安科瑞 宣依依

　　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。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。

　　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,。

　　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),。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,。

　　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)（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,。總體來(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,。考慮到電池內(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。

　　3.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

　　4結(jié)論

　　綜上所述,，MW級(jí)集裝箱電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的確具有*高的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值,。本文給出了1套用于實(shí)現(xiàn)電池模塊溫度控制的設(shè)計(jì)方法，希望對(duì)領(lǐng)域研究有所借鑒,。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]帥昌俊.液冷集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)研究[J].河南科技

　　[2]孫鳳雙.2MW集裝箱式儲(chǔ)能升壓變一體機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].上海電氣技術(shù)

　　[3]田剛領(lǐng),，張柳麗，牛哲薈,，等.集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)

　　[4]白亞平,，牛哲薈，趙佩宏，等.集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組技術(shù)研究[J].河南科技

　　[5]羅軍,，田剛領(lǐng),，張柳麗，等.集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度特性研究[J].電器與能效管理技術(shù)

　　[6]游峰,，錢艷婷,，梁嘉，等.MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[J].電源技術(shù)

　　[7]李相俊,，王上行,，惠東.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制與應(yīng)用方法綜述及展望[J].電網(wǎng)技術(shù)

　　[8]張子峰，王林,，陳東紅,，等.集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱及抗震性研究[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)

　　[9]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版.

　　[10]魯統(tǒng)文.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