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MW级集装箱式电池储能系统
2022-09-17
概要：MW 级集装箱式电池储能系统(CBESS)是未来电网发展的重要支持，能够有效提高电力系统的稳定性、可靠性和电能质量。综述了MW 级集装箱式电池储能系统的研究现状，详细介绍了MW 级集装箱式电池储能系统的相关概念和工作原理，全面阐述了MW 级集装箱式电池储能系统的结构、设计、应用等方面的特点和优势，深入探讨其发展前景和研究方向。
近年来国内外MW 级电池储能技术发展迅速，集装箱式电池储能系统具有容量高、可靠性强、灵活性高、环境适应性强等优点，在电网系统具有广泛的应用前景。锂电池储能系统相对其他储能电池较成熟，上下游产业链配套完善，成本下降空间较大；同时,我国电力系统正处于用电高峰期供电紧张、输配电容量利用率低、有功无功储备短缺以及输电效率低的状况中。用户侧也对负荷侧电能质量提出了更高的要求。这些问题都加速了储能技术的快速发展。
储能技术成为发展和建设智能电网的关键技术之一，其具有改善电网的低能质量，加大可再生能源的利用率。随着新一代锂电池材料的迅速发展，以及电池技术的进一步提高，使得锂电池在储能方面的应用有广泛的空间。集装箱式电池储能系统具有技术成熟、大容量、可移动、可靠性高、无污染、噪音低、适应性强、可扩充、便于安装等优点，所以集装箱储能系统作为电力系统的储能电源，是未来储能的发展方向。
1 概 念
MW 级集装箱式电池储能系统是以磷酸铁锂电池为能量载体，通过PCS 进行充放电，实现与电力系统的多种能量交换，并可接入多种供电模式，如光伏阵列、风能、柴油发电机与电网等储能系统。储能系统的输出可以上电并网、供应各种负载设备以及电动汽车充电机等。
分布式电源如柴油发电机、光伏发电、风力发电、电池储能系统等相对分散地接入低压交流母线，然后通过升压变压器接入10 kV 或者更高电压等级的电网，如图1 所示。
微电网的主电源是储能系统或柴油发电机时，微电网有两种运行模式，作为系统电压或调频参考：
(1) 风储运行模式：储能电池系统通过恒频、恒压(V/F)控制策略，保持微电网系统电压和频率的稳定性。此种模式运行情况下，柴油发电机处于静止状态，风能发电系统一般采用最大输出功跟踪控制策略，当风能输出功率大于负荷消耗功率，并且储能电池系统的荷电状态(SOC)较高时，也需要运行在限功率状态中。
(2) 风柴储运行模式：柴油发电机(通过励磁和调速控制)或风能发电机，建立微电网系统电压和频率参考，储能电池系统采用恒功率控制(PQ)策略，通过接收后台控制系统指令，接收对储能电池系统充/ 放电命。
2 设 计
MW 级集装箱式电池储能系统包含锂电池组、电池管理系统、能量转换系统、控制系统等设备。其中技术核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。
MW 级集装箱储能系统由电池系统和能量转换系统组成，电池系统含有先进的磷酸铁锂电池模块、电池管理系统和作为直流短路保护和电路隔离熔断开关，所有的设备集中安装在集装箱内。为满足容量输出要求，若干个电池模块连接成一个电池簇，电池系统中的每一个电池簇的直流输出，连接到能量转换系统，将DC-AC 和AC-DC(双向)，并控制功率。图2 为MW 级集装箱储能系统的主要组成拓扑图。
MW 级集装箱式电池储能系统完成新能源接入，并网控制、数据采集、远程传输、无人值守等功能，与传统的储能电站相比，具有安装调试简单、外形美观等特点，特别适用于高海拔、严寒、岛屿、荒漠等复杂环境的并网或离网储能系统应用需求。
3 结 构
MW 级集装箱式电池储能系统是以40 尺标准集装箱为载体，内置两台250 kW 储能能量转换系统，将1 MWh 锂电池系统、电池管理系统、储能监控系统、空调系统、消防系统、配电系统集中装在一个特制的箱体内，以实现高集成度、大容量、可移动的储能设备，具有隔热、恒温、消防阻燃、防风沙等特点，满足各种环境使用。
MW 级集装箱式电池储能系统内部包含电池系统、电池管理系统、能量转换系统以及控制系统等。如图3 所示：黑色部分为电池室中有6 个电池簇并联，灰色部分为能转换系统、空调系统和控制系统，紫色部分为风道。图4 为集装箱电池系统内部图。
4 优 势
本文设计的MW 级集装箱式电池储能系统有可移动、灵活性强、可扩充、可拆卸等功能，不论从商业角度还是在技术角度都具有一定的实用价值，此外，在军事领域和环境适应性方面都具有优势。其主要特点有以下几面：
(1) 模块化设计：国际标准化组织是标准的尺寸，允许远洋运输和公路运输方便。它们可以悬挂在高架起重机上，船上，卡车和临时用地。
(2) 坚固耐用的设计：国际标准化组织在运输过程中保护货物，并将在能源储存系统的生命期内提供良好的保护，免受天气、运输及其他环境的侵害。
(3) 可移动性设计：综合比较其他储能电池，锂电池储能技术的优势在于质量与体积，可移动性强，不受地域限制。
(4) 灵活的基础设计：集装箱是很容易适用任何所需的选择。这包括空调，光伏，风机，通道门，电力电缆接入和其他等设备的接入。
5 应 用
以1 MWh 储能系统作为一个单元，具有广泛的适用性，可以通过多个单元并联组合扩充容量，具有较好的竞争优势，也可接入新能源或作为智能电网的分布式电源接入电网。
(1) 新能源接入
由于风能与太阳能等新能源的特点是随机性强、间歇性高，出力变化快，新能源直接并网，特别是大容量的接入电网，会对电网的调度和控制产生一定的影响，甚至会干扰电网的稳定性。通过电池储能系统与可再生新能源联合应用，将随机变化的输出功率转换为相对稳定的输出，保证了电网系统的稳定性。
(2) 备用电源
在偏远地区、供电可靠性差或者有重要负荷的地区，MW级电池储能系统可作为备用电源，为发生故障的电网系统或者需要检修时配电系统提供电源。MW 级集装箱式电池储能系统能够运到一个地区并提供本地化的电力来源。当恶劣气候损坏公用电网系统，可用于紧急救援；或可用于尚未连接到电网的地区。MW 级集装箱式储能系统可以并入电网进行充电，也可配置新能源接入进行储能电能补给。
(3) 微电网
微电网孤网运行时，分布式能源和用户负荷的随机性很大，很难保证发电用电的实时平衡，导致频率波动范围大，电压波动剧烈。大容量、高效的电池储能技术可以抑制外部电网的干扰，保证局部用户的电能质量，并进一步实现微电网的平稳运行。
(4) 电能质量
MW 级集装箱电池储能系统可永久连接到电网，从而提供快速响应频率调节电网的效用。
(a) 可再生平滑：可用于风力农场和大型太阳能光伏阵列连接平滑输出这些可再生能源系统。
(b) 远程军事行动：可用于远程军事行动没有接入公用电网提供电力。MW 级集装箱式电池储能系统可以为照明，通信和各种军事电子硬件提供电力。可移动性还可以提高使用的灵活性，拓展新的市场商业模式，如短期可租赁性、临时增容、在建工程用电等，具有比较大的发展空间
(c) 其他：大容量电池储能技术还可以用于提高配网电能质量。通过换流器提供动态无功补偿，提高系统电压稳定性，应对电压跌落问题；为系统提供备用、调峰、电力系统稳定器等。
6 结 论
本文详细介绍了MW 级集装箱式电池储能系统的概念、结构、核心技术以及应用方向，其在电网系统中的应用还处于不断发展阶段，要实现大规模规范化的应用，需要解决成本、政策、环境等非技术和储能技术等一系列相关问题。
MW 级集装箱式电池储能系统具有容量大、可靠性高、技术成熟、环保、环境适应性强、安装简便、可扩充性高等特点，因此MW 级集装箱式储能系统是未来储能技术的发展方向。
近年来国内外MW 级电池储能技术发展迅速，集装箱式电池储能系统具有容量高、可靠性强、灵活性高、环境适应性强等优点，在电网系统具有广泛的应用前景。锂电池储能系统相对其他储能电池较成熟，上下游产业链配套完善，成本下降空间较大；同时,我国电力系统正处于用电高峰期供电紧张、输配电容量利用率低、有功无功储备短缺以及输电效率低的状况中。用户侧也对负荷侧电能质量提出了更高的要求。这些问题都加速了储能技术的快速发展。
储能技术成为发展和建设智能电网的关键技术之一，其具有改善电网的低能质量，加大可再生能源的利用率。随着新一代锂电池材料的迅速发展，以及电池技术的进一步提高，使得锂电池在储能方面的应用有广泛的空间。集装箱式电池储能系统具有技术成熟、大容量、可移动、可靠性高、无污染、噪音低、适应性强、可扩充、便于安装等优点，所以集装箱储能系统作为电力系统的储能电源，是未来储能的发展方向。
1 概 念
MW 级集装箱式电池储能系统是以磷酸铁锂电池为能量载体，通过PCS 进行充放电，实现与电力系统的多种能量交换，并可接入多种供电模式，如光伏阵列、风能、柴油发电机与电网等储能系统。储能系统的输出可以上电并网、供应各种负载设备以及电动汽车充电机等。
分布式电源如柴油发电机、光伏发电、风力发电、电池储能系统等相对分散地接入低压交流母线，然后通过升压变压器接入10 kV 或者更高电压等级的电网，如图1 所示。
微电网的主电源是储能系统或柴油发电机时，微电网有两种运行模式，作为系统电压或调频参考：
(1) 风储运行模式：储能电池系统通过恒频、恒压(V/F)控制策略，保持微电网系统电压和频率的稳定性。此种模式运行情况下，柴油发电机处于静止状态，风能发电系统一般采用最大输出功跟踪控制策略，当风能输出功率大于负荷消耗功率，并且储能电池系统的荷电状态(SOC)较高时，也需要运行在限功率状态中。
(2) 风柴储运行模式：柴油发电机(通过励磁和调速控制)或风能发电机，建立微电网系统电压和频率参考，储能电池系统采用恒功率控制(PQ)策略，通过接收后台控制系统指令，接收对储能电池系统充/ 放电命。
2 设 计
MW 级集装箱式电池储能系统包含锂电池组、电池管理系统、能量转换系统、控制系统等设备。其中技术核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。
MW 级集装箱储能系统由电池系统和能量转换系统组成，电池系统含有先进的磷酸铁锂电池模块、电池管理系统和作为直流短路保护和电路隔离熔断开关，所有的设备集中安装在集装箱内。为满足容量输出要求，若干个电池模块连接成一个电池簇，电池系统中的每一个电池簇的直流输出，连接到能量转换系统，将DC-AC 和AC-DC(双向)，并控制功率。图2 为MW 级集装箱储能系统的主要组成拓扑图。
MW 级集装箱式电池储能系统完成新能源接入，并网控制、数据采集、远程传输、无人值守等功能，与传统的储能电站相比，具有安装调试简单、外形美观等特点，特别适用于高海拔、严寒、岛屿、荒漠等复杂环境的并网或离网储能系统应用需求。
3 结 构
MW 级集装箱式电池储能系统是以40 尺标准集装箱为载体，内置两台250 kW 储能能量转换系统，将1 MWh 锂电池系统、电池管理系统、储能监控系统、空调系统、消防系统、配电系统集中装在一个特制的箱体内，以实现高集成度、大容量、可移动的储能设备，具有隔热、恒温、消防阻燃、防风沙等特点，满足各种环境使用。
MW 级集装箱式电池储能系统内部包含电池系统、电池管理系统、能量转换系统以及控制系统等。如图3 所示：黑色部分为电池室中有6 个电池簇并联，灰色部分为能转换系统、空调系统和控制系统，紫色部分为风道。图4 为集装箱电池系统内部图。
4 优 势
本文设计的MW 级集装箱式电池储能系统有可移动、灵活性强、可扩充、可拆卸等功能，不论从商业角度还是在技术角度都具有一定的实用价值，此外，在军事领域和环境适应性方面都具有优势。其主要特点有以下几面：
(1) 模块化设计：国际标准化组织是标准的尺寸，允许远洋运输和公路运输方便。它们可以悬挂在高架起重机上，船上，卡车和临时用地。
(2) 坚固耐用的设计：国际标准化组织在运输过程中保护货物，并将在能源储存系统的生命期内提供良好的保护，免受天气、运输及其他环境的侵害。
(3) 可移动性设计：综合比较其他储能电池，锂电池储能技术的优势在于质量与体积，可移动性强，不受地域限制。
(4) 灵活的基础设计：集装箱是很容易适用任何所需的选择。这包括空调，光伏，风机，通道门，电力电缆接入和其他等设备的接入。
5 应 用
以1 MWh 储能系统作为一个单元，具有广泛的适用性，可以通过多个单元并联组合扩充容量，具有较好的竞争优势，也可接入新能源或作为智能电网的分布式电源接入电网。
(1) 新能源接入
由于风能与太阳能等新能源的特点是随机性强、间歇性高，出力变化快，新能源直接并网，特别是大容量的接入电网，会对电网的调度和控制产生一定的影响，甚至会干扰电网的稳定性。通过电池储能系统与可再生新能源联合应用，将随机变化的输出功率转换为相对稳定的输出，保证了电网系统的稳定性。
(2) 备用电源
在偏远地区、供电可靠性差或者有重要负荷的地区，MW级电池储能系统可作为备用电源，为发生故障的电网系统或者需要检修时配电系统提供电源。MW 级集装箱式电池储能系统能够运到一个地区并提供本地化的电力来源。当恶劣气候损坏公用电网系统，可用于紧急救援；或可用于尚未连接到电网的地区。MW 级集装箱式储能系统可以并入电网进行充电，也可配置新能源接入进行储能电能补给。
(3) 微电网
微电网孤网运行时，分布式能源和用户负荷的随机性很大，很难保证发电用电的实时平衡，导致频率波动范围大，电压波动剧烈。大容量、高效的电池储能技术可以抑制外部电网的干扰，保证局部用户的电能质量，并进一步实现微电网的平稳运行。
(4) 电能质量
MW 级集装箱电池储能系统可永久连接到电网，从而提供快速响应频率调节电网的效用。
(a) 可再生平滑：可用于风力农场和大型太阳能光伏阵列连接平滑输出这些可再生能源系统。
(b) 远程军事行动：可用于远程军事行动没有接入公用电网提供电力。MW 级集装箱式电池储能系统可以为照明，通信和各种军事电子硬件提供电力。可移动性还可以提高使用的灵活性，拓展新的市场商业模式，如短期可租赁性、临时增容、在建工程用电等，具有比较大的发展空间
(c) 其他：大容量电池储能技术还可以用于提高配网电能质量。通过换流器提供动态无功补偿，提高系统电压稳定性，应对电压跌落问题；为系统提供备用、调峰、电力系统稳定器等。
6 结 论
本文详细介绍了MW 级集装箱式电池储能系统的概念、结构、核心技术以及应用方向，其在电网系统中的应用还处于不断发展阶段，要实现大规模规范化的应用，需要解决成本、政策、环境等非技术和储能技术等一系列相关问题。
MW 级集装箱式电池储能系统具有容量大、可靠性高、技术成熟、环保、环境适应性强、安装简便、可扩充性高等特点，因此MW 级集装箱式储能系统是未来储能技术的发展方向。
