魯統(tǒng)文

（南通中集特種運輸設(shè)備制造有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引 言

當(dāng)前，隨著新能源的使用規(guī)模不斷擴大，儲能技術(shù)特別是MW級電池儲能技術(shù)取得了極大突破。MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)兼具了儲能容量高、運行可靠性、可操作性強以及普適應(yīng)性強等諸多優(yōu)勢，因而在太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿阮I(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計研究已相對成熟，具有完整的上下游產(chǎn)業(yè)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(xué)的發(fā)展，集裝箱式電池儲能系統(tǒng)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(yōu)勢，成為了未來儲能系統(tǒng)設(shè)計研究的重要方向[2]。

1 應(yīng)用研究現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)電能向勢能的轉(zhuǎn)換，把多余的電能儲存起來；壓縮空氣儲能指在負(fù)載用電量較小時，利用電動壓縮機將空氣壓入儲罐，等到負(fù)載用電需求變高時利用高壓空氣推動汽輪機進(jìn)行發(fā)電，從而實現(xiàn)電能-內(nèi)能-電能的循環(huán)轉(zhuǎn)化；飛輪儲能實質(zhì)是動能與電能之間的轉(zhuǎn)化，能夠?qū)崿F(xiàn)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(dǎo)儲能對設(shè)備的技術(shù)要求較高，通過超導(dǎo)介質(zhì)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(zhuǎn)化速率極高，能夠在較短時間內(nèi)釋放大量的電能，在智能電網(wǎng)中有很高的應(yīng)用價值[3,4]。

1.2 集裝箱式儲能系統(tǒng)特點及應(yīng)用方式

通常來說，集裝箱式儲能系統(tǒng)往往容量很大，其典型功率大都達(dá)到MW級。在發(fā)電、輸電、變電中，其設(shè)計持續(xù)運行時間一般都要求幾十分鐘至幾小時。特別是在大規(guī)模風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組并網(wǎng)中，在實現(xiàn)電能輸出的平穩(wěn)性、降低電網(wǎng)供電峰谷差、均衡負(fù)荷、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性以及提高電能利用效率等方面，一般配置超大規(guī)模的儲能系統(tǒng)[5-7]。集裝箱式儲能系統(tǒng)通過將電池管理系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、熱量控制系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)以車載集裝箱的形式集成綜合能量管理系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。以移動式電站為例，集裝箱式儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)末端的結(jié)構(gòu)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(fù)荷連接于交流母線，實現(xiàn)與微網(wǎng)進(jìn)行雙向的能量交換，提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時，移動式電站可以作為應(yīng)急電源接入微電網(wǎng)，發(fā)揮備用電源的作用，如圖2所示。

圖1 接入配電網(wǎng)

圖2 接入微電網(wǎng)

1.3 移動式儲能設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的作用

MW級集裝箱式儲能系統(tǒng)的容量可調(diào)節(jié)空間很大，針對不同應(yīng)用場景實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的均衡負(fù)荷、削峰填谷，快速發(fā)揮作為應(yīng)急電源、穩(wěn)定電網(wǎng)的作用，綜合來看具體優(yōu)點如下。一是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。輸變電系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜因素擾動時，特別是并網(wǎng)功率峰谷變化劇烈時，儲能系統(tǒng)通過充放電控制極大地抑制系統(tǒng)振蕩效應(yīng)，進(jìn)而維持大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。二是維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載在短時間內(nèi)大幅增加時，就會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓急劇跌落，此時處于電網(wǎng)末端的大規(guī)模集裝箱式儲能系統(tǒng)可以快速響應(yīng)，對電網(wǎng)放電，從而實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。三是應(yīng)急電源。一些重要的負(fù)載如精密實驗儀器、軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)線等在發(fā)生斷電突發(fā)情況后需要使用UPS應(yīng)急供電，但傳統(tǒng)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(shè)成本大，很難在實際生產(chǎn)生活中解決問題。相比之下，集裝箱式儲能系統(tǒng)容量大、響應(yīng)快、移動便捷，在作為應(yīng)急電源時更具優(yōu)勢。四是配合新能源。儲能系統(tǒng)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(fù)雜條件下的太陽能、風(fēng)能發(fā)電廠，集裝箱式儲能系統(tǒng)的適應(yīng)能力強，在應(yīng)對功率預(yù)測難度大、不確定因素多等問題時能夠發(fā)揮巨大的作用。

2 應(yīng)用研究

MW級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括電池組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及熱控制系統(tǒng)等。目前，鋰離子電池是MW級儲能系統(tǒng)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(fēng)險。儲能系統(tǒng)整體運行時，如果電池單體的電性能統(tǒng)一，就可能發(fā)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(nèi)阻會變大。長時間運行便會嚴(yán)重?fù)p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(tǒng)為了滿足應(yīng)用場景，常會由成千上萬個單體電池通過串聯(lián)來組成[8]。

2.1 電池組系統(tǒng)

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(tǒng)進(jìn)行分析，整體包含了監(jiān)控系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）及電池系統(tǒng)等。其中，由64個電池模塊串聯(lián)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(tǒng)最高電壓為900 V。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(tǒng)，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(tǒng)應(yīng)具備對所有單體電池電流、電壓、溫度、電荷狀態(tài)（State of Charge，SoC）以及電池健康狀態(tài)（State of Health，SOH）的監(jiān)控能力，配備智能的故障警示系統(tǒng)，當(dāng)某一模塊參數(shù)出現(xiàn)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(jiān)控人員給予相應(yīng)的處理措施。

2.2 熱管理系統(tǒng)

電池?zé)峁芾硎窍到y(tǒng)保持持續(xù)、穩(wěn)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(nèi)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(shè)備硬件、人員能力的要求都較高，應(yīng)用于MW級集裝箱式儲能系統(tǒng)會帶來巨大的成本投入。相較而言，基于工業(yè)空調(diào)的強迫風(fēng)冷散熱技術(shù)更加適用于集裝箱式儲能系統(tǒng)。

2.2.1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計時要充分考慮到集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小的問題。儲能系統(tǒng)散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖3所示，依據(jù)集裝箱結(jié)構(gòu)特點將主風(fēng)道、各部位擋風(fēng)板、風(fēng)道出口對稱布置在左右側(cè)。其中，空調(diào)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(nèi)的擋風(fēng)板通過控制方向與開度調(diào)節(jié)各風(fēng)道出口的氣流量，依據(jù)不同模塊熱量產(chǎn)生情況實時動態(tài)調(diào)節(jié)，確保各單體電池保持溫度一致，電性能協(xié)調(diào)；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(tǒng)的效率。

圖3 儲能系統(tǒng)散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)

電池組內(nèi)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(diào)輸出的冷氣流在一定速度下經(jīng)過風(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(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而實現(xiàn)對電池單體的降溫，熱氣流由風(fēng)扇抽出。

圖4 電池簇內(nèi)部氣體流向

儲能電池組的基本外觀結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，其中空調(diào)輸出氣流自模組后端面板開孔處流向內(nèi)部，然后經(jīng)由前端面板設(shè)計的軸流風(fēng)扇抽出，形成整個電池模組內(nèi)高效流動的換熱系統(tǒng)。模組內(nèi)部氣體如圖5（b）所示，各電池單體間隙為3 mm，氣流進(jìn)入電池模塊內(nèi)部后均勻流經(jīng)電池單體表面進(jìn)行換熱。這一熱控系統(tǒng)最大限度地降低了冷卻風(fēng)量的損失，達(dá)到節(jié)能作用。

圖5 電池模塊散熱設(shè)計

2.2.2 溫度控制

空調(diào)控制與風(fēng)扇控制子模塊共同構(gòu)成儲能系統(tǒng)溫控系統(tǒng)。以對電池模塊溫度數(shù)據(jù)為控制變量，采用比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）邏輯控制對風(fēng)量進(jìn)行實時動態(tài)調(diào)整。依據(jù)環(huán)境溫度不同，系統(tǒng)包含制冷與制熱2種模式。考慮到電池內(nèi)部化學(xué)性能穩(wěn)定性，設(shè)置2個臨界溫度點，當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度低于12 ℃時，啟動制熱模式，當(dāng)高于28 ℃時，啟動制冷模式。各風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由獨立的控制單元控制，依據(jù)不同模塊溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體溫度的平衡。

3 結(jié) 論

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