淺析MW級集裝箱式電池儲能技術研究
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)的結構、設計、應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。
【關鍵詞】MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)(CBESS)；集裝箱；智能電網(wǎng)；鋰電池
0引言
近年來國內外MW級電池儲能技術發(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)境適應性強等優(yōu)點，在電網(wǎng)系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。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。用戶側也對負荷側電能質量提出了更高的要求。這些問題都加速了儲能技術的快速發(fā)展。
儲能技術成為發(fā)展和建設智能電網(wǎng)的關鍵技術之一，其具有改善電網(wǎng)的低能質量，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，以及電池技術的進一步提高，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(tǒng)具有技術成熟、大容量、可移動、可靠性高、無污染、噪音低、適應性強、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)、供應各種負載設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(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)電壓或調頻參考：
（1）風儲運行模式：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)，風能發(fā)電系統(tǒng)一般采用*大輸出功跟蹤控制策略，當風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）風柴儲運行模式：柴油發(fā)電機(通過勵磁和調速控制)或風能發(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)、能量轉換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設備。其中技術核心是電池組、電池簇結構設計、電池系統(tǒng)熱設計、電池系統(tǒng)的保護技術、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和電路隔離熔斷開關，所有的設備集中安裝在集裝箱內。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、荒漠等復雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲能系統(tǒng)應用需求。
3.結構
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，內置兩臺250kW儲能能量轉換系統(tǒng)，將1MWh鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能監(jiān)控系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)集中裝在一個特制的箱體內，以實現(xiàn)高集成度、大容量、可移動的儲能設備，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風沙等特點，滿足各種環(huán)境使用。
MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內部包含電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量轉換系統(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)，灰色部分為能轉換系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，紫色部分為風道。圖4為集裝箱電池系統(tǒng)內部圖。
4.優(yōu)勢
本文設計的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)角度還是在技術角度都具有一定的實用價值，此外，在軍事領域和環(huán)境適應性
方面都具有優(yōu)勢。其主要特點有以下幾面：
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，卡車和臨時用地。
4.2堅固耐用的設計：
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可移動性設計：
綜合比較其他儲能電池，鋰電池儲能技術的優(yōu)勢在于質量與體積，可移動性強，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，風機，通道門，電力電纜接入和其他等設備的接入。
5.應用
以1MWh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)。
5.1新能源接入
由于風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)的調度和控制產生一定的影響，甚至會干擾電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過電池儲能系統(tǒng)與可再生新能源聯(lián)合應用，將隨機變化的輸出功率轉換為相對穩(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。
5.3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可以抑制外部電網(wǎng)的干擾，保證局部用戶的電能質量，并進一步實現(xiàn)微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。
5.4電能質量
MW級集裝箱電池儲能系統(tǒng)可連接到電網(wǎng)，從而提供快速響應頻率調節(jié)電網(wǎng)的效用。
（1）可再生平滑：可用于風力農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)。
（2）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。可移動性還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，具有比較的發(fā)展空間
（3）其他：大容量電池儲能技術還可以用于提高配網(wǎng)電能質量。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，應對電壓跌落問題；為系統(tǒng)提供備用、調峰、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。
6.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，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度,具備計劃曲線、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部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如下：
6.3系統(tǒng)功能
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。
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溫度的聯(lián)動調節(jié)，并實時監(jiān)測空調的運行狀態(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。
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。
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。
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。
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。
可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、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)。
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。
7結束語
本文詳細介紹了MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)的概念、結構、核心技術以及應用方向，其在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應用還處于不斷發(fā)展階段，要實現(xiàn)大規(guī)模規(guī)范化的應用，需要解決成本、政策、環(huán)境等非技術和儲能技術等一系列相關問題。
MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具有容量大、可靠性高、技術成熟、環(huán)保、環(huán)境適應性強、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)是未來儲能技術的發(fā)展方向。
參考文獻
[1］游峰,錢艷婷,梁嘉,孫洋洲.MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)研究
[2］張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術，2008，32(7)：
[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.
咨詢電話