MW級集裝箱式電池儲能系統技術進展與EMS能量管理

摘要：MW級集裝箱式電池儲能系統在新能源、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能系統的概念，其次分析了電池儲能相比其他形式儲能方式的優勢以及現代電力系統中電池儲能技術的應用特點，*后以額定功率100kW可以運行15min的儲能系統為例設計了1套儲能系統溫度控制系統。

關鍵詞：MW級別集裝箱式儲能系統；基本概念；研究現狀；溫度管理系統

0引言

當前，隨著新能源的使用規模不斷擴大，儲能技術特別是MW級電池儲能技術取得了突破。MW級集裝箱式電池儲能系統兼具了儲能容量高、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。與其他儲能電池技術相比，目前鋰電池儲能綜合系統的設計研究已相對成熟，具有完整的上下游產業鏈，在實際運營中對于成本的控制有較大操作空間[1]。隨著材料科學的發展，集裝箱式電池儲能系統具備了更大的容量、更便捷的操作性、更可靠的拼裝擴容性，同時具有低污染、低噪音等一系列優勢，成為了未來儲能系統設計研究的重要方向[2]。

1應用研究現狀

1.1儲能方式對比

從原理角度考慮，能量儲存方式包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電池儲能以及超*大容量電容器等。抽水儲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，把多余的電能儲存起來；壓縮空氣儲能指在負載用電量較小時，利用電動壓縮機將空氣壓入儲罐，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，從而實現電能-內能-電能的循環轉化；飛輪儲能實質是動能與電能之間的轉化，能夠實現短時間充放電，但儲能量較小，適合于短時間高功率變化率情況；超導儲能對設備的技術要求較高，通過超導介質將富余電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場的形式儲存起來。從電路原理來看，這一方式的能量轉化速率*高，能夠在較短時間內釋放大量的電能，在智能電網中有很高的應用價值[3,4]。

1.2集裝箱式儲能系統特點及應用方式

通常來說，集裝箱式儲能系統往往容量很大，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鐘至幾小時。特別是在大規模風能、太陽能發電機組并網中，在實現電能輸出的平穩性、降低電網供電峰谷差、均衡負荷、保護電網穩定性以及提高電能利用效率等方面，一般配置超大規模的儲能系統[5-7]。集裝箱式儲能系統通過將電池管理系統、功率控制系統、熱量控制系統等多個子系統以車載集裝箱的形式集成綜合能量管理系統對儲能系統進行調控。以移動式電站為例，集裝箱式儲能系統接入配電網末端的結構如圖1所示，用于提高配電網供電效能以及電能利用率，可以作為微電網中的分布式電源，與風電、光電及一些重要負荷連接于交流母線，實現與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移動式儲能設備在現代電力系統中的作用

MW級集裝箱式儲能系統的容量可調節空間很大，針對不同應用場景實現對電力系統的均衡負荷、削峰填谷，快速發揮作為應急電源、穩定電網的作用，綜合來看具體優點如下。一是維持電力系統穩定。輸變電系統發生復雜因素擾動時，特別是并網功率峰谷變化劇烈時，儲能系統通過充放電控制系統振蕩效應，進而維持大電網的穩定性。二是維持電網電壓穩定。當負載在短時間內大幅增加時，就會導致電網電壓急劇跌落，此時處于電網末端的大規模集裝箱式儲能系統可以快速響應，對電網放電，從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器、軌道交通、工業生產線等在發生斷電突發情況后需要使用UPS應急供電，但傳統的UPS容量小，只能維持較短的供電時間，而固定式儲能電站雖然容量大但建設成本大，很難在實際生產生活中解決問題。相比之下，集裝箱式儲能系統容量大、響應快、移動便捷，在作為應急電源時更具優勢。四是配合新能源。儲能系統已經成為新能源電站的必要組成部分，特別是在氣候環境復雜條件下的太陽能、風能發電廠，集裝箱式儲能系統的適應能力強，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級集裝箱式電池儲能系統由多個子系統構成，包括電池組、電池管理系統、熱管理系統以及熱控制系統等。目前，鋰離子電池是MW級儲能系統常用的儲能載體，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題，在*端情況下還有燃燒、爆炸的風險。儲能系統整體運行時，如果電池單體的電性能統一，就可能發生個別電池“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，電池內阻會變大。長時間運行便會嚴重損害電池的使用效率，降低其使用壽命，因此MW級集裝箱式儲能系統為了滿足應用場景，常會由成千上萬個單體電池通過串聯來組成[8]。

2.1電池組系統

以額定功率100kW及以上且儲能時間不低于15min的儲能系統進行分析，整體包含了監控系統、能量轉換系統（Power，PCS）、電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）及電池系統等。其中，由64個電池模塊串聯組成電池組，每個電池模塊由8個電池單體組成，正常運行時電池系統*高電壓為900V。為了發揮整組電池效能，就要盡可能使各單體電池的電性能一致，還要優化電池管理控制系統，增加電池組整體容量，延長單體電池使用壽命?？傮w來講，電池管理控制系統應具備對所有單體電池電流、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系統，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，并提示監控人員給予相應的處理措施。

2.2熱管理系統

電池熱管理是系統保持持續、穩定、安全運行的關鍵。電池散熱包括風冷、自然散熱、循環液冷和相變直冷等。由于集裝箱內空間有限，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，應用于MW級集裝箱式儲能系統會帶來巨大的成本投入。相較而言，基于工業空調的強迫風冷散熱技術更加適用于集裝箱式儲能系統。

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能系統內部空間狹小的問題。儲能系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。其中，空調輸出氣流經由主風道輸送至各風道出口；主風道內的擋風板通過控制方向與開度調節各風道出口的氣流量，依據不同模塊熱量產生情況實時動態調節，確保各單體電池保持溫度一致，電性能協調；電池架兩端的擋風板防止制冷氣流從集裝箱中逃逸，提高溫度管理系統的效率。

電池組內部氣體的流如圖4所示，在電池模塊前端面板風扇的作用下，空調輸出的冷氣流在一定速度下經過風道出口后，從電池模塊后端面板進風口進入電池模塊內部，流經電池單體表面進行熱量交換，進而實現對電池單體的降溫，熱氣流由風扇抽出。

儲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后端面板開孔處流向內部，然后經由前端面板設計的軸流風扇抽出，形成整個電池模組內高效流動的換熱系統。模組內部氣體如圖5（b）所示，各電池單體間隙為3mm，氣流進入電池模塊內部后均勻流經電池單體表面進行換熱。這一熱控系統*大限度地降低了冷卻風量的損失，達到節能作用。

2.2.2溫度控制

空調控制與風扇控制子模塊共同構成儲能系統溫控系統。以對電池模塊溫度數據為控制變量，采用比例、積分和微分（ProportionIntegralDifferential，PID）邏輯控制對風量進行實時動態調整。依據環境溫度不同，系統包含制冷與制熱2種模式?？紤]到電池內部化學性能穩定性，設置2個臨界溫度點，當集裝箱內部溫度低于12℃時，啟動制熱模式，當高于28℃時，啟動制冷模式。各風扇的轉速由獨立的控制單元控制，依據不同模塊溫度進行調節，實現系統整體溫度的平衡。

3.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統概述

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(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、數據查詢與分析、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、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

3.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

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系統功能

3.4.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

3.4.2設備監控

系統能夠實時監測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：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、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，并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的運行狀態及相關電參量監測。

3.4.3曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

3.4.4策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、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。

3.4.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統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出告警。

3.4.6事件查詢統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

3.4.7遙控操作

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。

3.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，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）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.9安科瑞配套產品

4結論

綜上所述，MW級集裝箱電池儲能系統在電力系統領域的確具有*高的應用研究價值。本文給出了1套用于實現電池模塊溫度控制的設計方法，希望對領域研究有所借鑒。

參考文獻：

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[2]孫鳳雙.2MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統的設計[J].上海電氣技術

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[5]羅軍，田剛領，張柳麗，等.集裝箱式儲能系統溫度特性研究[J].電器與能效管理技術

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[9]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版.

[10]魯統文.MW級集裝箱式電池儲能系統的研究現狀與應用探究