移動式電化學儲能系統(tǒng)的分析及應用

摘要：移動式電化學儲能系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)的一個重要分支，它將蓄電池組、電池管理系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的主要特點和功能，并對移動式電化學儲能系統(tǒng)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(lián)網這一重要推手引起了全社會的廣泛關注和重視[1]。而儲能系統(tǒng)是能源互聯(lián)網的關鍵組成部分，它是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模并網、擴大分布式能源及微電網應用的基礎，成為實現(xiàn)能源互聯(lián)網的要素[2,3]。

儲能系統(tǒng)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[4-6]。由于電化學儲能系統(tǒng)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(yè)化應用，因此已經在能源互聯(lián)網項目中得到了較大規(guī)模的應用[7]。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[8]、鉛炭電池及其他鉛酸蓄電池[9]，其技術成熟度也是最高的。

從建設方式上電化學儲能系統(tǒng)可分為固定式和移動式[10]。固定式電化學儲能系統(tǒng)一般是將系統(tǒng)安置于固定的房屋或艙室中，而移動式電化學儲能系統(tǒng)一般是將系統(tǒng)安置于可移動的集裝箱內。相對于固定式系統(tǒng)，移動式電化學儲能系統(tǒng)將電池、監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境相對嚴苛的地區(qū)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(tǒng)進行分析。同時，對移動式電化學儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(yè)化應用最為廣泛的是磷酸鐵鋰電池，這主要是因為其優(yōu)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(tǒng)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(lián)數(shù)量及電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控點，造成系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)實現(xiàn)。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(huán)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(xiàn)鉛的循環(huán)使用，即使鉛炭電池壽命終止，也存在很大的商業(yè)價值。優(yōu)異的性能、較高的安全性、突出的性價比優(yōu)勢和潛在的商業(yè)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(tǒng)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(lián)實現(xiàn)。與鋰離子電池組相比，同樣容量的鉛炭電池組成本更低，環(huán)境適應性更好；同時，由于單體數(shù)量少，電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控點少，因此，整個系統(tǒng)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(tǒng)的占地面積更大，可移動性也較差。

2.2電池管理系統(tǒng)（BMS）

BMS對于儲能系統(tǒng)非常重要，相當于整個系統(tǒng)的“神經系統(tǒng)”，監(jiān)測并管理電池組及電池單體。BMS的主要作用是監(jiān)測、評估及保護單體電池及電池組的運行狀態(tài)[11]。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(tǒng)管理單元（含顯示）。

儲能系統(tǒng)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(jiān)測等參數(shù)。

（2）電池組運行報警功能：在電池組運行出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、高溫、低溫、漏電、通信異常、BMS 異常等狀態(tài)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(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)。

（5）均衡功能：監(jiān)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(tǒng)使用壽命及可用容量。

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

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

（8）事件及歷史數(shù)據(jù)記錄功能：BMS 能夠在本地對電池系統(tǒng)的各項事件及歷史數(shù)據(jù)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[12]。在儲能系統(tǒng)中，PCS作為電能執(zhí)行裝置，負責對各種能量轉換，并對電池系統(tǒng)進行有效充放電。因此，PCS與電池系統(tǒng)匹配良好是讓儲能系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)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(jù)頻率設定值吸收或發(fā)出有功功率，從而調節(jié)系統(tǒng)頻率；

（3）調壓模式：根據(jù)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(xiàn)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(lián)數(shù)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(tǒng)中，集裝箱承載著電池組、BMS以及PCS等部件[13]。集裝箱的功能和特性對整個移動式儲能系統(tǒng)十分重要。

首先，集裝箱的尺寸決定了整個系統(tǒng)的容量。根據(jù)《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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)，采用A系列集裝箱就可以將1MWh左右的整個系統(tǒng)納入其中。

第二，集裝箱應具有良好的環(huán)境適應性。使用移動式儲能系統(tǒng)的地區(qū)往往基礎施工較為困難，如海島地區(qū)、高原地區(qū)及沙漠地區(qū)等。針對不同地區(qū)的環(huán)境特點，集裝箱應具有相應的環(huán)境適應性設計。如用于海島地區(qū)的移動式儲能系統(tǒng)，應優(yōu)先考慮防鹽霧性能，而高原地區(qū)則應優(yōu)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(tǒng)不會因環(huán)境因素出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的安全。

3移動式電化學儲能系統(tǒng)的參數(shù)和功能特性

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

表1 移動式電化學儲能系統(tǒng)常見參數(shù)

移動式電化學儲能系統(tǒng)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(tǒng)具有較為優(yōu)異的大倍率充放電性能、循環(huán)壽命長、安全性和穩(wěn)定性突出、價格合理、具有可高額回收的優(yōu)勢，投資和維護成本較低；采用儲能鋰離子電池組的系統(tǒng)，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(huán)壽命，但投資和維護成本較高。

（2）電池管理和監(jiān)控功能：通過BMS系統(tǒng)，對系統(tǒng)內單體電池及電池組實現(xiàn)電壓、電流、SOC、溫度等信號高精度采集，并實現(xiàn)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(tǒng)數(shù)據(jù)上傳并能接受后臺監(jiān)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(tǒng)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(fā)射和接受終端，將系統(tǒng)的相關信息傳輸?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/107/" target="_blank">手機或電腦控制端，也可將指令傳回系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遠程監(jiān)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(jiān)測模塊、檢測傳感電路、控制模塊、系統(tǒng)總線、電控開關等部件，有效實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可以根據(jù)環(huán)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(huán)境適應能力和高安全性。

4移動式電化學儲能系統(tǒng)的應用

4.1應用場景分析

表2指出了在發(fā)電側、輸配側和用戶側領域儲能系統(tǒng)的應用場景[14-16]。從表中可以看出，不同應用場景下儲能系統(tǒng)的要求也是不同的，主要區(qū)別在于放電時長、運行頻率和響應時間。

表2 儲能系統(tǒng)的應用場景分析

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(shù)小時級的響應要求[14-16]。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(tǒng)適宜于發(fā)電側負荷跟蹤、系統(tǒng)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(lián)網項目及多能互補工程的不斷發(fā)展建設，電化學儲能系統(tǒng)特別是移動式電化學儲能系統(tǒng)的應用越來越廣泛[16]，但就其應用方面還是存在一些問題。

第一、儲能商業(yè)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(fā)展，但尚未出臺明確的補貼政策，目前儲能系統(tǒng)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(yè)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(fā)電并網、用戶側削峰填谷商業(yè)化及新能源汽車等的發(fā)展擴大正在不斷促進電化學儲能系統(tǒng)的應用和發(fā)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(tǒng)的控制精度和可靠性，降低PCS的能量轉換損耗以及發(fā)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(tǒng)標準化工作仍需不斷完善。應基于電化學儲能技術和產業(yè)發(fā)展，在移動式電化學儲能系統(tǒng)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(tǒng)的擴大應用和發(fā)展進步。

5結論與展望

儲能產業(yè)正在經歷一個快速發(fā)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(tǒng)的應用領域更加明晰，儲能項目大幅增加，目前儲能系統(tǒng)生產廠商、終端用戶和投融資機構都在積極拓展儲能系統(tǒng)的應用市場、探索儲能系統(tǒng)的應用模式，積極推動儲能的商業(yè)化應用。

移動式電化學儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)的發(fā)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(xiàn)階段發(fā)展仍然面臨一些問題。技術性能的不斷提升、商業(yè)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(xù)擴展和技術的繼續(xù)進步，移動式電化學儲能系統(tǒng)一定會實現(xiàn)健康持續(xù)的發(fā)展。

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