移动式电化学储能系统的构成和各组成部件的特点以及应用

移动式电化学储能系统的分析及应用

摘要：移动式电化学储能系统是储能系统的一个重要分支，它将蓄电池组、电池管理系统及储能双向变流器等部件集成在集装箱中，具有便于施工安装、维护简单方便、可移动性好等特点，适用于各类新能源工程项目和电力工程项目。本文首先分析了移动式电化学储能系统的构成及各组成部件的特点，其次介绍了以铅炭电池和锂离子电池为基础的系统的主要特点和功能，并对移动式电化学储能系统应用场景以及在应用过程中存在问题进行了分析。

1引言

近年来，随着我国能源生产和消费革命的不断推进，能源互联网这一重要推手引起了全社会的广泛关注和重视[1]。而储能系统是能源互联网的关键组成部分，它是实现可再生能源大规模并网、扩大分布式能源及微电网应用的基础，成为实现能源互联网的要素[2,3]。

储能系统所采用的技术种类繁多，主要可以分为物理储能、电化学储能、储热及储氢等几大类[4-6]。由于电化学储能系统具有适应频繁的充放电转换、毫秒级的响应速度、较高的容量等特点以及较为成熟的商业化应用，因此已经在能源互联网项目中得到了较大规模的应用[7]。在近期新建的电化学储能项目中，绝大部分使用的化学电源为锂离子电池[8]、铅炭电池及其他铅酸蓄电池[9]，其技术成熟度也是最高的。

从建设方式上电化学储能系统可分为固定式和移动式[10]。固定式电化学储能系统一般是将系统安置于固定的房屋或舱室中，而移动式电化学储能系统一般是将系统安置于可移动的集装箱内。相对于固定式系统，移动式电化学储能系统将电池、监控系统及能量转换装置等集成在标准的集装箱内，具有较好的可移动性能，便于系统的运输和安装使用，特别适合于一些基础施工难度大、场地面积要求严格、环境相对严苛的地区使用。目前，其在很多微电网和智能电网工程中都得到了应用。

本文对以锂离子电池和铅炭电池为基础的移动式电化学储能系统进行分析。同时，对移动式电化学储能系统在应用过程中面临的问题进行了探讨。

2移动式电化学储能系统的组成

2.1蓄电池组

（1）锂离子电池组

锂离子电池的工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长，近年来在新能源领域。按其所使用的电极材料分类可分为钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池及负极钛酸锂电池等。其中商业化应用最为广泛的是磷酸铁锂电池，这主要是因为其优异的安全性能和较好的性价比。

目前市场上可见的磷酸铁锂电芯的容量主要为几安时至十安时左右，用于移动式储能系统的电芯容量一般为50安时左右。容量太小会增加电芯串并联数量及电池管理系统的监控点，造成系统整体成本增加。而容量过大又会提升电芯的制造难度并会增加电池组的安全隐患。对于移动式储能系统来说，锂离子电池的能量一般分为500kWh和1MWh两种，采用3.2V50Ah的磷酸铁锂电芯经过串并联实现。为适应储能双向变流器的直流电压输入要求，电池组的电压在500~600V左右。

（2）铅炭电池组

铅炭电池是近年来新兴的一种蓄电池产品，按照其电化学反应原理而言，铅炭电池属于铅酸蓄电池的一种。但由于负极中加入了具有电容性质的碳材料，使铅炭电池的大倍率充放电性能和循环寿命远高于普通铅酸蓄电池。同时，铅炭电池中铅资源的回收利用率极高，可以实现铅的循环使用，即使铅炭电池寿命终止，也存在很大的商业价值。优异的性能、较高的安全性、突出的性价比优势和潜在的商业价值，使得铅炭电池在新能源和电力储能领域得到广泛应用。

铅炭电池的单体容量较大，一般为500~1000Ah，电池的标称电压为2V。对于移动式储能系统来说，铅炭电池组的能量一般分为500KWh、1MWh、1.2MWh和1.34MWh几类，电池组电压在600~700V左右，采用2V500Ah或2V1000Ah的电池串并联实现。与锂离子电池组相比，同样容量的铅炭电池组成本更低，环境适应性更好；同时，由于单体数量少，电池管理系统的监控点少，因此，整个系统的造价也较低。但相比锂离子电池组，铅炭电池的体积和重量更大，因此基于铅炭电池的储能系统的占地面积更大，可移动性也较差。

2.2电池管理系统（BMS）

BMS对于储能系统非常重要，相当于整个系统的“神经系统”，监测并管理电池组及电池单体。BMS的主要作用是监测、评估及保护单体电池及电池组的运行状态[11]。BMS主要由如下设备单元组成：充放电保护单元、储能电池管理模块BMU（含均衡功能）、组端采集模块、储能系统管理单元（含显示）。

储能系统中BMS具备的电池管理功能主要包括：

（1）模拟量测量功能：实时测量电池组电压，充放电电流、温度和单体电池端电压、绝缘监测等参数。

（2）电池组运行报警功能：在电池组运行出现过压、欠压、过流、高温、低温、漏电、通信异常、BMS 异常等状态时，能显示并上报告警信息。

（3）电池组保护功能：在电池组运行时，如果电池的电压、电流、温度等模拟量出现超过安全保护阈值的紧急情况时，BMS 可以就地故障切断，将问题电池组退出运行，同时上报保护信息。

（4）自诊断功能：对BMS 与外界通信中断，BMS 内部通信异常，模拟量采集异常等故障进行自诊断，并能够上报到就地监测系统。

（5）均衡功能：监测电池组内指标偏高或偏低的单体并对其进行均衡控制，提高电池组各项指标的均衡性，保证电池系统使用寿命及可用容量。

（6）运行参数设定功能：BMS 运行各项参数能通过本地在BMS 或储能站监控系统进行修改。

（7）本地运行状态显示功能：BMS 能够在本地对电池系统的各项运行状态进行显示，如系统状态，模拟量信息，报警和保护信息等。

（8）事件及历史数据记录功能：BMS 能够在本地对电池系统的各项事件及历史数据进行一定量的存储。

2.3储能双向变流器（PCS）

PCS的基本特点是双向逆变，是具有一系列特殊性能和功能的并网变流器[12]。在储能系统中，PCS作为电能执行装置，负责对各种能量转换，并对电池系统进行有效充放电。因此，PCS与电池系统匹配良好是让储能系统工作安全、稳定可靠的关键所在。通常PCS工种模式有：

（1）功率模式：提供功率支撑，以设定的有功、无功输出功率值为参考；

（2）调频模式：根据频率设定值吸收或发出有功功率，从而调节系统频率；

（3）调压模式：根据电压设定值注入容性或感性无功；

（4）孤岛模式：脱离大电网，自行组网运行，实现调频调压、同步并网等。

在不同的工作模式下，蓄电池组及BMS都是处于不同工况，因此要求PCS应能在BMS中控制好电压、电流等指标使其平抑过渡，平衡PCS充放，充分利用BMS与PCS间的通信及控制策略，将BMS与PCS各自保护机制做到划分准确、干净实施等。

目前市场上可见的PCS最大支流功率和交流侧额定功率多为几十千万到几百千瓦，最大可达到1MW以上，效率一般在95%左右。其直流侧电压一般都在几百伏甚至上千伏，因此电池组的组电压（电池单体串联数量）应匹配PCS的工作电压范围。

2.4集装箱

在移动式储能系统中，集装箱承载着电池组、BMS以及PCS等部件[13]。集装箱的功能和特性对整个移动式储能系统十分重要。

首先，集装箱的尺寸决定了整个系统的容量。根据《GB/T1413-2008》，集装箱尺寸的分类大致分为五类：E系列（长度45英尺）、A系列（长度40英尺）、B系列（长度29英尺）、C系列（长度19英尺）及D系列（长度9英尺）。目前移动式储能系统常用的集装箱为A系列及C系列，分别能承载1MWh及0.5MWh左右的铅炭电池组和BMS系统，但由于电池组的体积问题及PCS的散热需求，PCS需要零配置D系列的集装箱单独放置。对于锂离子电池为基础的移动系统，采用A系列集装箱就可以将1MWh左右的整个系统纳入其中。

第二，集装箱应具有良好的环境适应性。使用移动式储能系统的地区往往基础施工较为困难，如海岛地区、高原地区及沙漠地区等。针对不同地区的环境特点，集装箱应具有相应的环境适应性设计。如用于海岛地区的移动式储能系统，应优先考虑防盐雾性能，而高原地区则应优先考虑集装箱的防风、防震、防尘、保温等耐高原特性。总的来说，集装箱具备良好的防腐、防火、防水、防尘（防风沙）、防震、防紫外线、防盗等功能，保证系统不会因环境因素出现故障。

第三，集装箱应具有良好的故障检测和报警功能。移动式储能系统所用的集装箱内应配置烟雾传感器、温度传感器、氢气传感器、应急灯及防雷接地等必不可少的安全设备，烟雾传感器和温度传感器和系统的控制开关形成电气连锁，一旦检测到故障，集装箱可通过声光报警和远程通信的方式通知用户，同时，切掉正在运行的电池组，以保证整个系统的安全。

3移动式电化学储能系统的参数和功能特性

表1列出了几种常见移动式储能系统的基本参数。其中铅炭电池储能系统有三种，其容量分别为576kWh、1200kWh及1344kWh；锂电储能系统容量为1000kWh。从表中可以看出，铅炭电池移动式储能系统的能量密度只有锂电系统的1/3左右；同时在容量相当的条件下，锂电系统的最大放电功率也要高于铅炭系统；此外，锂电系统可以将PCS纳入集装箱中，而铅炭电池系统需要另外配置集装箱来安置PCS。

表1 移动式电化学储能系统常见参数

序号	名称	参数
576kWh铅炭系统	1200kWh铅炭系统	1344kWh铅炭系统	1000kWh锂电系统
1	额定容量（Kwh）	576kWh	1200kWh	1344kWh	1000kWh
2	直流母线电压（V）	576	600	672	614.4
3	最大充电电流（A）	250	500	500	1100
4	最大放电电流（A）	400	800	800	1100
5	最大放电功率（kW）	250	500	600	750
6	充电截止电压（V）	676.8	705	789.6	691.2
7	放电截止电压（V）	518.4	540	604.8	499.2
8	系统效率	≥93%	≥93%	≥93%	≥93%
9	集装箱规格	1CC	1AAA	1EEE	1AAA
10	重量（kg）	23600	47800	52700	12000
11	能量密度（kWh/T）	24.4	25.1	25.5	83.3

移动式电化学储能系统的功能特性主要包括以下几个方面：

（1）能量存储和释放功能：采用储能铅炭电池组的系统具有较为优异的大倍率充放电性能、循环寿命长、安全性和稳定性突出、价格合理、具有可高额回收的优势，投资和维护成本较低；采用储能锂离子电池组的系统，具有更高的大倍率充放电能力，更大的能量密度和较长的循环寿命，但投资和维护成本较高。

（2）电池管理和监控功能：通过BMS系统，对系统内单体电池及电池组实现电压、电流、SOC、温度等信号高精度采集，并实现电池组均衡管理、均衡策略，电池容量和健康诊断（SOC/SOH）计算等功能；同时，系统数据上传并能接受后台监控管理；支持功能扩展和定制服务；

（3）通讯、信息传输及远程管理功能：内部信息传输主要分为两个方面，首先是BMS和中央控制系统的通讯，通讯方式采用Modbus TCP，接口为以太网；第二是BMS和PCS的通讯，通讯方式采用Modbus，接口是RS485。

外部信息传输通过在集装箱内安置3G或4G信号发射和接受终端，将系统的相关信息传输到手机或电脑控制端，也可将指令传回系统，从而实现对整个系统的远程监控和管理。

（4）能量转换功能：通过PCS中的电力输入端、双向逆变电路、保护及开关电路、供电输出电力线、充电放电模块、监测模块、检测传感电路、控制模块、系统总线、电控开关等部件，有效实现系统蓄电、供电以及并网和离网共用；

（5）安全性和可移动功能：整个系统采用预装式设计，以集装箱作为基本的承载部件，电池组采用模块化设计，因此具有良好的可移动性。同时，系统可以根据环境要求，对集装箱内外进行防腐、防火、防水、防尘（防风沙）、防震、防紫外线、防盗等处理，使其具备良好的环境适应能力和高安全性。

4移动式电化学储能系统的应用

4.1应用场景分析

表2指出了在发电侧、输配侧和用户侧领域储能系统的应用场景[14-16]。从表中可以看出，不同应用场景下储能系统的要求也是不同的，主要区别在于放电时长、运行频率和响应时间。

表2 储能系统的应用场景分析

应用场景	主要作用	放电时长	年运行频率	响应时间
发电侧应用	能量时移	谷时充电，峰时释放，实现削峰填谷。弃风弃光电量存储后再移至其他时段进行并网。	8h	300	小时级
容量机组	利用储能系统的替代效应将煤电的容量机组释放出来，提高火电机组的利用率，增加经济性。	4h	200	小时级
负荷跟踪	针对电力供需之间的实时平衡进行动态调整的一种辅助服务。	2h	1000	分钟级
系统调频	典型的功率型应用，其要求在较短时间内进行快速的充放电。	15min	4000	秒级
备用容量	备用容量是指在满足预计负荷需求以外，针对突发情况时为保障电能质量和系统安全稳定运行而预留的有功功率储备。	15min	10	秒级
可再生能源并网	可再生能源能量时移、可再生能源发电容量固化和可再生能源出力平滑。	5min	4000	秒级
输配侧应用	缓解输配电阻塞	负荷超过线路容量，将储能系统安装在线路上游，当发生线路阻塞时可以将无法输送的电能储存到储能设备中，等到线路负荷小于线路容量时，储能系统再向线路放电。	3h	50	分钟级
延缓输配电设备扩容	利用储能系统通过较小的装机容量有效提高电网的输配电能力，从而延缓新建输配电设施成本，延长原有设备的使用寿命。	3h	10	分钟级
无功支持	无功支持是指在输配线路上通过注入或吸收无功功率来调节输电电压。	＜1min	1000	秒级
用户侧应用	用户分时电价管理	用户可以自主调整用电计划，将电价较高时段的电力需求转移到电价较低的时段实现。	1h	200	分钟级
容量费用管理	容量费用管理是指在不影响正常生产的情况下，通过降低最高用电功率，从而降低容量费用。	1h	200	分钟级
提升电能质量	在用户侧，储能系统进行平滑电压、频率波动，例如利用储能解决分布式光伏系统内电压升高、骤降、闪变等问题。	10min	1000	毫秒级
提升供电可靠性	利用储能系统作为电力用户的备用电源，当电网供电不足时可以为用户供电。	1h	100	秒级

表3 事宜不同响应时间条件下的储能技术表3进一步指出了在不同的响应时间条件下，最为适宜的储能类型。表中分析表明，电化学储能适宜于秒级到分钟级以及分钟至数小时级的响应要求[14-16]。再对应表2中的应用场景分析，可知移动式电化学储能系统适宜于发电侧负荷跟踪、系统调频、备用容量和可再生能源并网，以及整个输配侧和用户侧的应用要求。

响应时间	运行特点	对储能系统的技术要求	适宜的储能类型
秒级至数分钟级	动作周期随机 ms级响应速度 大功率充放电	高功率 高响应速度 高存储/循环寿命 高功率密度及紧凑型的设备形态	超级电容器 电化学储能 超导磁储能 飞轮储能
分钟至数小时级	充放电转换频繁 毫秒级响应速度 可观的能量	一定的规模（MW/MWH以上) 高循环寿命（万次以上） 便于集成的设备形态	电化学储能
数小时级至日级别	大规模能量吞吐	大规模(100MW/100MWH以上) 深充深放（循环寿命5000次以上） 资源和环境友好 成本低	抽水蓄能 压缩空气 熔融盐 储氢

4.2应用主要问题

随着国内外智能电网项目、微电网项目、能源互联网项目及多能互补工程的不断发展建设，电化学储能系统特别是移动式电化学储能系统的应用越来越广泛[16]，但就其应用方面还是存在一些问题。

第一、储能商业化模式尚未明晰。国家对能源改革的决心已定，也出台了一些列政策支持储能的发展，但尚未出台明确的补贴政策，目前储能系统的建设和运维成本仍然较大，很难在短期内形成盈利，这在一定程度上阻碍了储能商业化应用的进程。

第二、适配应用场景的电化学储能技术仍需不断提升。新能源发电并网、用户侧削峰填谷商业化及新能源汽车等的发展扩大正在不断促进电化学储能系统的应用和发展。但目前电化学储能技术仍有不断提升的空间，在进一步延长储能电池的能量密度和使用寿命，提升BMS系统的控制精度和可靠性，降低PCS的能量转换损耗以及发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、移动式电化学储能系统标准化工作仍需不断完善。应基于电化学储能技术和产业发展，在移动式电化学储能系统的设计、构建、性能指标、运行情况及运行评价等方面应建立相应的标准，以此来进一步推进移动式电化学储能系统的扩大应用和发展进步。

5结论与展望

储能产业正在经历一个快速发展的时期，在政策支持和市场需求不断扩大的条件下，储能系统的应用领域更加明晰，储能项目大幅增加，目前储能系统生产厂商、终端用户和投融资机构都在积极拓展储能系统的应用市场、探索储能系统的应用模式，积极推动储能的商业化应用。

移动式电化学储能系统因其较好的储电输电性能、较高的可靠性和安全性及较为突出的灵活性和移动性，已经成为储能系统中的一个重要分支，其应用前景十分广阔，必将为我国新能源产业的发展及能源革命的推进做出积极的贡献。但作为一种新兴技术，现阶段发展仍然面临一些问题。技术性能的不断提升、商业模式的不断完善及标准化工作的不断进行都是未来的工作重点。相信随着市场化应用的持续扩展和技术的继续进步，移动式电化学储能系统一定会实现健康持续的发展。

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