng)性設(shè)計(jì)：
綜合比較其他儲(chǔ)能電池，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于質(zhì)量與體積，可移動(dòng)性強(qiáng)，不受地域限制。
4.4靈活的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：
集裝箱是很容易適用任何所需的選擇。這包括空調(diào)，光伏，風(fēng)機(jī)，通道門，電力電纜接入和其他等設(shè)備的接入。
5.應(yīng)用
以1MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)單元，具有廣泛的適用性，可以通過多個(gè)單元并聯(lián)組合擴(kuò)充容量，具有較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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)能與太陽能等新能源的特點(diǎn)是隨機(jī)性強(qiáng)、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(duì)電網(wǎng)的調(diào)度和控制產(chǎn)生一定的影響，甚至?xí)蓴_電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生新能源聯(lián)合應(yīng)用，將隨機(jī)變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定的輸出，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5.2備用電源
在偏遠(yuǎn)地區(qū)、供電可靠性差或者有重要負(fù)荷的地區(qū)，MW級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為備用電源，為發(fā)生故障的電網(wǎng)系統(tǒng)或者需要檢修時(shí)配電系統(tǒng)提供電源。MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠運(yùn)到一個(gè)地區(qū)并提供本地化的電力來源。當(dāng)惡劣氣候損壞公用電網(wǎng)系統(tǒng)，可用于緊急救援；或可用于尚未連接到電網(wǎng)的地區(qū)。MW級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)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(chǔ)能電能補(bǔ)給。
5.3微電網(wǎng)
微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分布式能源和用戶負(fù)荷的隨機(jī)性很大，很難保證發(fā)電用電的實(shí)時(shí)平衡，導(dǎo)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(chǔ)能技術(shù)可以抑制外部電網(wǎng)的干擾，保證局部用戶的電能質(zhì)量，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
5.4電能質(zhì)量
MW級(jí)集裝箱電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可連接到電網(wǎng)，從而提供快速響應(yīng)頻率調(diào)節(jié)電網(wǎng)的效用。
（1）可再生平滑：可用于風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)和大型太陽能光伏陣列連接平滑輸出這些可再生能源系統(tǒng)。
（2）遠(yuǎn)程軍事行動(dòng)：可用于遠(yuǎn)程軍事行動(dòng)沒有接入公用電網(wǎng)提供電力。MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為照明，通信和各種軍事電子硬件提供電力。可移動(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(chǔ)能技術(shù)還可以用于提高配網(wǎng)電能質(zhì)量。通過換流器提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)電壓跌落問題；為系統(tǒng)提供備用、調(diào)峰、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。
6.Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
6.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
6.3系統(tǒng)功能
系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)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(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)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(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。
系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。
滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
7結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、核心技術(shù)以及應(yīng)用方向，其在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于不斷發(fā)展階段，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模規(guī)范化的應(yīng)用，需要解決成本、政策、環(huán)境等非技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)等一系列相關(guān)問題。
MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有容量大、可靠性高、技術(shù)成熟、環(huán)保、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便、可擴(kuò)充性高等特點(diǎn)，因此MW級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)是未來儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。
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