MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)
2023-06-01
概要：MW 級集裝箱式電池儲能系統(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 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、應(yīng)用等方面的特點和優(yōu)勢，深入探討其發(fā)展前景和研究方向。
近年來國內(nèi)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(tǒng)具有容量高、可靠性強、靈活性高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在電網(wǎng)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。鋰電池儲能系統(tǒng)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,我國電力系統(tǒng)正處于用電高峰期供電緊張、輸配電容量利用率低、有功無功儲備短缺以及輸電效率低的狀況中。用戶側(cè)也對負荷側(cè)電能質(zhì)量提出了更高的要求。這些問題都加速了儲能技術(shù)的快速發(fā)展。
儲能技術(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)的進一步提高，使得鋰電池在儲能方面的應(yīng)用有廣泛的空間。集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、大容量、可移動、可靠性高、無污染、噪音低、適應(yīng)性強、可擴充、便于安裝等優(yōu)點，所以集裝箱儲能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的儲能電源，是未來儲能的發(fā)展方向。
1 概 念
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過PCS 進行充放電，實現(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)電機與電網(wǎng)等儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的輸出可以上電并網(wǎng)、供應(yīng)各種負載設(shè)備以及電動汽車充電機等。
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(tǒng)等相對分散地接入低壓交流母線，然后通過升壓變壓器接入10 kV 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(tǒng)或柴油發(fā)電機時，微電網(wǎng)有兩種運行模式，作為系統(tǒng)電壓或調(diào)頻參考：
(1) 風(fēng)儲運行模式：儲能電池系統(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(tǒng)一般采用最大輸出功跟蹤控制策略，當(dāng)風(fēng)能輸出功率大于負荷消耗功率，并且儲能電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)較高時，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(通過勵磁和調(diào)速控制)或風(fēng)能發(fā)電機，建立微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率參考，儲能電池系統(tǒng)采用恒功率控制(PQ)策略，通過接收后臺控制系統(tǒng)指令，接收對儲能電池系統(tǒng)充/ 放電命。
2 設(shè) 計
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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、電池系統(tǒng)熱設(shè)計、電池系統(tǒng)的保護技術(shù)、電池管理系統(tǒng)等。
MW 級集裝箱儲能系統(tǒng)由電池系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，電池系統(tǒng)含有先進的磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統(tǒng)和作為直流短路保護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，若干個電池模塊連接成一個電池簇，電池系統(tǒng)中的每一個電池簇的直流輸出，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 級集裝箱儲能系統(tǒng)的主要組成拓撲圖。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)完成新能源接入，并網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸、無人值守等功能，與傳統(tǒng)的儲能電站相比，具有安裝調(diào)試簡單、外形美觀等特點，特別適用于高海拔、嚴寒、島嶼、荒漠等復(fù)雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲能系統(tǒng)應(yīng)用需求。
3 結(jié) 構(gòu)
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以40 尺標準集裝箱為載體，內(nèi)置兩臺250 kW 儲能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將1 MWh 鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)集中裝在一個特制的箱體內(nèi)，以實現(xiàn)高集成度、大容量、可移動的儲能設(shè)備，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點，滿足各種環(huán)境使用。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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
本文設(shè)計的MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)有可移動、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用價值，此外，在軍事領(lǐng)域和環(huán)境適應(yīng)性方面都具有優(yōu)勢。其主要特點有以下幾面：
(1) 模塊化設(shè)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，卡車和臨時用地。
(2) 堅固耐用的設(shè)計：國際標準化組織在運輸過程中保護貨物，并將在能源儲存系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。
(3) 可移動性設(shè)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，可移動性強，不受地域限制。
(4) 靈活的基礎(chǔ)設(shè)計：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，通道門，電力電纜接入和其他等設(shè)備的接入。
5 應(yīng) 用
以1 MWh 儲能系統(tǒng)作為一個單元，具有廣泛的適用性，可以通過多個單元并聯(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)。
(1) 新能源接入
由于風(fēng)能與太陽能等新能源的特點是隨機性強、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)，會對電網(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。通過電池儲能系統(tǒng)與可再生新能源聯(lián)合應(yīng)用，將隨機變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的輸出，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(2) 備用電源
在偏遠地區(qū)、供電可靠性差或者有重要負荷的地區(qū)，MW級電池儲能系統(tǒng)可作為備用電源，為發(fā)生故障的電網(wǎng)系統(tǒng)或者需要檢修時配電系統(tǒng)提供電源。MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)能夠運到一個地區(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 級集裝箱式儲能系統(tǒng)可以并入電網(wǎng)進行充電，也可配置新能源接入進行儲能電能補給。
(3) 微電網(wǎng)
微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，分布式能源和用戶負荷的隨機性很大，很難保證發(fā)電用電的實時平衡，導(dǎo)致頻率波動范圍大，電壓波動劇烈。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，保證局部用戶的電能質(zhì)量，并進一步實現(xiàn)微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。
(4) 電能質(zhì)量
MW 級集裝箱電池儲能系統(tǒng)可永久連接到電網(wǎng)，從而提供快速響應(yīng)頻率調(diào)節(jié)電網(wǎng)的效用。
(a) 可再生平滑：可用于風(fēng)力農(nóng)場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)。
(b) 遠程軍事行動：可用于遠程軍事行動沒有接入公用電網(wǎng)提供電力。MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)可以為照明，通信和各種軍事電子硬件提供電力�？梢苿有赃�可以提高使用的靈活性，拓展新的市場商業(yè)模式，如短期可租賃性、臨時增容、在建工程用電等，具有比較大的發(fā)展空間
(c) 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。通過換流器提供動態(tài)無功補償，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，應(yīng)對電壓跌落問題；為系統(tǒng)提供備用、調(diào)峰、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。
6 結(jié) 論
本文詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統(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)和儲能技術(shù)等一系列相關(guān)問題。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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、安裝簡便、可擴充性高等特點，因此MW 級集裝箱式儲能系統(tǒng)是未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。
近年來國內(nèi)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(tǒng)具有容量高、可靠性強、靈活性高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在電網(wǎng)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。鋰電池儲能系統(tǒng)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,我國電力系統(tǒng)正處于用電高峰期供電緊張、輸配電容量利用率低、有功無功儲備短缺以及輸電效率低的狀況中。用戶側(cè)也對負荷側(cè)電能質(zhì)量提出了更高的要求。這些問題都加速了儲能技術(shù)的快速發(fā)展。
儲能技術(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)的進一步提高，使得鋰電池在儲能方面的應(yīng)用有廣泛的空間。集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、大容量、可移動、可靠性高、無污染、噪音低、適應(yīng)性強、可擴充、便于安裝等優(yōu)點，所以集裝箱儲能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的儲能電源，是未來儲能的發(fā)展方向。
1 概 念
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過PCS 進行充放電，實現(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)電機與電網(wǎng)等儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的輸出可以上電并網(wǎng)、供應(yīng)各種負載設(shè)備以及電動汽車充電機等。
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(tǒng)等相對分散地接入低壓交流母線，然后通過升壓變壓器接入10 kV 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(tǒng)或柴油發(fā)電機時，微電網(wǎng)有兩種運行模式，作為系統(tǒng)電壓或調(diào)頻參考：
(1) 風(fēng)儲運行模式：儲能電池系統(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(tǒng)一般采用最大輸出功跟蹤控制策略，當(dāng)風(fēng)能輸出功率大于負荷消耗功率，并且儲能電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)較高時，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(通過勵磁和調(diào)速控制)或風(fēng)能發(fā)電機，建立微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率參考，儲能電池系統(tǒng)采用恒功率控制(PQ)策略，通過接收后臺控制系統(tǒng)指令，接收對儲能電池系統(tǒng)充/ 放電命。
2 設(shè) 計
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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、電池系統(tǒng)熱設(shè)計、電池系統(tǒng)的保護技術(shù)、電池管理系統(tǒng)等。
MW 級集裝箱儲能系統(tǒng)由電池系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，電池系統(tǒng)含有先進的磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統(tǒng)和作為直流短路保護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，若干個電池模塊連接成一個電池簇，電池系統(tǒng)中的每一個電池簇的直流輸出，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 級集裝箱儲能系統(tǒng)的主要組成拓撲圖。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)完成新能源接入，并網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸、無人值守等功能，與傳統(tǒng)的儲能電站相比，具有安裝調(diào)試簡單、外形美觀等特點，特別適用于高海拔、嚴寒、島嶼、荒漠等復(fù)雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲能系統(tǒng)應(yīng)用需求。
3 結(jié) 構(gòu)
MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以40 尺標準集裝箱為載體，內(nèi)置兩臺250 kW 儲能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將1 MWh 鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)集中裝在一個特制的箱體內(nèi)，以實現(xiàn)高集成度、大容量、可移動的儲能設(shè)備，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點，滿足各種環(huán)境使用。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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
本文設(shè)計的MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)有可移動、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用價值，此外，在軍事領(lǐng)域和環(huán)境適應(yīng)性方面都具有優(yōu)勢。其主要特點有以下幾面：
(1) 模塊化設(shè)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，卡車和臨時用地。
(2) 堅固耐用的設(shè)計：國際標準化組織在運輸過程中保護貨物，并將在能源儲存系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。
(3) 可移動性設(shè)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，可移動性強，不受地域限制。
(4) 靈活的基礎(chǔ)設(shè)計：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，通道門，電力電纜接入和其他等設(shè)備的接入。
5 應(yīng) 用
以1 MWh 儲能系統(tǒng)作為一個單元，具有廣泛的適用性，可以通過多個單元并聯(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)。
(1) 新能源接入
由于風(fēng)能與太陽能等新能源的特點是隨機性強、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)，會對電網(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。通過電池儲能系統(tǒng)與可再生新能源聯(lián)合應(yīng)用，將隨機變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的輸出，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(2) 備用電源
在偏遠地區(qū)、供電可靠性差或者有重要負荷的地區(qū)，MW級電池儲能系統(tǒng)可作為備用電源，為發(fā)生故障的電網(wǎng)系統(tǒng)或者需要檢修時配電系統(tǒng)提供電源。MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)能夠運到一個地區(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 級集裝箱式儲能系統(tǒng)可以并入電網(wǎng)進行充電，也可配置新能源接入進行儲能電能補給。
(3) 微電網(wǎng)
微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，分布式能源和用戶負荷的隨機性很大，很難保證發(fā)電用電的實時平衡，導(dǎo)致頻率波動范圍大，電壓波動劇烈。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，保證局部用戶的電能質(zhì)量，并進一步實現(xiàn)微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。
(4) 電能質(zhì)量
MW 級集裝箱電池儲能系統(tǒng)可永久連接到電網(wǎng)，從而提供快速響應(yīng)頻率調(diào)節(jié)電網(wǎng)的效用。
(a) 可再生平滑：可用于風(fēng)力農(nóng)場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)。
(b) 遠程軍事行動：可用于遠程軍事行動沒有接入公用電網(wǎng)提供電力。MW 級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)可以為照明，通信和各種軍事電子硬件提供電力�？梢苿有赃�可以提高使用的靈活性，拓展新的市場商業(yè)模式，如短期可租賃性、臨時增容、在建工程用電等，具有比較大的發(fā)展空間
(c) 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。通過換流器提供動態(tài)無功補償，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，應(yīng)對電壓跌落問題；為系統(tǒng)提供備用、調(diào)峰、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。
6 結(jié) 論
本文詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統(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)和儲能技術(shù)等一系列相關(guān)問題。
MW 級集裝箱式電池儲能系統(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、安裝簡便、可擴充性高等特點，因此MW 級集裝箱式儲能系統(tǒng)是未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。
