MW級儲能集裝箱系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

:儲能是智能電網(wǎng)、可再生能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)。隨著大規(guī)模儲能市場應(yīng)用的爆發(fā)，1MW的儲能系統(tǒng)必定是一個標準的應(yīng)用單元，其對多微網(wǎng)的并網(wǎng)及離網(wǎng)應(yīng)用具有重要研究意義。

微網(wǎng)項目的應(yīng)用類型及特點

一、微網(wǎng)的概念

微網(wǎng)是相對傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個概念，是指多個分布式電源及其相關(guān)負載按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。

微網(wǎng)涉及電力系統(tǒng)發(fā)電、儲能、配電、用電、調(diào)度、通信六大領(lǐng)域，它可以工作在并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種模式下，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

二、微網(wǎng)的應(yīng)用

微網(wǎng)的應(yīng)用市場主要分為以下四個方面：1、家庭微網(wǎng)：這種市場應(yīng)用目前在國內(nèi)還比較局限，光儲充一體化的微網(wǎng)居多。2、工業(yè)園微網(wǎng)：這一塊的應(yīng)用比較廣泛。3、海島微網(wǎng)：在海島上發(fā)展光伏和風(fēng)力發(fā)電，解決海島用電穩(wěn)定性和安全性。4、偏遠/無電地區(qū)微網(wǎng)：建設(shè)微型多能源互補電網(wǎng)，解決偏遠地區(qū)無電供應(yīng)的問題。

微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運行，也可孤島運行，整個系統(tǒng)的設(shè)計偏向于即插即用，提高供電靈活性與可靠性；儲能微網(wǎng)還可以作為備用電源，運用其黑啟動功能；另外還可以通過本地的能量管理系統(tǒng)，參與主網(wǎng)的調(diào)節(jié)。

三、微網(wǎng)的類型

1 交流微網(wǎng)

交流微網(wǎng)主要是分布式能源通過AC母線的耦合技術(shù)，將風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電、光伏以及儲能接入到系統(tǒng)中，最終整個系統(tǒng)通過智能配電柜連接到大電網(wǎng)，組成一個簡單的交流微網(wǎng)。這種交流微網(wǎng)的應(yīng)用在目前微網(wǎng)儲能的應(yīng)用或項目中是非常典型的，而且技術(shù)方面相對也比較成熟，應(yīng)用非常靈活。在所有儲能微網(wǎng)技術(shù)這一塊，設(shè)備供應(yīng)商或者系統(tǒng)集成商要實現(xiàn)系統(tǒng)集成相對比較容易。

交流微網(wǎng)這個類型比較適合于海島微網(wǎng)。因為在海島比較寬闊的地帶，可以通過光伏做能量的補充，加上儲能系統(tǒng)，當(dāng)負載消耗不完的時候，余電可以先進行儲能，到晚上再給負載供電。當(dāng)整個系統(tǒng)在陰雨天光伏也無法發(fā)電的時候，可以考慮加入一臺柴油發(fā)電機，將其作為備用電源來使用。

交流微網(wǎng)的特點：1、交流微網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計可支持并網(wǎng)運行，也可脫離電網(wǎng)運行。2、整個系統(tǒng)接入功率范圍大，設(shè)計比較靈活，可接入光伏能源、風(fēng)力發(fā)電、超級電容及其他類型的儲能電池系統(tǒng)。3、支持梯次電池的應(yīng)用，電池接入多分支，減少電池組并聯(lián)。4、整個交流系統(tǒng)微網(wǎng)可以做成實現(xiàn)光伏、儲能、電池一體化的集裝箱設(shè)計方案。在容量比較小的場合，儲能電池占的面積比較大，如果系統(tǒng)裝置放在某個特定區(qū)域沒有空間的時候，可以加個集裝箱放在戶外，整體打包。

交流微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)：1、微網(wǎng)能量管理策略，通過管理微網(wǎng)內(nèi)負荷的運行狀態(tài)，是微網(wǎng)經(jīng)濟可靠運行。要組成微網(wǎng)，少不了后臺做能量管理調(diào)度和策略管控。2、并離網(wǎng)無縫切換技術(shù)，保證微網(wǎng)內(nèi)重要負荷的供電可靠性，對大電網(wǎng)的安全可靠運行具有重要作用。3、VSG功能，增加系統(tǒng)慣性，維持系統(tǒng)的電壓和頻率的穩(wěn)定。

2 直流微網(wǎng)

直流微網(wǎng)主要應(yīng)用于電動汽車充電站、工商業(yè)園區(qū)及一些應(yīng)急供電的場合。系統(tǒng)組成主要考慮兩點：1、發(fā)揮光伏的最大作用。因為微網(wǎng)中光伏和儲能板塊是不可缺少的，而且儲能是整個微網(wǎng)設(shè)備的核心組成部分。光伏發(fā)電一般是直流電，將光伏發(fā)的直流電通過中間裝置并入到直流母線，將電池通過中間的直流變換器接入到系統(tǒng)，這樣光伏發(fā)電就不需要逆變之后再整流回來給電池充電，整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率就會非常高。2、目前電動汽車的充電技術(shù)主要采用交流充電樁或者直流充電樁，這類充電樁的能量來源于交流電，搭建一個直流微網(wǎng)將能量流動通過直流充電DC的變換，直接給電動汽車充電，最大化提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和利用效率。整個系統(tǒng)通過儲能變流器跟電網(wǎng)連接，起到互補的作用，當(dāng)光伏能量不足或者負載供電、直流源等類似的負載需要供電時，就可以通過電網(wǎng)取電；當(dāng)光伏發(fā)的電消耗不完時可以余電上網(wǎng)。

直流微網(wǎng)的特點：1、直流微網(wǎng)采用直流母線的耦合技術(shù)，減少交直流變換損耗。2、充分利用光伏發(fā)電，做到微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。3、最大化減少電網(wǎng)側(cè)的配電容量，因為很多負載要供電時從電網(wǎng)取電，電網(wǎng)側(cè)的變壓器配置容量會非常大，如果直流負載很多，就可以采用直流微網(wǎng)這種方案來解決。4、作為簡單的應(yīng)急電源，這種應(yīng)急電源做不到像常規(guī)的UPS那種無縫供電切換，但是切換延遲可以控制在15毫秒以內(nèi)。

直流微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)1、能量管理系統(tǒng)，通過一套軟件進行系統(tǒng)能量的策略把控和調(diào)度。2、直流變換器阻抗匹配技術(shù)，該阻抗匹配電路能夠減小濾波電路和輸出負載變化時對該變換器諧振電路諧振頻率的影響，使工作時該變換器諧振電路的諧振頻率僅在一個寬度較小的頻率區(qū)段內(nèi)變化，以此保障該變換器的高轉(zhuǎn)換效率和簡化該變換器的控制電路。3、分段母線的分布式協(xié)同控制技術(shù)，確保協(xié)同的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的適應(yīng)性。

3 交直流混合微網(wǎng)

交直流混合微網(wǎng)集合了前面兩種微網(wǎng)類型的所有特點，功能非常強大，整個系統(tǒng)的組合對設(shè)備及技術(shù)的要求非常高。在儲能、PCS等環(huán)節(jié)，如果處理不好整個系統(tǒng)分布式能源接入的協(xié)調(diào)和控制，系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。交直流混合微網(wǎng)可以廣泛應(yīng)用于海島、無電地區(qū)及工商業(yè)園區(qū)等場景。

1MWh集裝箱儲能技術(shù)方案及應(yīng)用

一、儲能集裝箱的解決方案

1 微網(wǎng)儲能解決方案

集成電池、BMS、變流器、智能切換柜、EMS等核心部件全部放在一個集裝箱里面，40英尺的集裝箱就可以做到。這種一體式的解決方案可以應(yīng)用在儲能電站的調(diào)峰、調(diào)頻，或者梯次電池的利用，應(yīng)急供電的場合及一些削峰填谷的商業(yè)應(yīng)用等方面。

2 電站儲能解決方案

儲能電站整個系統(tǒng)的搭建規(guī)模比較大，個人建議將PCS和電池部分分開，單獨放置在一個集裝箱里面，這樣在維護及電池的通風(fēng)散熱方面會比較合理。

3機柜式儲能解決方案

這種一體化的儲能解決方案適用于小型的商業(yè)儲能應(yīng)用，將PCS和電池模組全部放置在一個機柜里面，整個系統(tǒng)的占用空間就比較小。

二、1MWh儲能集裝箱的設(shè)計

1MWh儲能集裝箱的設(shè)計主要分為兩部分：1、電池倉：電池倉主要包括1MWh的電池、電池架、BMS控制柜、七氟丙烷滅火柜、散熱空調(diào)、煙感照明、監(jiān)控攝像頭等。電池需要配備相對應(yīng)的BMS管理系統(tǒng)。電池的類型可以是鐵鋰電池、鋰電池、鉛炭電池及鉛酸電池。鉛酸電池的能量密度偏低，而且體積較大，標準的40英尺的集裝箱可能沒辦法放下，目前主流的標配設(shè)計是1MWh的磷酸鐵鋰電池。散熱空調(diào)根據(jù)倉里的溫度進行實時調(diào)節(jié)。監(jiān)控攝像頭可以遠端監(jiān)控倉里設(shè)備的運行狀態(tài)。最終可以組成一個遠程的客戶端，通過客戶端或者app對倉里設(shè)備的運行狀態(tài)、電池狀態(tài)等進行監(jiān)測和管理。2、設(shè)備倉：設(shè)備倉主要包括PCS和EMS控制柜。PCS可控制充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網(wǎng)情況下可以直接為交流負荷供電。EMS在儲能系統(tǒng)的應(yīng)用里面，功能和作用都比較重要。在配電網(wǎng)方面，EMS主要通過跟智能電表的通訊，采集電網(wǎng)實時功率的狀態(tài)，并實時監(jiān)測負載功率的變化?？刂谱詣影l(fā)電，對電力系統(tǒng)狀態(tài)的安全性進行評估。1MWh的系統(tǒng)里面，PCS和電池的比例可以是1:1或者1:4（儲能PCS250kWh，電池1MWh）。

1MW集裝箱式變流器散熱設(shè)計采用前進分后出風(fēng)的設(shè)計，這種設(shè)計適用于將所有PCS全部放置在同一個集裝箱的儲能電站。

將集裝箱內(nèi)部配電系統(tǒng)的走線、維護通道及散熱設(shè)計整體一體化優(yōu)化設(shè)計，便于遠距離運輸，減少事后維護的成本。

三、標準MW儲能方案的組成

標準MW儲能方案將電池、BMS、PCS和EMS做集成處理，系統(tǒng)多以PCS為核心的基礎(chǔ)設(shè)備，通過集成電池、BMS、EMS，提供定制化、一站式儲能解決方案。

儲能微網(wǎng)成為能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施

一、儲能微網(wǎng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用

儲能和互聯(lián)網(wǎng)存在一一對應(yīng)的關(guān)系。儲能中的能量對應(yīng)的就是互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)；電池就是所說的儲能，對應(yīng)的就是互聯(lián)網(wǎng)中的緩存；儲能變流器雙向變換設(shè)備對應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)中路由器的作用；儲能中的微電網(wǎng)就相當(dāng)于局域網(wǎng)；所有數(shù)據(jù)和設(shè)備加在一起組成了能源互聯(lián)網(wǎng)，相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)造。

二、儲能的應(yīng)用

1、發(fā)電側(cè)：解決棄風(fēng)棄光，平抑波動。目前局部地區(qū)的棄風(fēng)率達到10%-15%，棄光率達到15%-20%。在發(fā)電側(cè)配套儲能，可以平穩(wěn)發(fā)電，對電網(wǎng)的沖擊也會減少很多。

2、電網(wǎng)側(cè)：參與電網(wǎng)的調(diào)頻，提升穩(wěn)定性。目前調(diào)頻市場有些地方采用火電來調(diào)頻，但是火電調(diào)頻響應(yīng)的時間和周期比較長。儲能輸出功率的變化非常快，一般在10秒內(nèi)就可以響應(yīng)，儲能調(diào)頻相比之下比較有優(yōu)勢。

3、用戶側(cè)：能量存儲，削峰填谷，賺取峰谷電價差。

三、儲能微網(wǎng)發(fā)展中面臨的困難與挑戰(zhàn)

目前整個儲能市場處于不溫不火的狀態(tài)，主要有兩方面的原因:一是政策與成本方面。國家對電動汽車的政策補貼是非常大的，所以對儲能系統(tǒng)或者電池做補貼之后，整個系統(tǒng)的造價就會降低，初始投資減少，系統(tǒng)的收益就會增加。二是技術(shù)層面。首先在主動配電網(wǎng)的發(fā)展方面還存在制約因素和技術(shù)難度；在能源管理技術(shù)探索方面還有待摸索；微網(wǎng)和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行技術(shù)有待提高；在儲能變流器的電網(wǎng)適應(yīng)性及對電網(wǎng)的支撐技術(shù)方面，對儲能PCS廠家有技術(shù)要求和門檻。人認為政策與成本這塊是目前的主要問題。

四、儲能微網(wǎng)發(fā)展的機會與機遇

1、光伏、風(fēng)電高滲透率對電網(wǎng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電最高滲透率一般不超過25%-50%，否則電網(wǎng)可能會出現(xiàn)電壓升高、有云層變化引起的電壓波動、有低電壓和頻率波動引起的大范圍脫網(wǎng)等問題。

2、電改激活了用戶側(cè)儲能市場。隨著儲能成本進一步下降，峰谷電價制度完善、尖峰電價制定、需求側(cè)管理等補償機制建立、電力市場用戶側(cè)多種增值服務(wù)開展等電改政策紅利的顯現(xiàn)，用戶側(cè)的儲能市場將成為儲能在我國實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

3、隨著電動汽車市場的急劇爆發(fā)，有效地進行動力電池的回收和實現(xiàn)電池的梯次利用成為了新能源汽車發(fā)展的重要課題之一，并已被提上了日程，未來汽車電池的市場非常大。

4、光儲充微網(wǎng)系統(tǒng)具有投資價值。它是一種綜合利用綠色能源的能源管理和配置方案，具有很高的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

多分支儲能技術(shù)在梯次電池利用中的優(yōu)勢

一、梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)

對于電動汽車退役的動力電池梯次利用，一般需要經(jīng)過以下過程：退役電池的回收、電池PACK拆解成為單體電芯、電池篩選及性能分類、電池重新成組為梯次利用電池模組或PACK、池均衡維護檢測

動力電池退役時，是整個pack從車上拆解下來的。不同的車型有不同的電池pack設(shè)計，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計，模組連接方式，工藝技術(shù)各不相同，意味著不可能用一套拆解流水線適合所有的電池pack和內(nèi)部模組。那么，在電池拆解方面，就需要進行柔性化的配置，將拆解流水線進行分段細化，針對不同的電池pack，在制定拆解操作流程時，要盡可能復(fù)用現(xiàn)有流水線的工段和工序，以提高作業(yè)效率，降低重復(fù)投資。

梯次利用，最合理的應(yīng)該是拆解到模組級，而不是電芯級，因為電芯之間的連接通常都是激光焊接或其他剛性連接工藝，要做到無損拆解，難度極大，考慮成本和收益，得不償失。

二、梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)

1、PCS采用模塊化多分支解決方案，可以更好的減少電池組的并聯(lián)數(shù)。每路電池之間充電、放電互不影響。

​多分支技術(shù)解決的痛點：1、消除由于不同的電池組并聯(lián)之間產(chǎn)生的環(huán)流問題。2、減少電池梯次利用后復(fù)雜的篩選環(huán)節(jié)，降低梯次電池重新使用的成本，以提高梯次電池的回收效率和利用價值。3、可以接入不同電池廠家的電池，提高系統(tǒng)靈活性。2、BMS采用主動均衡技術(shù)方案，可以最大化的對電池進行均衡的保護。

三、技術(shù)優(yōu)勢

1、儲能PCS模塊化設(shè)計穩(wěn)定度高，單模故障不影響其他模塊工作，模塊生產(chǎn)方便，快速高效。

2、在用戶價值方面，系統(tǒng)可帶電進行模塊增減更換維護，10分鐘內(nèi)可完成單個模塊更換；模塊化冗余并聯(lián)避免了資源浪費；支持多種能源接入，方便靈活。

3、采用高效的三電平拓撲技術(shù)，增加零電平變換，IGBT耐壓為兩電平一半，開關(guān)損耗?。蝗娖骄哂懈唛_關(guān)頻率，輸出濾波電感減?。蝗娖蕉嘁粚与A梯電壓，輸出電流波形更接近正弦波，諧波含量小，功率因數(shù)0.99。功率因素方面，從-1到1是可以隨意調(diào)節(jié)的。

4、獨立散熱設(shè)計，模塊采用分層結(jié)構(gòu)，將主控中心和主要發(fā)熱器件隔離；采用獨立風(fēng)道，確保風(fēng)腔有足夠的風(fēng)壓，相比于混合風(fēng)道，熱設(shè)計更優(yōu)。

光儲充一體化技術(shù)應(yīng)用探討

光儲充典型的應(yīng)用模式是交流微網(wǎng)模式，其主要架構(gòu)包括交流母線、光伏、充電樁、儲能和電池等，系統(tǒng)可以并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行。系統(tǒng)還可以配備并離網(wǎng)切換設(shè)備做無縫切換的設(shè)計。

光儲充的應(yīng)用未來會發(fā)展成多能互補的狀態(tài)，后期不僅有光伏、儲能，還有熱負荷、熱泵、分布式能源等接入到這個系統(tǒng)，逐漸演變成為一個龐大的微網(wǎng)系統(tǒng)。