MW級集裝箱式電池儲能系統
2023-06-01
概要：MW 級集裝箱式電池儲能系統(CBESS)是未來電網發展的重要支持，能夠有效提高電力系統的穩定性、可靠性和電能質量。綜述了MW 級集裝箱式電池儲能系統的研究現狀，詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統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的結構、設計、應用等方面的特點和優勢，深入探討其發展前景和研究方向。
近年來國內外MW 級電池儲能技術發展迅速，集裝箱式電池儲能系統具有容量高、可靠性強、靈活性高、環境適應性強等優點，在電網系統具有廣泛的應用前景。鋰電池儲能系統相對其他儲能電池較成熟，上下游產業鏈配套完善，成本下降空間較大；同時,我國電力系統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展。
儲能技術成為發展和建設智能電網的關鍵技術之一，其具有改善電網的低能質量，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、便于安裝等優點，所以集裝箱儲能系統作為電力系統的儲能電源，是未來儲能的發展方向。
1 概 念
MW 級集裝箱式電池儲能系統是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過PCS 進行充放電，實現與電力系統的多種能量交換，并可接入多種供電模式，如光伏陣列、風能、柴油發電機與電網等儲能系統。儲能系統的輸出可以上電并網、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電機、光伏發電、風力發電、電池儲能系統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，如圖1 所示。
微電網的主電源是儲能系統或柴油發電機時，微電網有兩種運行模式，作為系統電壓或調頻參考：
(1) 風儲運行模式：儲能電池系統通過恒頻、恒壓(V/F)控制策略，保持微電網系統電壓和頻率的穩定性。此種模式運行情況下，柴油發電機處于靜止狀態，風能發電系統一般采用最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，并且儲能電池系統的荷電狀態(SOC)較高時，也需要運行在限功率狀態中。
(2) 風柴儲運行模式：柴油發電機(通過勵磁和調速控制)或風能發電機，建立微電網系統電壓和頻率參考，儲能電池系統采用恒功率控制(PQ)策略，通過接收后臺控制系統指令，接收對儲能電池系統充/ 放電命。
2 設 計
MW 級集裝箱式電池儲能系統包含鋰電池組、電池管理系統、能量轉換系統、控制系統等設備。其中技術核心是電池組、電池簇結構設計、電池系統熱設計、電池系統的保護技術、電池管理系統等。
MW 級集裝箱儲能系統由電池系統和能量轉換系統組成，電池系統含有先進的磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統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，電池系統中的每一個電池簇的直流輸出，連接到能量轉換系統，將DC-AC 和AC-DC(雙向)，并控制功率。圖2 為MW 級集裝箱儲能系統的主要組成拓撲圖。
MW 級集裝箱式電池儲能系統完成新能源接入，并網控制、數據采集、遠程傳輸、無人值守等功能，與傳統的儲能電站相比，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、荒漠等復雜環境的并網或離網儲能系統應用需求。
3 結 構
MW 級集裝箱式電池儲能系統是以40 尺標準集裝箱為載體，內置兩臺250 kW 儲能能量轉換系統，將1 MWh 鋰電池系統、電池管理系統、儲能監控系統、空調系統、消防系統、配電系統集中裝在一個特制的箱體內，以實現高集成度、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，滿足各種環境使用。
MW 級集裝箱式電池儲能系統內部包含電池系統、電池管理系統、能量轉換系統以及控制系統等。如圖3 所示：黑色部分為電池室中有6 個電池簇并聯，灰色部分為能轉換系統、空調系統和控制系統，紫色部分為風道。圖4 為集裝箱電池系統內部圖。
4 優 勢
本文設計的MW 級集裝箱式電池儲能系統有可移動、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，不論從商業角度還是在技術角度都具有一定的實用價值，此外，在軍事領域和環境適應性方面都具有優勢。其主要特點有以下幾面：
(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。
(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的生命期內提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環境的侵害。
(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勢在于質量與體積，可移動性強，不受地域限制。
(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1 MWh 儲能系統作為一個單元，具有廣泛的適用性，可以通過多個單元并聯組合擴充容量，具有較好的競爭優勢，也可接入新能源或作為智能電網的分布式電源接入電網。
(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，特別是大容量的接入電網，會對電網的調度和控制產生一定的影響，甚至會干擾電網的穩定性。通過電池儲能系統與可再生新能源聯合應用，將隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出，保證了電網系統的穩定性。
(2) 備用電源
在偏遠地區、供電可靠性差或者有重要負荷的地區，MW級電池儲能系統可作為備用電源，為發生故障的電網系統或者需要檢修時配電系統提供電源。MW 級集裝箱式電池儲能系統能夠運到一個地區并提供本地化的電力來源。當惡劣氣候損壞公用電網系統，可用于緊急救援；或可用于尚未連接到電網的地區。MW 級集裝箱式儲能系統可以并入電網進行充電，也可配置新能源接入進行儲能電能補給。
(3) 微電網
微電網孤網運行時，分布式能源和用戶負荷的隨機性很大，很難保證發電用電的實時平衡，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的干擾，保證局部用戶的電能質量，并進一步實現微電網的平穩運行。
(4) 電能質量
MW 級集裝箱電池儲能系統可永久連接到電網，從而提供快速響應頻率調節電網的效用。
(a) 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。
(b) 遠程軍事行動：可用于遠程軍事行動沒有接入公用電網提供電力。MW 級集裝箱式電池儲能系統可以為照明，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，具有比較大的發展空間
(c) 其他：大容量電池儲能技術還可以用于提高配網電能質量。通過換流器提供動態無功補償，提高系統電壓穩定性，應對電壓跌落問題；為系統提供備用、調峰、電力系統穩定器等。
6 結 論
本文詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統的概念、結構、核心技術以及應用方向，其在電網系統中的應用還處于不斷發展階段，要實現大規模規范化的應用，需要解決成本、政策、環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具有容量大、可靠性高、技術成熟、環保、環境適應性強、安裝簡便、可擴充性高等特點，因此MW 級集裝箱式儲能系統是未來儲能技術的發展方向。
近年來國內外MW 級電池儲能技術發展迅速，集裝箱式電池儲能系統具有容量高、可靠性強、靈活性高、環境適應性強等優點，在電網系統具有廣泛的應用前景。鋰電池儲能系統相對其他儲能電池較成熟，上下游產業鏈配套完善，成本下降空間較大；同時,我國電力系統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展。
儲能技術成為發展和建設智能電網的關鍵技術之一，其具有改善電網的低能質量，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、便于安裝等優點，所以集裝箱儲能系統作為電力系統的儲能電源，是未來儲能的發展方向。
1 概 念
MW 級集裝箱式電池儲能系統是以磷酸鐵鋰電池為能量載體，通過PCS 進行充放電，實現與電力系統的多種能量交換，并可接入多種供電模式，如光伏陣列、風能、柴油發電機與電網等儲能系統。儲能系統的輸出可以上電并網、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電機、光伏發電、風力發電、電池儲能系統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，如圖1 所示。
微電網的主電源是儲能系統或柴油發電機時，微電網有兩種運行模式，作為系統電壓或調頻參考：
(1) 風儲運行模式：儲能電池系統通過恒頻、恒壓(V/F)控制策略，保持微電網系統電壓和頻率的穩定性。此種模式運行情況下，柴油發電機處于靜止狀態，風能發電系統一般采用最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，并且儲能電池系統的荷電狀態(SOC)較高時，也需要運行在限功率狀態中。
(2) 風柴儲運行模式：柴油發電機(通過勵磁和調速控制)或風能發電機，建立微電網系統電壓和頻率參考，儲能電池系統采用恒功率控制(PQ)策略，通過接收后臺控制系統指令，接收對儲能電池系統充/ 放電命。
2 設 計
MW 級集裝箱式電池儲能系統包含鋰電池組、電池管理系統、能量轉換系統、控制系統等設備。其中技術核心是電池組、電池簇結構設計、電池系統熱設計、電池系統的保護技術、電池管理系統等。
MW 級集裝箱儲能系統由電池系統和能量轉換系統組成，電池系統含有先進的磷酸鐵鋰電池模塊、電池管理系統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，電池系統中的每一個電池簇的直流輸出，連接到能量轉換系統，將DC-AC 和AC-DC(雙向)，并控制功率。圖2 為MW 級集裝箱儲能系統的主要組成拓撲圖。
MW 級集裝箱式電池儲能系統完成新能源接入，并網控制、數據采集、遠程傳輸、無人值守等功能，與傳統的儲能電站相比，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、荒漠等復雜環境的并網或離網儲能系統應用需求。
3 結 構
MW 級集裝箱式電池儲能系統是以40 尺標準集裝箱為載體，內置兩臺250 kW 儲能能量轉換系統，將1 MWh 鋰電池系統、電池管理系統、儲能監控系統、空調系統、消防系統、配電系統集中裝在一個特制的箱體內，以實現高集成度、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，滿足各種環境使用。
MW 級集裝箱式電池儲能系統內部包含電池系統、電池管理系統、能量轉換系統以及控制系統等。如圖3 所示：黑色部分為電池室中有6 個電池簇并聯，灰色部分為能轉換系統、空調系統和控制系統，紫色部分為風道。圖4 為集裝箱電池系統內部圖。
4 優 勢
本文設計的MW 級集裝箱式電池儲能系統有可移動、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，不論從商業角度還是在技術角度都具有一定的實用價值，此外，在軍事領域和環境適應性方面都具有優勢。其主要特點有以下幾面：
(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。
(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的生命期內提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環境的侵害。
(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勢在于質量與體積，可移動性強，不受地域限制。
(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1 MWh 儲能系統作為一個單元，具有廣泛的適用性，可以通過多個單元并聯組合擴充容量，具有較好的競爭優勢，也可接入新能源或作為智能電網的分布式電源接入電網。
(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，特別是大容量的接入電網，會對電網的調度和控制產生一定的影響，甚至會干擾電網的穩定性。通過電池儲能系統與可再生新能源聯合應用，將隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出，保證了電網系統的穩定性。
(2) 備用電源
在偏遠地區、供電可靠性差或者有重要負荷的地區，MW級電池儲能系統可作為備用電源，為發生故障的電網系統或者需要檢修時配電系統提供電源。MW 級集裝箱式電池儲能系統能夠運到一個地區并提供本地化的電力來源。當惡劣氣候損壞公用電網系統，可用于緊急救援；或可用于尚未連接到電網的地區。MW 級集裝箱式儲能系統可以并入電網進行充電，也可配置新能源接入進行儲能電能補給。
(3) 微電網
微電網孤網運行時，分布式能源和用戶負荷的隨機性很大，很難保證發電用電的實時平衡，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的干擾，保證局部用戶的電能質量，并進一步實現微電網的平穩運行。
(4) 電能質量
MW 級集裝箱電池儲能系統可永久連接到電網，從而提供快速響應頻率調節電網的效用。
(a) 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。
(b) 遠程軍事行動：可用于遠程軍事行動沒有接入公用電網提供電力。MW 級集裝箱式電池儲能系統可以為照明，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，具有比較大的發展空間
(c) 其他：大容量電池儲能技術還可以用于提高配網電能質量。通過換流器提供動態無功補償，提高系統電壓穩定性，應對電壓跌落問題；為系統提供備用、調峰、電力系統穩定器等。
6 結 論
本文詳細介紹了MW 級集裝箱式電池儲能系統的概念、結構、核心技術以及應用方向，其在電網系統中的應用還處于不斷發展階段，要實現大規模規范化的應用，需要解決成本、政策、環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具有容量大、可靠性高、技術成熟、環保、環境適應性強、安裝簡便、可擴充性高等特點，因此MW 級集裝箱式儲能系統是未來儲能技術的發展方向。
