淺談MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用探究

程瑜

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源、微電網(wǎng)、移動(dòng)式電站等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。針對(duì)現(xiàn)階段這一技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，首先簡(jiǎn)述了集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念，其次分析了電池儲(chǔ)能相比其他形式儲(chǔ)能方式的優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)代電力系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，*后以額定功率100kW可以運(yùn)行15min的儲(chǔ)能系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)了1套儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：MW級(jí)別集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)；基本概念；研究現(xiàn)狀；溫度管理系統(tǒng)

0引言

當(dāng)前，隨著新能源的使用規(guī)模不斷擴(kuò)大，儲(chǔ)能技術(shù)特別是MW級(jí)電池儲(chǔ)能技術(shù)取得了突破。MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兼具了儲(chǔ)能容量高、運(yùn)行可靠性、可操作性強(qiáng)以及普適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，因而在太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿阮I(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用前景。與其他儲(chǔ)能電池技術(shù)相比，目前鋰電池儲(chǔ)能綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已相對(duì)成熟，具有完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中對(duì)于成本的控制有較大操作空間[1]。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，集裝箱式電池儲(chǔ)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(kuò)容性，同時(shí)具有低污染、低噪音等一系列優(yōu)勢(shì)，成為了未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重要方向[2]。

1應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1儲(chǔ)能方式對(duì)比

從原理角度考慮，能量?jī)?chǔ)存方式包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能以及超*大容量電容器等。抽水儲(chǔ)能就是將一定量的水抽取到更高位置，實(shí)現(xiàn)電能向勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，把多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；壓縮空氣儲(chǔ)能指在負(fù)載用電量較小時(shí)，利用電動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓入儲(chǔ)罐，等到負(fù)載用電需求變高時(shí)利用高壓空氣推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)電能-內(nèi)能-電能的循環(huán)轉(zhuǎn)化；飛輪儲(chǔ)能實(shí)質(zhì)是動(dòng)能與電能之間的轉(zhuǎn)化，能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間充放電，但儲(chǔ)能量較小，適合于短時(shí)間高功率變化率情況；超導(dǎo)儲(chǔ)能對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求較高，通過(guò)超導(dǎo)介質(zhì)將富余電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存起來(lái)。從電路原理來(lái)看，這一方式的能量轉(zhuǎn)化速率*高，能夠在較短時(shí)間內(nèi)釋放大量的電能，在智能電網(wǎng)中有很高的應(yīng)用價(jià)值[3,4]。

1.2集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用方式

通常來(lái)說(shuō)，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)往往容量很大，其典型功率大都達(dá)到MW級(jí)。在發(fā)電、輸電、變電中，其設(shè)計(jì)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間一般都要求幾十分鐘至幾小時(shí)。特別是在大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)中，在實(shí)現(xiàn)電能輸出的平穩(wěn)性、降低電網(wǎng)供電峰谷差、均衡負(fù)荷、保護(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)[5-7]。集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)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(gè)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。以移動(dòng)式電站為例，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)末端的結(jié)構(gòu)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(fēng)電、光電及一些重要負(fù)荷連接于交流母線，實(shí)現(xiàn)與微網(wǎng)進(jìn)行雙向的能量交換，提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，移動(dòng)式電站可以作為應(yīng)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(dòng)式儲(chǔ)能設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的作用

MW級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量可調(diào)節(jié)空間很大，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的均衡負(fù)荷、削峰填谷，快速發(fā)揮作為應(yīng)急電源、穩(wěn)定電網(wǎng)的作用，綜合來(lái)看具體優(yōu)點(diǎn)如下。一是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。輸變電系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜因素?cái)_動(dòng)時(shí)，特別是并網(wǎng)功率峰谷變化劇烈時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)充放電控制系統(tǒng)振蕩效應(yīng)，進(jìn)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(dāng)負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)大幅增加時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓急劇跌落，此時(shí)處于電網(wǎng)末端的大規(guī)模集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速響應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)放電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。三是應(yīng)急電源。一些重要的負(fù)載如精密實(shí)驗(yàn)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(yīng)急供電，但傳統(tǒng)的UPS容量小，只能維持較短的供電時(shí)間，而固定式儲(chǔ)能電站雖然容量大但建設(shè)成本大，很難在實(shí)際生產(chǎn)生活中解決問(wèn)題。相比之下，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)容量大、響應(yīng)快、移動(dòng)便捷，在作為應(yīng)急電源時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。四是配合新能源。儲(chǔ)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(fù)雜條件下的太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電廠，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)，在應(yīng)對(duì)功率預(yù)測(cè)難度大、不確定因素多等問(wèn)題時(shí)能夠發(fā)揮巨大的作用。

2應(yīng)用研究

MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)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(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)常用的儲(chǔ)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(wèn)題，在*端情況下還有燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)，如果電池單體的電性能統(tǒng)一，就可能發(fā)生個(gè)別電池“充不飽”而另一些電池“充太飽”或放電過(guò)程中部分電池放電過(guò)度的問(wèn)題。在這些工況下，電池內(nèi)阻會(huì)變大。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行便會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的使用效率，降低其使用壽命，因此MW級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為了滿足應(yīng)用場(chǎng)景，常會(huì)由成千上萬(wàn)個(gè)單體電池通過(guò)串聯(lián)來(lái)組成[8]。

2.1電池組系統(tǒng)

以額定功率100kW及以上且儲(chǔ)能時(shí)間不低于15min的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行分析，整體包含了監(jiān)控系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversionSystem，PCS）、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）及電池系統(tǒng)等。其中，由64個(gè)電池模塊串聯(lián)組成電池組，每個(gè)電池模塊由8個(gè)電池單體組成，正常運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)單體電池使用壽命?？傮w來(lái)講，電池管理控制系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)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(dāng)某一模塊參數(shù)出現(xiàn)較大變動(dòng)可能引起溫度、電性能等異常時(shí)可以及時(shí)報(bào)警，并提示監(jiān)控人員給予相應(yīng)的處理措施。

2.2熱管理系統(tǒng)

電池?zé)峁芾硎窍到y(tǒng)保持持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。電池散熱包括風(fēng)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(shù)難度更大，對(duì)設(shè)備硬件、人員能力的要求都較高，應(yīng)用于MW級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)巨大的成本投入。相較而言，基于工業(yè)空調(diào)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱技術(shù)更加適用于集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.2.1風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小的問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖3所示，依據(jù)集裝箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將主風(fēng)道、各部位擋風(fēng)板、風(fēng)道出口對(duì)稱布置在左右側(cè)。其中，空調(diào)輸出氣流經(jīng)由主風(fēng)道輸送至各風(fēng)道出口；主風(fēng)道內(nèi)的擋風(fēng)板通過(guò)控制方向與開(kāi)度調(diào)節(jié)各風(fēng)道出口的氣流量，依據(jù)不同模塊熱量產(chǎn)生情況實(shí)時(shí)動(dòng)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(fēng)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(fēng)扇的作用下，空調(diào)輸出的冷氣流在一定速度下經(jīng)過(guò)風(fēng)道出口后，從電池模塊后端面板進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池模塊內(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單體的降溫，熱氣流由風(fēng)扇抽出。

儲(chǔ)能電池組的基本外觀結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，其中空調(diào)輸出氣流自模組后端面板開(kāi)孔處流向內(nèi)部，然后經(jīng)由前端面板設(shè)計(jì)的軸流風(fēng)扇抽出，形成整個(gè)電池模組內(nèi)高效流動(dòng)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(jìn)入電池模塊內(nèi)部后均勻流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行換熱。這一熱控系統(tǒng)*大限度地降低了冷卻風(fēng)量的損失，達(dá)到節(jié)能作用。

2.2.2溫度控制

空調(diào)控制與風(fēng)扇控制子模塊共同構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)溫控系統(tǒng)。以對(duì)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(duì)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)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?？紤]到電池內(nèi)部化學(xué)性能穩(wěn)定性，設(shè)置2個(gè)臨界溫度點(diǎn)，當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度低于12℃時(shí)，啟動(dòng)制熱模式，當(dāng)高于28℃時(shí)，啟動(dòng)制冷模式。各風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由獨(dú)立的控制單元控制，依據(jù)不同模塊溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體溫度的平衡。

3.安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)概述

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)，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。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)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：

3.3接入設(shè)備

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

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

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。

3.4.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

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(kāi)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)。

3.4.3曲線報(bào)表

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。

3.4.4策略配置

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。

3.4.5實(shí)時(shí)報(bào)警

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。

3.4.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

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。

3.4.7遙控操作

可以通過(guò)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(wú)效狀態(tài)。

3.4.8用戶權(quán)限管理

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(guò)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(kù)修改等）?？梢远x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。

審核編輯 黃宇