移動式電化學儲能系統的分析及應用

2018-01-26 13:56:41 電源工業　點擊量：評論 (0)

摘要：移動式電化學儲能系統是儲能系統的一個重要分支，它將蓄電池組、電池管理系統及儲能雙向變流器等部件集成在集裝箱中，具有便于施工安

摘要：移動式電化學儲能系統是儲能系統的一個重要分支，它將蓄電池組、電池管理系統及儲能雙向變流器等部件集成在集裝箱中，具有便于施工安裝、維護簡單方便、可移動性好等特點，適用于各類新能源工程項目和電力工程項目。本文首先分析了移動式電化學儲能系統的構成及各組成部件的特點，其次介紹了以鉛炭電池和鋰離子電池為基礎的系統的主要特點和功能，并對移動式電化學儲能系統應用場景以及在應用過程中存在問題進行了分析。

1引言

近年來，隨著我國能源生產和消費革命的不斷推進，能源互聯網這一重要推手引起了全社會的廣泛關注和重視。而儲能系統是能源互聯網的關鍵組成部分，它是實現可再生能源大規模并網、擴大分布式能源及微電網應用的基礎，成為實現能源互聯網的要素。

儲能系統所采用的技術種類繁多，主要可以分為物理儲能、電化學儲能、儲熱及儲氫等幾大類。由于電化學儲能系統具有適應頻繁的充放電轉換、毫秒級的響應速度、較高的容量等特點以及較為成熟的商業化應用，因此已經在能源互聯網項目中得到了較大規模的應用。在近期新建的電化學儲能項目中，絕大部分使用的化學電源為鋰離子電池、鉛炭電池及其他鉛酸蓄電池，其技術成熟度也是最高的。

從建設方式上電化學儲能系統可分為固定式和移動式。固定式電化學儲能系統一般是將系統安置于固定的房屋或艙室中，而移動式電化學儲能系統一般是將系統安置于可移動的集裝箱內。相對于固定式系統，移動式電化學儲能系統將電池、監控系統及能量轉換裝置等集成在標準的集裝箱內，具有較好的可移動性能，便于系統的運輸和安裝使用，特別適合于一些基礎施工難度大、場地面積要求嚴格、環境相對嚴苛的地區使用。目前，其在很多微電網和智能電網工程中都得到了應用。

本文對以鋰離子電池和鉛炭電池為基礎的移動式電化學儲能系統進行分析。同時，對移動式電化學儲能系統在應用過程中面臨的問題進行了探討。

2移動式電化學儲能系統的組成

2.1蓄電池組

(1)鋰離子電池組

鋰離子電池的工作電壓高、比能量大、體積小、質量輕、循環壽命長，近年來在新能源領域。按其所使用的電極材料分類可分為鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池及負極鈦酸鋰電池等。其中商業化應用最為廣泛的是磷酸鐵鋰電池，這主要是因為其優異的安全性能和較好的性價比。

目前市場上可見的磷酸鐵鋰電芯的容量主要為幾安時至十安時左右，用于移動式儲能系統的電芯容量一般為50安時左右。容量太小會增加電芯串并聯數量及電池管理系統的監控點，造成系統整體成本增加。而容量過大又會提升電芯的制造難度并會增加電池組的安全隱患。對于移動式儲能系統來說，鋰離子電池的能量一般分為500kWh和1MWh兩種，采用3.2V50Ah的磷酸鐵鋰電芯經過串并聯實現。為適應儲能雙向變流器的直流電壓輸入要求，電池組的電壓在500~600V左右。

(2)鉛炭電池組

鉛炭電池是近年來新興的一種蓄電池產品，按照其電化學反應原理而言，鉛炭電池屬于鉛酸蓄電池的一種。但由于負極中加入了具有電容性質的碳材料，使鉛炭電池的大倍率充放電性能和循環壽命遠高于普通鉛酸蓄電池。同時，鉛炭電池中鉛資源的回收利用率極高，可以實現鉛的循環使用，即使鉛炭電池壽命終止，也存在很大的商業價值。優異的性能、較高的安全性、突出的性價比優勢和潛在的商業價值，使得鉛炭電池在新能源和電力儲能領域得到廣泛應用。

鉛炭電池的單體容量較大，一般為500~1000Ah，電池的標稱電壓為2V。對于移動式儲能系統來說，鉛炭電池組的能量一般分為500KWh、1MWh、1.2MWh和1.34MWh幾類，電池組電壓在600~700V左右，采用2V500Ah或2V1000Ah的電池串并聯實現。與鋰離子電池組相比，同樣容量的鉛炭電池組成本更低，環境適應性更好;同時，由于單體數量少，電池管理系統的監控點少，因此，整個系統的造價也較低。但相比鋰離子電池組，鉛炭電池的體積和重量更大，因此基于鉛炭電池的儲能系統的占地面積更大，可移動性也較差。

2.2電池管理系統(BMS)

BMS對于儲能系統非常重要，相當于整個系統的“神經系統”，監測并管理電池組及電池單體。BMS的主要作用是監測、評估及保護單體電池及電池組的運行狀態。BMS主要由如下設備單元組成：充放電保護單元、儲能電池管理模塊BMU(含均衡功能)、組端采集模塊、儲能系統管理單元(含顯示)。

儲能系統中BMS具備的電池管理功能主要包括：

(1)模擬量測量功能：實時測量電池組電壓，充放電電流、溫度和單體電池端電壓、絕緣監測等參數。

(2)電池組運行報警功能：在電池組運行出現過壓、欠壓、過流、高溫、低溫、漏電、通信異常、BMS 異常等狀態時，能顯示并上報告警信息。

(3)電池組保護功能：在電池組運行時，如果電池的電壓、電流、溫度等模擬量出現超過安全保護閾值的緊急情況時，BMS 可以就地故障切斷，將問題電池組退出運行，同時上報保護信息。

(4)自診斷功能：對BMS 與外界通信中斷，BMS 內部通信異常，模擬量采集異常等故障進行自診斷，并能夠上報到就地監測系統。

(5)均衡功能：監測電池組內指標偏高或偏低的單體并對其進行均衡控制，提高電池組各項指標的均衡性，保證電池系統使用壽命及可用容量。

(6)運行參數設定功能：BMS 運行各項參數能通過本地在BMS 或儲能站監控系統進行修改。

(7)本地運行狀態顯示功能：BMS 能夠在本地對電池系統的各項運行狀態進行顯示，如系統狀態，模擬量信息，報警和保護信息等。

(8)事件及歷史數據記錄功能：BMS 能夠在本地對電池系統的各項事件及歷史數據進行一定量的存儲。

2.3儲能雙向變流器(PCS)

PCS的基本特點是雙向逆變，是具有一系列特殊性能和功能的并網變流器。在儲能系統中，PCS作為電能執行裝置，負責對各種能量轉換，并對電池系統進行有效充放電。因此，PCS與電池系統匹配良好是讓儲能系統工作安全、穩定可靠的關鍵所在。通常PCS工種模式有：

(1)功率模式：提供功率支撐，以設定的有功、無功輸出功率值為參考;

(2)調頻模式：根據頻率設定值吸收或發出有功功率，從而調節系統頻率;

(3)調壓模式：根據電壓設定值注入容性或感性無功;

(4)孤島模式：脫離大電網，自行組網運行，實現調頻調壓、同步并網等。

在不同的工作模式下，蓄電池組及BMS都是處于不同工況，因此要求PCS應能在BMS中控制好電壓、電流等指標使其平抑過渡，平衡PCS充放，充分利用BMS與PCS間的通信及控制策略，將BMS與PCS各自保護機制做到劃分準確、干凈實施等。

目前市場上可見的PCS最大支流功率和交流側額定功率多為幾十千萬到幾百千瓦，最大可達到1MW以上，效率一般在95%左右。其直流側電壓一般都在幾百伏甚至上千伏，因此電池組的組電壓(電池單體串聯數量)應匹配PCS的工作電壓范圍。

2.4集裝箱

在移動式儲能系統中，集裝箱承載著電池組、BMS以及PCS等部件。集裝箱的功能和特性對整個移動式儲能系統十分重要。

首先，集裝箱的尺寸決定了整個系統的容量。根據《GB/T1413-2008》，集裝箱尺寸的分類大致分為五類：E系列(長度45英尺)、A系列(長度40英尺)、B系列(長度29英尺)、C系列(長度19英尺)及D系列(長度9英尺)。目前移動式儲能系統常用的集裝箱為A系列及C系列，分別能承載1MWh及0.5MWh左右的鉛炭電池組和BMS系統，但由于電池組的體積問題及PCS的散熱需求，PCS需要零配置D系列的集裝箱單獨放置。對于鋰離子電池為基礎的移動系統，采用A系列集裝箱就可以將1MWh左右的整個系統納入其中。

第二，集裝箱應具有良好的環境適應性。使用移動式儲能系統的地區往往基礎施工較為困難，如海島地區、高原地區及沙漠地區等。針對不同地區的環境特點，集裝箱應具有相應的環境適應性設計。如用于海島地區的移動式儲能系統，應優先考慮防鹽霧性能，而高原地區則應優先考慮集裝箱的防風、防震、防塵、保溫等耐高原特性。總的來說，集裝箱具備良好的防腐、防火、防水、防塵(防風沙)、防震、防紫外線、防盜等功能，保證系統不會因環境因素出現故障。

第三，集裝箱應具有良好的故障檢測和報警功能。移動式儲能系統所用的集裝箱內應配置煙霧傳感器、溫度傳感器、氫氣傳感器、應急燈及防雷接地等必不可少的安全設備，煙霧傳感器和溫度傳感器和系統的控制開關形成電氣連鎖，一旦檢測到故障，集裝箱可通過聲光報警和遠程通信的方式通知用戶，同時，切掉正在運行的電池組，以保證整個系統的安全。

3移動式電化學儲能系統的參數和功能特性

表1列出了幾種常見移動式儲能系統的基本參數。其中鉛炭電池儲能系統有三種，其容量分別為576kWh、1200kWh及1344kWh;鋰電儲能系統容量為1000kWh。從表中可以看出，鉛炭電池移動式儲能系統的能量密度只有鋰電系統的1/3左右;同時在容量相當的條件下，鋰電系統的最大放電功率也要高于鉛炭系統;此外，鋰電系統可以將PCS納入集裝箱中，而鉛炭電池系統需要另外配置集裝箱來安置PCS。

移動式電化學儲能系統的功能特性主要包括以下幾個方面：

(1)能量存儲和釋放功能：采用儲能鉛炭電池組的系統具有較為優異的大倍率充放電性能、循環壽命長、安全性和穩定性突出、價格合理、具有可高額回收的優勢，投資和維護成本較低;采用儲能鋰離子電池組的系統，具有更高的大倍率充放電能力，更大的能量密度和較長的循環壽命，但投資和維護成本較高。

(2)電池管理和監控功能：通過BMS系統，對系統內單體電池及電池組實現電壓、電流、SOC、溫度等信號高精度采集，并實現電池組均衡管理、均衡策略，電池容量和健康診斷(SOC/SOH)計算等功能;同時，系統數據上傳并能接受后臺監控管理;支持功能擴展和定制服務;

(3)通訊、信息傳輸及遠程管理功能：內部信息傳輸主要分為兩個方面，首先是BMS和中央控制系統的通訊，通訊方式采用Modbus TCP，接口為以太網;第二是BMS和PCS的通訊，通訊方式采用Modbus，接口是RS485。

外部信息傳輸通過在集裝箱內安置3G或4G信號發射和接受終端，將系統的相關信息傳輸到手機或電腦控制端，也可將指令傳回系統，從而實現對整個系統的遠程監控和管理。

(4)能量轉換功能：通過PCS中的電力輸入端、雙向逆變電路、保護及開關電路、供電輸出電力線、充電放電模塊、監測模塊、檢測傳感電路、控制模塊、系統總線、電控開關等部件，有效實現系統蓄電、供電以及并網和離網共用;

(5)安全性和可移動功能：整個系統采用預裝式設計，以集裝箱作為基本的承載部件，電池組采用模塊化設計，因此具有良好的可移動性。同時，系統可以根據環境要求，對集裝箱內外進行防腐、防火、防水、防塵(防風沙)、防震、防紫外線、防盜等處理，使其具備良好的環境適應能力和高安全性。

4移動式電化學儲能系統的應用

4.1應用場景分析

表2指出了在發電側、輸配側和用戶側領域儲能系統的應用場景。從表中可以看出，不同應用場景下儲能系統的要求也是不同的，主要區別在于放電時長、運行頻率和響應時間。

表3 事宜不同響應時間條件下的儲能技術

表3進一步指出了在不同的響應時間條件下，最為適宜的儲能類型。表中分析表明，電化學儲能適宜于秒級到分鐘級以及分鐘至數小時級的響應要求。再對應表2中的應用場景分析，可知移動式電化學儲能系統適宜于發電側負荷跟蹤、系統調頻、備用容量和可再生能源并網，以及整個輸配側和用戶側的應用要求。

4.2應用主要問題

隨著國內外智能電網項目、微電網項目、能源互聯網項目及多能互補工程的不斷發展建設，電化學儲能系統特別是移動式電化學儲能系統的應用越來越廣泛，但就其應用方面還是存在一些問題。

第一、儲能商業化模式尚未明晰。國家對能源改革的決心已定，也出臺了一些列政策支持儲能的發展，但尚未出臺明確的補貼政策，目前儲能系統的建設和運維成本仍然較大，很難在短期內形成盈利，這在一定程度上阻礙了儲能商業化應用的進程。

第二、適配應用場景的電化學儲能技術仍需不斷提升。新能源發電并網、用戶側削峰填谷商業化及新能源汽車等的發展擴大正在不斷促進電化學儲能系統的應用和發展。但目前電化學儲能技術仍有不斷提升的空間，在進一步延長儲能電池的能量密度和使用壽命，提升BMS系統的控制精度和可靠性，降低PCS的能量轉換損耗以及發展更智能高效的能量控制管理方案等方面都有很多工作要做。

第三、移動式電化學儲能系統標準化工作仍需不斷完善。應基于電化學儲能技術和產業發展，在移動式電化學儲能系統的設計、構建、性能指標、運行情況及運行評價等方面應建立相應的標準，以此來進一步推進移動式電化學儲能系統的擴大應用和發展進步。

5結論與展望

儲能產業正在經歷一個快速發展的時期，在政策支持和市場需求不斷擴大的條件下，儲能系統的應用領域更加明晰，儲能項目大幅增加，目前儲能系統生產廠商、終端用戶和投融資機構都在積極拓展儲能系統的應用市場、探索儲能系統的應用模式，積極推動儲能的商業化應用。

移動式電化學儲能系統因其較好的儲電輸電性能、較高的可靠性和安全性及較為突出的靈活性和移動性，已經成為儲能系統中的一個重要分支，其應用前景十分廣闊，必將為我國新能源產業的發展及能源革命的推進做出積極的貢獻。但作為一種新興技術，現階段發展仍然面臨一些問題。技術性能的不斷提升、商業模式的不斷完善及標準化工作的不斷進行都是未來的工作重點。相信隨著市場化應用的持續擴展和技術的繼續進步，移動式電化學儲能系統一定會實現健康持續的發展。

（吳戰宇顧立貞朱明海姜慶海）

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