淺談MW級集裝箱式電池儲能係統的研究現狀與應用探究

hth下载地址 陳聰

摘要：MW級集裝箱式電池儲(chu) 能係統在新能源、微電網、移動式電站等領域的應用愈加廣泛。針對現階段這一技術的發展現狀，首先簡述了集裝箱式儲(chu) 能係統的概念，其次分析了電池儲(chu) 能相比其他形式儲(chu) 能方式的優(you) 勢以及現代電力係統中電池儲(chu) 能技術的應用特點，*後以額定功率100kW可以運行15min的儲(chu) 能係統為(wei) 例設計了1套儲(chu) 能係統溫度控製係統。

關(guan) 鍵詞：MW級別集裝箱式儲(chu) 能係統；基本概念；研究現狀；溫度管理係統

0引言

當前，隨著新能源的使用規模不斷擴大，儲(chu) 能技術特別是MW級電池儲(chu) 能技術取得了突破。MW級集裝箱式電池儲(chu) 能係統兼具了儲(chu) 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(you) 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(yu) 其他儲(chu) 能電池技術相比，目前鋰電池儲(chu) 能綜合係統的設計研究已相對成熟，具有完整的上下遊產(chan) 業(ye) 鏈，在實際運營中對於(yu) 成本的控製有較大操作空間[1]。隨著材料科學的發展，集裝箱式電池儲(chu) 能係統具備了更大的容量、更便捷的操作性、更可靠的拚裝擴容性，同時具有低汙染、低噪音等一係列優(you) 勢，成為(wei) 了未來儲(chu) 能係統設計研究的重要方向[2]。

1應用研究現狀

1.1儲(chu) 能方式對比

從(cong) 原理角度考慮，能量儲(chu) 存方式包括抽水儲(chu) 能、壓縮空氣儲(chu) 能、飛輪儲(chu) 能、超導儲(chu) 能、電池儲(chu) 能以及超*大容量電容器等。抽水儲(chu) 能就是將一定量的水抽取到更高位置，實現電能向勢能的轉換，把多餘(yu) 的電能儲(chu) 存起來；壓縮空氣儲(chu) 能指在負載用電量較小時，利用電動壓縮機將空氣壓入儲(chu) 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電，從(cong) 而實現電能-內(nei) 能-電能的循環轉化；飛輪儲(chu) 能實質是動能與(yu) 電能之間的轉化，能夠實現短時間充放電，但儲(chu) 能量較小，適合於(yu) 短時間高功率變化率情況；超導儲(chu) 能對設備的技術要求較高，通過超導介質將富餘(yu) 電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場的形式儲(chu) 存起來。從(cong) 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(nei) 釋放大量的電能，在智能電網中有很高的應用價(jia) 值[3,4]。

1.2集裝箱式儲(chu) 能係統特點及應用方式

通常來說，集裝箱式儲(chu) 能係統往往容量很大，其典型功率大都達到MW級。在發電、輸電、變電中，其設計持續運行時間一般都要求幾十分鍾至幾小時。特別是在大規模風能、太陽能發電機組並網中，在實現電能輸出的平穩性、降低電網供電峰穀差、均衡負荷、保護電網穩定性以及提高電能利用效率等方麵，一般配置超大規模的儲(chu) 能係統[5-7]。集裝箱式儲(chu) 能係統通過將電池管理係統、功率控製係統、熱量控製係統等多個(ge) 子係統以車載集裝箱的形式集成綜合能量管理係統對儲(chu) 能係統進行調控。以移動式電站為(wei) 例，集裝箱式儲(chu) 能係統接入配電網末端的結構如圖1所示，用於(yu) 提高配電網供電效能以及電能利用率，可以作為(wei) 微電網中的分布式電源，與(yu) 風電、光電及一些重要負荷連接於(yu) 交流母線，實現與(yu) 微網進行雙向的能量交換，提高微網的穩定性。同時，移動式電站可以作為(wei) 應急電源接入微電網，發揮備用電源的作用，如圖2所示。

1.3移動式儲(chu) 能設備在現代電力係統中的作用

MW級集裝箱式儲(chu) 能係統的容量可調節空間很大，針對不同應用場景實現對電力係統的均衡負荷、削峰填穀，快速發揮作為(wei) 應急電源、穩定電網的作用，綜合來看具體(ti) 優(you) 點如下。一是維持電力係統穩定。輸變電係統發生複雜因素擾動時，特別是並網功率峰穀變化劇烈時，儲(chu) 能係統通過充放電控製係統振蕩效應，進而維持大電網的穩定性。二是維持電網電壓穩定。當負載在短時間內(nei) 大幅增加時，就會(hui) 導致電網電壓急劇跌落，此時處於(yu) 電網末端的大規模集裝箱式儲(chu) 能係統可以快速響應，對電網放電，從(cong) 而實現對電壓的調節。三是應急電源。一些重要的負載如精密實驗儀(yi) 器、軌道交通、工業(ye) 生產(chan) 線等在發生斷電突發情況後需要使用UPS應急供電，但傳(chuan) 統的UPS容量小，隻能維持較短的供電時間，而固定式儲(chu) 能電站雖然容量大但建設成本大，很難在實際生產(chan) 生活中解決(jue) 問題。相比之下，集裝箱式儲(chu) 能係統容量大、響應快、移動便捷，在作為(wei) 應急電源時更具優(you) 勢。四是配合新能源。儲(chu) 能係統已經成為(wei) 新能源電站的必要組成部分，特別是在氣候環境複雜條件下的太陽能、風能發電廠，集裝箱式儲(chu) 能係統的適應能力強，在應對功率預測難度大、不確定因素多等問題時能夠發揮巨大的作用。

2應用研究

MW級集裝箱式電池儲(chu) 能係統由多個(ge) 子係統構成，包括電池組、電池管理係統、熱管理係統以及熱控製係統等。目前，鋰離子電池是MW級儲(chu) 能係統常用的儲(chu) 能載體(ti) ，其能量密度高，但也存在電池組整體(ti) 安全性與(yu) 壽命比單體(ti) 電池低的問題，在*端情況下還有燃燒、爆炸的風險。儲(chu) 能係統整體(ti) 運行時，如果電池單體(ti) 的電性能統一，就可能發生個(ge) 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(nei) 阻會(hui) 變大。長時間運行便會(hui) 嚴(yan) 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(chu) 能係統為(wei) 了滿足應用場景，常會(hui) 由成千上萬(wan) 個(ge) 單體(ti) 電池通過串聯來組成[8]。

2.1電池組係統

以額定功率100kW及以上且儲(chu) 能時間不低於(yu) 15min的儲(chu) 能係統進行分析，整體(ti) 包含了監控係統、能量轉換係統、電池管理係統（BatteryManagementSystem，BMS）及電池係統等。其中，由64個(ge) 電池模塊串聯組成電池組，每個(ge) 電池模塊由8個(ge) 電池單體(ti) 組成，正常運行時電池係統*高電壓為(wei) 900V。為(wei) 了發揮整組電池效能，就要盡可能使各單體(ti) 電池的電性能一致，還要優(you) 化電池管理控製係統，增加電池組整體(ti) 容量，延長單體(ti) 電池使用壽命。總體(ti) 來講，電池管理控製係統應具備對所有單體(ti) 電池電流、電壓、溫度、電荷狀態（StateofCharge，SoC）以及電池健康狀態（StateofHealth，SOH）的監控能力，配備智能的故障警示係統，當某一模塊參數出現較大變動可能引起溫度、電性能等異常時可以及時報警，並提示監控人員給予相應的處理措施。

2.2熱管理係統

電池熱管理是係統保持持續、穩定、安全運行的關(guan) 鍵。電池散熱包括風冷、自然散熱、循環液冷和相變直冷等。由於(yu) 集裝箱內(nei) 空間有限，氣體(ti) 流通受阻，效率較低的自然散熱並不適用；而循環液冷技術難度更大，對設備硬件、人員能力的要求都較高，應用於(yu) MW級集裝箱式儲(chu) 能係統會(hui) 帶來巨大的成本投入。相較而言，基於(yu) 工業(ye) 空調的強迫風冷散熱技術更加適用於(yu) 集裝箱式儲(chu) 能係統。

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(chu) 能係統內(nei) 部空間狹小的問題。儲(chu) 能係統散熱風道結構如圖3所示，依據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(ce) 。其中，空調輸出氣流經由主風道輸送至各風道出口；主風道內(nei) 的擋風板通過控製方向與(yu) 開度調節各風道出口的氣流量，依據不同模塊熱量產(chan) 生情況實時動態調節，確保各單體(ti) 電池保持溫度一致，電性能協調；電池架兩(liang) 端的擋風板防止製冷氣流從(cong) 集裝箱中逃逸，提高溫度管理係統的效率。

電池組內(nei) 部氣體(ti) 的流如圖4所示，在電池模塊前端麵板風扇的作用下，空調輸出的冷氣流在一定速度下經過風道出口後，從(cong) 電池模塊後端麵板進風口進入電池模塊內(nei) 部，流經電池單體(ti) 表麵進行熱量交換，進而實現對電池單體(ti) 的降溫，熱氣流由風扇抽出。

儲(chu) 能電池組的基本外觀結構如圖5（a）所示，其中空調輸出氣流自模組後端麵板開孔處流向內(nei) 部，然後經由前端麵板設計的軸流風扇抽出，形成整個(ge) 電池模組內(nei) 高效流動的換熱係統。模組內(nei) 部氣體(ti) 如圖5（b）所示，各電池單體(ti) 間隙為(wei) 3mm，氣流進入電池模塊內(nei) 部後均勻流經電池單體(ti) 表麵進行換熱。這一熱控係統*大限度地降低了冷卻風量的損失，達到節能作用。

2.2.2溫度控製

空調控製與(yu) 風扇控製子模塊共同構成儲(chu) 能係統溫控係統。以對電池模塊溫度數據為(wei) 控製變量，采用比例、積分和微分（ProportionIntegralDifferential，PID）邏輯控製對風量進行實時動態調整。依據環境溫度不同，係統包含製冷與(yu) 製熱2種模式。考慮到電池內(nei) 部化學性能穩定性，設置2個(ge) 臨(lin) 界溫度點，當集裝箱內(nei) 部溫度低於(yu) 12℃時，啟動製熱模式，當高於(yu) 28℃時，啟動製冷模式。各風扇的轉速由獨立的控製單元控製，依據不同模塊溫度進行調節，實現係統整體(ti) 溫度的平衡。

3.hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統概述

3.1概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統，專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能櫃、儲(chu) 能集裝箱研發的一款儲(chu) 能EMS，具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能,涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 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、削峰填穀、需量控製、防逆流等控製功能。

3.2係統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲(chu) 能櫃或者儲(chu) 能集裝箱內(nei) 部的設備接入係統。係統結構如下：

3.3接入設備

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

3.4係統功能

3.4.1實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guan) 故障、告警、收益等信息。

3.4.2設備監控

係統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，並實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關(guan) 電參量監測。

3.4.3曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

3.4.4策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。

3.4.5實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

3.4.6事件查詢統計

儲(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

3.4.7遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

3.4.8用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，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授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.9hth下载地址配套產(chan) 品

4結論

綜上所述，MW級集裝箱電池儲(chu) 能係統在電力係統領域的確具有*高的應用研究價(jia) 值。本文給出了1套用於(yu) 實現電池模塊溫度控製的設計方法，希望對領域研究有所借鑒。

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