MW級集裝箱式電池儲能系統的研究現狀與應用探究

魯統文

（南通中集特種運輸設備制造有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引 言

當前，隨著新能源的使用規模不斷擴大，儲能技術特別是MW級電池儲能技術取得了極大突破。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勢，因而在太陽能、風能、地熱能等領域獲得了廣泛的應用前景。與其他儲能電池技術相比，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業鏈，在實際運營中對于成本的控制有較大操作空間[1]。隨著材料科學的發展，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，同時具有低污染、低噪音等一系列優勢，成為了未來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，能量儲存方式包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電池儲能以及超級大容量電容器等。抽水儲能就是將一定量的水抽取到更高位置，實現電能向勢能的轉換，把多余的電能儲存起來；壓縮空氣儲能指在負載用電量較小時，利用電動壓縮機將空氣壓入儲罐，等到負載用電需求變高時利用高壓空氣推動汽輪機進行發電，從而實現電能-內能-電能的循環轉化；飛輪儲能實質是動能與電能之間的轉化，能夠實現短時間充放電，但儲能量較小，適合于短時間高功率變化率情況；超導儲能對設備的技術要求較高，通過超導介質將富余電能在盡可能減少損耗的情況下以電磁場的形式儲存起來。從電路原理來看，這一方式的能量轉化速率極高，能夠在較短時間內釋放大量的電能，在智能電網中有很高的應用價值[3,4]。

1.2 集裝箱式儲能系統特點及應用方式

通常來說，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。在發電、輸電、變電中，其設計持續運行時間一般都要求幾十分鐘至幾小時。特別是在大規模風能、太陽能發電機組并網中，在實現電能輸出的平穩性、降低電網供電峰谷差、均衡負荷、保護電網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將電池管理系統、功率控制系統、熱量控制系統等多個子系統以車載集裝箱的形式集成綜合能量管理系統對儲能系統進行調控。以移動式電站為例，集裝箱式儲能系統接入配電網末端的結構如圖1所示，用于提高配電網供電效能以及電能利用率，可以作為微電網中的分布式電源，與風電、光電及一些重要負荷連接于交流母線，實現與微網進行雙向的能量交換，提高微網的穩定性。同時，移動式電站可以作為應急電源接入微電網，發揮備用電源的作用，如圖2所示。

圖1 接入配電網

圖2 接入微電網

1.3 移動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，針對不同應用場景實現對電力系統的均衡負荷、削峰填谷，快速發揮作為應急電源、穩定電網的作用，綜合來看具體優點如下。一是維持電力系統穩定。輸變電系統發生復雜因素擾動時，特別是并網功率峰谷變化劇烈時，儲能系統通過充放電控制極大地抑制系統振蕩效應，進而維持大電網的穩定性。二是維持電網電壓穩定。當負載在短時間內大幅增加時，就會導致電網電壓急劇跌落，此時處于電網末端的大規模集裝箱式儲能系統可以快速響應，對電網放電，從而實現對電壓的調節。三是應急電源。一些重要的負載如精密實驗儀器、軌道交通、工業生產線等在發生斷電突發情況后需要使用UPS應急供電，但傳統的UPS容量小，只能維持較短的供電時間，而固定式儲能電站雖然容量大但建設成本大，很難在實際生產生活中解決問題。相比之下，集裝箱式儲能系統容量大、響應快、移動便捷，在作為應急電源時更具優勢。四是配合新能源。儲能系統已經成為新能源電站的必要組成部分，特別是在氣候環境復雜條件下的太陽能、風能發電廠，集裝箱式儲能系統的適應能力強，在應對功率預測難度大、不確定因素多等問題時能夠發揮巨大的作用。

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題，在極端情況下還有燃燒、爆炸的風險。儲能系統整體運行時，如果電池單體的電性能統一，就可能發生個別電池“充不飽”而另一些電池“充太飽”或放電過程中部分電池放電過度的問題。在這些工況下，電池內阻會變大。長時間運行便會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足應用場景，常會由成千上萬個單體電池通過串聯來組成[8]。

2.1 電池組系統

以額定功率100 kW及以上且儲能時間不低于15 min的儲能系統進行分析，整體包含了監控系統、能量轉換系統（Power Conversion System，PCS）、電池管理系統（Battery Management System，BMS）及電池系統等。其中，由64個電池模塊串聯組成電池組，每個電池模塊由8個電池單體組成，正常運行時電池系統最高電壓為900 V。為了發揮整組電池效能，就要盡可能使各單體電池的電性能一致，還要優化電池管理控制系統，增加電池組整體容量，延長單體電池使用壽命。總體來講，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（State of Charge，SoC）以及電池健康狀態（State of Health，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可能引起溫度、電性能等異常時可以及時報警，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、安全運行的關鍵。電池散熱包括風冷、自然散熱、循環液冷和相變直冷等。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；而循環液冷技術難度更大，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帶來巨大的成本投入。相較而言，基于工業空調的強迫風冷散熱技術更加適用于集裝箱式儲能系統。

2.2.1 風道結構設計

風道結構設計時要充分考慮到集裝箱式電池儲能系統內部空間狹小的問題。儲能系統散熱風道結構如圖3所示，依據集裝箱結構特點將主風道、各部位擋風板、風道出口對稱布置在左右側。其中，空調輸出氣流經由主風道輸送至各風道出口；主風道內的擋風板通過控制方向與開度調節各風道出口的氣流量，依據不同模塊熱量產生情況實時動態調節，確保各單體電池保持溫度一致，電性能協調；電池架兩端的擋風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。

圖3 儲能系統散熱風道結構

電池組內部氣體的流如圖4所示，在電池模塊前端面板風扇的作用下，空調輸出的冷氣流在一定速度下經過風道出口后，從電池模塊后端面板進風口進入電池模塊內部，流經電池單體表面進行熱量交換，進而實現對電池單體的降溫，熱氣流由風扇抽出。

圖4 電池簇內部氣體流向

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

圖5 電池模塊散熱設計

2.2.2 溫度控制

空調控制與風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（Proportion Integral Differential，PID）邏輯控制對風量進行實時動態調整。依據環境溫度不同，系統包含制冷與制熱2種模式。考慮到電池內部化學性能穩定性，設置2個臨界溫度點，當集裝箱內部溫度低于12 ℃時，啟動制熱模式，當高于28 ℃時，啟動制冷模式。各風扇的轉速由獨立的控制單元控制，依據不同模塊溫度進行調節，實現系統整體溫度的平衡。

3 結 論

綜上所述，MW級集裝箱電池儲能系統在電力系統領域的確具有極高的應用研究價值。本文給出了1套用于實現電池模塊溫度控制的設計方法，希望對領域研究有所借鑒。