摘要：MW級集裝箱式電池儲能系統在新能源、微電網(wǎng)、移動(dòng)式電站等領(lǐng)域的應用愈加廣泛。針對現階段這一技術(shù)的發(fā)展現狀，首先簡(jiǎn)述了集裝箱式儲能系統的概念，其次分析了電池儲能相比其他形式儲能方式的優(yōu)勢以及現代電力系統中電池儲能技術(shù)的應用特點(diǎn)，*后以額定功率100kW可以運行15min的儲能系統為例設計了1套儲能系統溫度控制系統。

關(guān)鍵詞：MW級別集裝箱式儲能系統；基本概念；研究現狀；溫度管理系統

0引言

當前，隨著(zhù)新能源的使用規模不斷擴大，儲能技術(shù)特別是MW級電池儲能技術(shù)取得了突破。MW級集裝箱式電池儲能系統兼具了儲能容量高、運行可靠性、可操作性強以及普適應性強等諸多優(yōu)勢，因而在太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用前景。與其他儲能電池技術(shù)相比，目前鋰電池儲能綜合系統的設計研究已相對成熟，具有完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，在實(shí)際運營(yíng)中對于成本的控制有較大操作空間[1]。隨著(zhù)材料科學(xué)的發(fā)展，集裝箱式電池儲能系統具備了更大的容量、更便捷的操作性、更可靠的拼裝擴容性，同時(shí)具有低污染、低噪音等一系列優(yōu)勢，成為了未來(lái)儲能系統設計研究的重要方向[2]。

1應用研究現狀

1.1儲能方式對比

從原理角度考慮，能量?jì)Υ娣绞桨ǔ樗畠δ?、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電池儲能以及超*大容量電容器等。抽水儲能就是將一定量的水抽取到更高位置，實(shí)現電能向勢能的轉換，把多余的電能儲存起來(lái)；壓縮空氣儲能指在負載用電量較小時(shí)，利用電動(dòng)壓縮機將空氣壓入儲罐，等到負載用電需求變高時(shí)利用高壓空氣推動(dòng)汽輪機進(jìn)行發(fā)電，從而實(shí)現電能-內能-電能的循環(huán)轉化；飛輪儲能實(shí)質(zhì)是動(dòng)能與電能之間的轉化，能夠實(shí)現短時(shí)間充放電，但儲能量較小，適合于短時(shí)間高功率變化率情況；超導儲能對設備的技術(shù)要求較高，通過(guò)超導介質(zhì)將富余電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場(chǎng)的形式儲存起來(lái)。從電路原理來(lái)看，這一方式的能量轉化速率*高，能夠在較短時(shí)間內釋放大量的電能，在智能電網(wǎng)中有很高的應用價(jià)值[3,4]。

1.2集裝箱式儲能系統特點(diǎn)及應用方式

通常來(lái)說(shuō)，集裝箱式儲能系統往往容量很大，其典型功率大都達到MW級。在發(fā)電、輸電、變電中，其設計持續運行時(shí)間一般都要求幾十分鐘至幾小時(shí)。特別是在大規模風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電機組并網(wǎng)中，在實(shí)現電能輸出的平穩性、降低電網(wǎng)供電峰谷差、均衡負荷、保護電網(wǎng)穩定性以及提高電能利用效率等方面，一般配置超大規模的儲能系統[5-7]。集裝箱式儲能系統通過(guò)將電池管理系統、功率控制系統、熱量控制系統等多個(gè)子系統以車(chē)載集裝箱的形式集成綜合能量管理系統對儲能系統進(jìn)行調控。以移動(dòng)式電站為例，集裝箱式儲能系統接入配電網(wǎng)末端的結構如圖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、光電及一些重要負荷連接于交流母線(xiàn)，實(shí)現與微網(wǎng)進(jìn)行雙向的能量交換，提高微網(wǎng)的穩定性。同時(shí)，移動(dòng)式電站可以作為應急電源接入微電網(wǎng)，發(fā)揮備用電源的作用，如圖2所示。

1.3移動(dòng)式儲能設備在現代電力系統中的作用

MW級集裝箱式儲能系統的容量可調節空間很大，針對不同應用場(chǎng)景實(shí)現對電力系統的均衡負荷、削峰填谷，快速發(fā)揮作為應急電源、穩定電網(wǎng)的作用，綜合來(lái)看具體優(yōu)點(diǎn)如下。一是維持電力系統穩定。輸變電系統發(fā)生復雜因素擾動(dòng)時(shí)，特別是并網(wǎng)功率峰谷變化劇烈時(shí)，儲能系統通過(guò)充放電控制系統振蕩效應，進(jìn)而維持大電網(wǎng)的穩定性。二是維持電網(wǎng)電壓穩定。當負載在短時(shí)間內大幅增加時(shí)，就會(huì )導致電網(wǎng)電壓急劇跌落，此時(shí)處于電網(wǎng)末端的大規模集裝箱式儲能系統可以快速響應，對電網(wǎng)放電，從而實(shí)現對電壓的調節。三是應急電源。一些重要的負載如精密實(shí)驗儀器、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)等在發(fā)生斷電突發(fā)情況后需要使用UPS應急供電，但傳統的UPS容量小，只能維持較短的供電時(shí)間，而固定式儲能電站雖然容量大但建設成本大，很難在實(shí)際生產(chǎn)生活中解決問(wèn)題。相比之下，集裝箱式儲能系統容量大、響應快、移動(dòng)便捷，在作為應急電源時(shí)更具優(yōu)勢。四是配合新能源。儲能系統已經(jīng)成為新能源電站的必要組成部分，特別是在氣候環(huán)境復雜條件下的太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電廠(chǎng)，集裝箱式儲能系統的適應能力強，在應對功率預測難度大、不確定因素多等問(wèn)題時(shí)能夠發(fā)揮巨大的作用。

2應用研究

MW級集裝箱式電池儲能系統由多個(gè)子系統構成，包括電池組、電池管理系統、熱管理系統以及熱控制系統等。目前，鋰離子電池是MW級儲能系統常用的儲能載體，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。儲能系統整體運行時(shí)，如果電池單體的電性能統一，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，電池內阻會(huì )變大。長(cháng)時(shí)間運行便會(huì )嚴重損害電池的使用效率，降低其使用壽命，因此MW級集裝箱式儲能系統為了滿(mǎn)足應用場(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[8]。

2.1電池組系統

以額定功率100kW及以上且儲能時(shí)間不低于15min的儲能系統進(jìn)行分析，整體包含了監控系統、能量轉換系統（Power，PCS）、電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）及電池系統等。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，正常運行時(shí)電池系統*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，增加電池組整體容量，延長(cháng)單體電池使用壽命?？傮w來(lái)講，電池管理控制系統應具備對所有單體電池電流、電壓、溫度、電荷狀態(tài)（StateofCharge，SoC）以及電池健康狀態(tài)（StateofHealth，SOH）的監控能力，配備智能的故障警示系統，當某一模塊參數出現較大變動(dòng)可能引起溫度、電性能等異常時(shí)可以及時(shí)報警，并提示監控人員給予相應的處理措施。

2.2熱管理系統

電池熱管理是系統保持持續、穩定、安全運行的關(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，對設備硬件、人員能力的要求都較高，應用于MW級集裝箱式儲能系統會(huì )帶來(lái)巨大的成本投入。相較而言，基于工業(yè)空調的強迫風(fēng)冷散熱技術(shù)更加適用于集裝箱式儲能系統。

2.2.1風(fēng)道結構設計

風(fēng)道結構設計時(shí)要充分考慮到集裝箱式電池儲能系統內部空間狹小的問(wèn)題。儲能系統散熱風(fēng)道結構如圖3所示，依據集裝箱結構特點(diǎn)將主風(fēng)道、各部位擋風(fēng)板、風(fēng)道出口對稱(chēng)布置在左右側。其中，空調輸出氣流經(jīng)由主風(fēng)道輸送至各風(fēng)道出口；主風(fēng)道內的擋風(fēng)板通過(guò)控制方向與開(kāi)度調節各風(fēng)道出口的氣流量，依據不同模塊熱量產(chǎn)生情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調節，確保各單體電池保持溫度一致，電性能協(xié)調；電池架兩端的擋風(fēng)板防止制冷氣流從集裝箱中逃逸，提高溫度管理系統的效率。

電池組內部氣體的流如圖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)入電池模塊內部，流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而實(shí)現對電池單體的降溫，熱氣流由風(fēng)扇抽出。

儲能電池組的基本外觀(guān)結構如圖5（a）所示，其中空調輸出氣流自模組后端面板開(kāi)孔處流向內部，然后經(jīng)由前端面板設計的軸流風(fēng)扇抽出，形成整個(gè)電池模組內高效流動(dòng)的換熱系統。模組內部氣體如圖5（b）所示，各電池單體間隙為3mm，氣流進(jìn)入電池模塊內部后均勻流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行換熱。這一熱控系統*大限度地降低了冷卻風(fēng)量的損失，達到節能作用。

2.2.2溫度控制

空調控制與風(fēng)扇控制子模塊共同構成儲能系統溫控系統。以對電池模塊溫度數據為控制變量，采用比例、積分和微分（ProportionIntegralDifferential，PID）邏輯控制對風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調整。依據環(huán)境溫度不同，系統包含制冷與制熱2種模式?？紤]到電池內部化學(xué)性能穩定性，設置2個(gè)臨界溫度點(diǎn)，當集裝箱內部溫度低于12℃時(shí)，啟動(dòng)制熱模式，當高于28℃時(shí)，啟動(dòng)制冷模式。各風(fēng)扇的轉速由獨立的控制單元控制，依據不同模塊溫度進(jìn)行調節，實(shí)現系統整體溫度的平衡。

3.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統概述

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統，專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

3.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

3.3接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設備接入。

3.4系統功能

3.4.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，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設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

3.4.3曲線(xiàn)報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線(xiàn)、SOC變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

3.4.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

3.4.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

3.4.6事件查詢(xún)統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

3.4.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

3.4.8用戶(hù)權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

4結論

綜上所述，MW級集裝箱電池儲能系統在電力系統領(lǐng)域的確具有*高的應用研究?jì)r(jià)值。本文給出了1套用于實(shí)現電池模塊溫度控制的設計方法，希望對領(lǐng)域研究有所借鑒。

參考文獻：

[1]帥昌俊.液冷集裝箱式儲能系統設計開(kāi)發(fā)研究[J].河南科技

[2]孫鳳雙.2MW集裝箱式儲能升壓變一體機系統的設計[J].上海電氣技術(shù)

[3]田剛領(lǐng)，張柳麗，牛哲薈，等.集裝箱式儲能系統熱管理設計[J].電源技術(shù)

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

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

[6]游峰，錢(qián)艷婷，梁嘉，等.MW級集裝箱式電池儲能系統研究[J].電源技術(shù)

[7]李相俊，王上行，惠東.電池儲能系統運行控制與應用方法綜述及展望[J].電網(wǎng)技術(shù)

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

[9]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.

[10]魯統文.MW級集裝箱式電池儲能系統的研究現狀與應用探究