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淺析MW級集裝箱式電池儲能技術(shù)研究

發(fā)布時間: 2024-06-26  點擊次數(shù): 138次

安科瑞 陳聰

【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(zhì)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(xì)介紹了MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)的相關(guān)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(jié)構(gòu)、設(shè)計、應(yīng)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(guān)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(nèi)外MW級電池儲能技術(shù)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(yīng)性強等優(yōu)點,在電網(wǎng)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)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(chǎn)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(cè)也對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出了更高的要求。這些問題都加速了儲能技術(shù)的快速發(fā)展。

儲能技術(shù)成為發(fā)展和建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,其具有改善電網(wǎng)的低能質(zhì)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(shù)的進(jìn)一步提高,使得鋰電池在儲能方面的應(yīng)用有廣泛的空間。集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、大容量、可移動、可靠性高、無污染、噪音低、適應(yīng)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(jìn)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(fēng)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(yīng)各種負(fù)載設(shè)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(fēng)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(diào)頻參考:

(1)風(fēng)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?fàn)顟B(tài),風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)一般采用*大輸出功跟蹤控制策略,當(dāng)風(fēng)能輸出功率大于負(fù)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(fēng)柴儲運行模式:柴油發(fā)電機(通過勵磁和調(diào)速控制)或風(fēng)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(shè)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(zhuǎn)換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設(shè)備。其中技術(shù)核心是電池組、電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池系統(tǒng)熱設(shè)計、電池系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)、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(zhuǎn)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(hù)和電路隔離熔斷開關(guān),所有的設(shè)備集中安裝在集裝箱內(nèi)。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(zhuǎn)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?fù)鋱D。

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(yuǎn)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(diào)試簡單、外形美觀等特點,特別適用于高海拔、嚴(yán)寒、島嶼、荒漠等復(fù)雜環(huán)境的并網(wǎng)或離網(wǎng)儲能系統(tǒng)應(yīng)用需求。

3.結(jié)構(gòu)

MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱為載體,內(nèi)置兩臺250kW儲能能量轉(zhuǎn)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(diào)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(nèi),以實現(xiàn)高集成度、大容量、可移動的儲能設(shè)備,具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)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(nèi)部包含電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng),紫色部分為風(fēng)道。圖4為集裝箱電池系統(tǒng)內(nèi)部圖。

4.優(yōu)勢

本文設(shè)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(shù)角度都具有一定的實用價值,此外,在軍事領(lǐng)域和環(huán)境適應(yīng)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(shè)計:

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織是標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,允許遠(yuǎn)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(shè)計:

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在運輸過程中保護(hù)貨物,并將在能源儲存系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護(hù),免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。

4.3可移動性設(shè)計:

綜合比較其他儲能電池,鋰電池儲能技術(shù)的優(yōu)勢在于質(zhì)量與體積,可移動性強,不受地域限制。

4.4靈活的基礎(chǔ)設(shè)計:

集裝箱是很容易適用任何所需的選擇。這包括空調(diào),光伏,風(fēng)機,通道門,電力電纜接入和其他等設(shè)備的接入。

5.應(yīng)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(fēng)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(diào)度和控制產(chǎn)生一定的影響,甚至?xí)蓴_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(yīng)用,將隨機變化的輸出功率轉(zhuǎn)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(yuǎn)地區(qū)、供電可靠性差或者有重要負(fù)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(dāng)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(jìn)行充電,也可配置新能源接入進(jìn)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(fù)荷的隨機性很大,很難保證發(fā)電用電的實時平衡,導(dǎo)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(shù)可以抑制外部電網(wǎng)的干擾,保證局部用戶的電能質(zhì)量,并進(jìn)一步實現(xiàn)微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。

5.4電能質(zhì)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(yīng)頻率調(diào)節(jié)電網(wǎng)的效用。

(1)可再生平滑:可用于風(fēng)力農(nóng)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(yuǎn)程軍事行動:可用于遠(yuǎn)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??梢苿有赃€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(shù)還可以用于提高配網(wǎng)電能質(zhì)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(yīng)對電壓跌落問題;為系統(tǒng)提供備用、調(diào)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(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)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(yīng)用上支持能量調(diào)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(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES,可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下:

6.3系統(tǒng)功能

6.3.1實時監(jiān)測

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(guān)故障、告警、收益等信息。

6.3.2設(shè)備監(jiān)控

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

PSC數(shù)據(jù)PCS數(shù)據(jù)-電網(wǎng)

PCS數(shù)據(jù)-交流PCS數(shù)據(jù)-直流PCS數(shù)據(jù)-狀態(tài)

PCS監(jiān)控:滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置;運行模式設(shè)置;實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示;實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS數(shù)據(jù)BMS數(shù)據(jù)-電池

BMS監(jiān)控:滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)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。

電表數(shù)據(jù)空調(diào)數(shù)據(jù)

空調(diào)監(jiān)控:滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測,可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié),并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù),以曲線形式進(jìn)行展示。

消防照明UPS數(shù)據(jù)

UPS監(jiān)控:滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

6.3.3曲線報表

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。

曲線報表SOC曲線

6.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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。

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6.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能,系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

6.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。

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6.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、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,控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

6.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(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)庫修改等)??梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

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7結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、核心技術(shù)以及應(yīng)用方向,其在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用,需要解決成本、政策、環(huán)境等非技術(shù)和儲能技術(shù)等一系列相關(guān)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(shù)成熟、環(huán)保、環(huán)境適應(yīng)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(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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