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淺談MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與應用探究

發(fā)布時間： 2024-07-23　　點擊次數(shù)： 77次

安科瑞陳聰

摘要：MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)在新能源、微電網(wǎng)、移動式電站等領域的應用愈加廣泛。針對現(xiàn)階段這一技術的發(fā)展現(xiàn)狀，首先簡述了集裝箱式儲能系統(tǒng)的概念，其次分析了電池儲能相比其他形式儲能方式的優(yōu)勢以及現(xiàn)代電力系統(tǒng)中電池儲能技術的應用特點，*后以額定功率100kW可以運行15min的儲能系統(tǒng)為例設計了1套儲能系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)。

關鍵詞：MW級別集裝箱式儲能系統(tǒng)；基本概念；研究現(xiàn)狀；溫度管理系統(tǒng)

0引言

當前，隨著新能源的使用規(guī)模不斷擴大，儲能技術特別是MW級電池儲能技術取得了突破。MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)兼具了儲能容量高、運行可靠性、可操作性強以及普適應性強等諸多優(yōu)勢，因而在太陽能、風能、地熱能等領域獲得了廣泛的應用前景。與其他儲能電池技術相比，目前鋰電池儲能綜合系統(tǒng)的設計研究已相對成熟，具有完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，在實際運營中對于成本的控制有較大操作空間[1]。隨著材料科學的發(fā)展，集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具備了更大的容量、更便捷的操作性、更可靠的拼裝擴容性，同時具有低污染、低噪音等一系列優(yōu)勢，成為了未來儲能系統(tǒng)設計研究的重要方向[2]。

1應用研究現(xiàn)狀

1.1儲能方式對比

從原理角度考慮，能量儲存方式包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電池儲能以及超*大容量電容器等。抽水儲能就是將一定量的水抽取到更高位置，實現(xiàn)電能向勢能的轉換，把多余的電能儲存起來；壓縮空氣儲能指在負載用電量較小時，利用電動壓縮機將空氣壓入儲罐，等到負載用電需求變高時利用高壓空氣推動汽輪機進行發(fā)電，從而實現(xiàn)電能-內(nèi)能-電能的循環(huán)轉化；飛輪儲能實質是動能與電能之間的轉化，能夠實現(xiàn)短時間充放電，但儲能量較小，適合于短時間高功率變化率情況；超導儲能對設備的技術要求較高，通過超導介質將富余電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場的形式儲存起來。從電路原理來看，這一方式的能量轉化速率*高，能夠在較短時間內(nèi)釋放大量的電能，在智能電網(wǎng)中有很高的應用價值[3,4]。

1.2集裝箱式儲能系統(tǒng)特點及應用方式

通常來說，集裝箱式儲能系統(tǒng)往往容量很大，其典型功率大都達到MW級。在發(fā)電、輸電、變電中，其設計持續(xù)運行時間一般都要求幾十分鐘至幾小時。特別是在大規(guī)模風能、太陽能發(fā)電機組并網(wǎng)中，在實現(xiàn)電能輸出的平穩(wěn)性、降低電網(wǎng)供電峰谷差、均衡負荷、保護電網(wǎng)穩(wěn)定性以及提高電能利用效率等方面，一般配置超大規(guī)模的儲能系統(tǒng)[5-7]。集裝箱式儲能系統(tǒng)通過將電池管理系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、熱量控制系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)以車載集裝箱的形式集成綜合能量管理系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)進行調(diào)控。以移動式電站為例，集裝箱式儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)末端的結構如圖1所示，用于提高配電網(wǎng)供電效能以及電能利用率，可以作為微電網(wǎng)中的分布式電源，與風電、光電及一些重要負荷連接于交流母線，實現(xiàn)與微網(wǎng)進行雙向的能量交換，提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時，移動式電站可以作為應急電源接入微電網(wǎng)，發(fā)揮備用電源的作用，如圖2所示。

1.3移動式儲能設備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的作用

MW級集裝箱式儲能系統(tǒng)的容量可調(diào)節(jié)空間很大，針對不同應用場景實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的均衡負荷、削峰填谷，快速發(fā)揮作為應急電源、穩(wěn)定電網(wǎng)的作用，綜合來看具體優(yōu)點如下。一是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。輸變電系統(tǒng)發(fā)生復雜因素擾動時，特別是并網(wǎng)功率峰谷變化劇烈時，儲能系統(tǒng)通過充放電控制系統(tǒng)振蕩效應，進而維持大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。二是維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。當負載在短時間內(nèi)大幅增加時，就會導致電網(wǎng)電壓急劇跌落，此時處于電網(wǎng)末端的大規(guī)模集裝箱式儲能系統(tǒng)可以快速響應，對電網(wǎng)放電，從而實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。三是應急電源。一些重要的負載如精密實驗儀器、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)線等在發(fā)生斷電突發(fā)情況后需要使用UPS應急供電，但傳統(tǒng)的UPS容量小，只能維持較短的供電時間，而固定式儲能電站雖然容量大但建設成本大，很難在實際生產(chǎn)生活中解決問題。相比之下，集裝箱式儲能系統(tǒng)容量大、響應快、移動便捷，在作為應急電源時更具優(yōu)勢。四是配合新能源。儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為新能源電站的必要組成部分，特別是在氣候環(huán)境復雜條件下的太陽能、風能發(fā)電廠，集裝箱式儲能系統(tǒng)的適應能力強，在應對功率預測難度大、不確定因素多等問題時能夠發(fā)揮巨大的作用。

2應用研究

MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構成，包括電池組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及熱控制系統(tǒng)等。目前，鋰離子電池是MW級儲能系統(tǒng)常用的儲能載體，其能量密度高，但也存在電池組整體安全性與壽命比單體電池低的問題，在*端情況下還有燃燒、爆炸的風險。儲能系統(tǒng)整體運行時，如果電池單體的電性能統(tǒng)一，就可能發(fā)生個別電池“充不飽"而另一些電池“充太飽"或放電過程中部分電池放電過度的問題。在這些工況下，電池內(nèi)阻會變大。長時間運行便會嚴重損害電池的使用效率，降低其使用壽命，因此MW級集裝箱式儲能系統(tǒng)為了滿足應用場景，常會由成千上萬個單體電池通過串聯(lián)來組成[8]。

2.1電池組系統(tǒng)

以額定功率100kW及以上且儲能時間不低于15min的儲能系統(tǒng)進行分析，整體包含了監(jiān)控系統(tǒng)、能量轉換系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）及電池系統(tǒng)等。其中，由64個電池模塊串聯(lián)組成電池組，每個電池模塊由8個電池單體組成，正常運行時電池系統(tǒng)*高電壓為900V。為了發(fā)揮整組電池效能，就要盡可能使各單體電池的電性能一致，還要優(yōu)化電池管理控制系統(tǒng)，增加電池組整體容量，延長單體電池使用壽命?？傮w來講，電池管理控制系統(tǒng)應具備對所有單體電池電流、電壓、溫度、電荷狀態(tài)（StateofCharge，SoC）以及電池健康狀態(tài)（StateofHealth，SOH）的監(jiān)控能力，配備智能的故障警示系統(tǒng)，當某一模塊參數(shù)出現(xiàn)較大變動可能引起溫度、電性能等異常時可以及時報警，并提示監(jiān)控人員給予相應的處理措施。

2.2熱管理系統(tǒng)

電池熱管理是系統(tǒng)保持持續(xù)、穩(wěn)定、安全運行的關鍵。電池散熱包括風冷、自然散熱、循環(huán)液冷和相變直冷等。由于集裝箱內(nèi)空間有限，氣體流通受阻，效率較低的自然散熱并不適用；而循環(huán)液冷技術難度更大，對設備硬件、人員能力的要求都較高，應用于MW級集裝箱式儲能系統(tǒng)會帶來巨大的成本投入。相較而言，基于工業(yè)空調(diào)的強迫風冷散熱技術更加適用于集裝箱式儲能系統(tǒng)。

2.2.1風道結構設計

風道結構設計時要充分考慮到集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小的問題。儲能系統(tǒng)散熱風道結構如圖3所示，依據(jù)集裝箱結構特點將主風道、各部位擋風板、風道出口對稱布置在左右側。其中，空調(diào)輸出氣流經(jīng)由主風道輸送至各風道出口；主風道內(nèi)的擋風板通過控制方向與開度調(diào)節(jié)各風道出口的氣流量，依據(jù)不同模塊熱量產(chǎn)生情況實時動態(tài)調(diào)節(jié)，確保各單體電池保持溫度一致，電性能協(xié)調(diào)；電池架兩端的擋風板防止制冷氣流從集裝箱中逃逸，提高溫度管理系統(tǒng)的效率。

電池組內(nèi)部氣體的流如圖4所示，在電池模塊前端面板風扇的作用下，空調(diào)輸出的冷氣流在一定速度下經(jīng)過風道出口后，從電池模塊后端面板進風口進入電池模塊內(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面進行熱量交換，進而實現(xiàn)對電池單體的降溫，熱氣流由風扇抽出。

儲能電池組的基本外觀結構如圖5（a）所示，其中空調(diào)輸出氣流自模組后端面板開孔處流向內(nèi)部，然后經(jīng)由前端面板設計的軸流風扇抽出，形成整個電池模組內(nèi)高效流動的換熱系統(tǒng)。模組內(nèi)部氣體如圖5（b）所示，各電池單體間隙為3mm，氣流進入電池模塊內(nèi)部后均勻流經(jīng)電池單體表面進行換熱。這一熱控系統(tǒng)*大限度地降低了冷卻風量的損失，達到節(jié)能作用。

2.2.2溫度控制

空調(diào)控制與風扇控制子模塊共同構成儲能系統(tǒng)溫控系統(tǒng)。以對電池模塊溫度數(shù)據(jù)為控制變量，采用比例、積分和微分（ProportionIntegralDifferential，PID）邏輯控制對風量進行實時動態(tài)調(diào)整。依據(jù)環(huán)境溫度不同，系統(tǒng)包含制冷與制熱2種模式。考慮到電池內(nèi)部化學性能穩(wěn)定性，設置2個臨界溫度點，當集裝箱內(nèi)部溫度低于12℃時，啟動制熱模式，當高于28℃時，啟動制冷模式。各風扇的轉速由獨立的控制單元控制，依據(jù)不同模塊溫度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體溫度的平衡。

3.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(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(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

3.2系統(tǒng)結構

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

3.3接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設備接入。

序號	設備類型	數(shù)量	設備接入	備注
1	PCS	1	LAN口/RS485	必裝
2	BMS	1	RS485	必裝
3	表計(儲能/防逆流/負荷)	1	RS485	必裝
4	冷卻主機	1	RS485	必裝
5	消防主機	1	RS485	必裝
6	溫濕度傳感器	1	RS485	必裝
7	煙霧傳感器	1	干接點	必裝
8	消防設備	1	干接點	必裝
9	水浸傳感器	1	干接點	選裝
10	除濕機	1	RS485	選裝
11	門禁	1	RS485	選裝
12	視頻	1	RJ45	選裝

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

3.4.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測；實現(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，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

3.4.3曲線報表

系統(tǒng)能夠對PCS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。

3.4.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

3.4.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)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。

3.4.6事件查詢統(tǒng)計

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

3.4.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

3.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

序號	設備	型號	圖片	說明
1	儲能能量管理系統(tǒng)	Acrel-2000ES		實現(xiàn)儲能設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，統(tǒng)計分析、異常告警、優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)轉發(fā)等；策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等。
2	觸摸屏電腦	PPX-133L		1)承接系統(tǒng)軟件 2)可視化展示:顯示系統(tǒng)運行信息
3	交流計量表計	DTSD1352		集成電力參量及電能計量及考核管理，提供各類電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和開關量輸出可實現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備報警輸出。帶有RS485通信接口，可選用MODBUS-RTU或DL/T645協(xié)議。
4	直流計量表計	DJSF1352		表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等;具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645協(xié)議;可帶繼電器報警輸出和開關量輸入功能。
5	溫度在線監(jiān)測裝置	ARTM-8		適用于多路溫度的測量和控制，支持測量8通道溫度;每一通道溫度測量對應2段報警，繼電器輸出可以任意設置報警方向及報警值。
6	通訊管理機	ANet-2E8S1		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總；提供規(guī)約轉換、透明轉發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉換、邊緣計算等多項功能；實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù)。
7	串口服務器	Aport		功能:轉換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。1)空調(diào)的開關，調(diào)溫，及斷電(二次開關實現(xiàn))；2)上傳配電柜各個空開信號；3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設備
8	遙信模塊	ARTU-KJ8		1)反饋各個設備狀態(tài)，將相關數(shù)據(jù)到串口服務器；2)讀消防1/0信號，并轉發(fā)給到上層(關機、事件上報等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉發(fā)給到上層(水浸信號事件上報)；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發(fā)給到上層(門禁事件上報)。