移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的應(yīng)用模式

移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的應(yīng)用模式

電池能量集綠色環(huán)保，能量雙向流動(dòng)。這是移動(dòng)電源發(fā)展的一個(gè)新方向。介紹了移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的組成和典型結(jié)構(gòu),分析了其應(yīng)用場合和需求,總結(jié)了幾種典型應(yīng)用模式。以鋰電池儲(chǔ)能為例,分析了不同應(yīng)用場合和模式下移動(dòng)式供電系統(tǒng)的接入和運(yùn)行方式,并給出了典型儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,對(duì)開發(fā)新型移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)作用。信息化、現(xiàn)代化對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和可靠性要求不斷提高,突然的斷電必然會(huì)給人們的正常生活和社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成破壞。然而電力故障突發(fā)性強(qiáng),如近年來南方地區(qū)的凍雨災(zāi)害等異常天氣都會(huì)造成供電中斷。另外,季節(jié)性用電負(fù)荷在各地區(qū)越來越常見,導(dǎo)致用電負(fù)載率、設(shè)備利用率和供電效率都很低。采用移動(dòng)式供電技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┛煽俊踩捅憷墓╇娊鉀Q方案,能針對(duì)特殊用戶和臨時(shí)用戶,如搶險(xiǎn)救災(zāi)、通信維修、突發(fā)事件處理、軍事作戰(zhàn)演習(xí)和后勤保障等需要臨時(shí)使用電能的場所提供快速、可靠且高質(zhì)量的電能,也可為發(fā)生故障或供電中斷的電動(dòng)汽車提供臨時(shí)供電,同時(shí)為用戶提供大容量、可充放電式電能存儲(chǔ)方案,對(duì)供電系統(tǒng)起到削峰填谷的作用,解決季節(jié)性用電負(fù)荷問題,另外可平滑分布式電源的接入,提高電網(wǎng)接納分布式電源的能力。電池儲(chǔ)能安全,無污染,零碳排放,無排煙,無噪聲,無振動(dòng),綠色環(huán)保,且能量雙向流動(dòng),是移動(dòng)式供電發(fā)展的新方向。本文介紹了移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的組成和典型結(jié)構(gòu),分析了移動(dòng)式儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的應(yīng)用場合和需求,總結(jié)了幾種典型應(yīng)用模式;以鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,分析了不同應(yīng)用場合和應(yīng)用模式下移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的接入和運(yùn)行方式,并給出了典型的功率設(shè)計(jì)方案,對(duì)開發(fā)新型移動(dòng)式電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)作用。由新型電池能量管理系統(tǒng)組成(1)有殘余能量時(shí)儲(chǔ)能電池指電池本體,也稱電池堆(BP),是實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和釋放的載體。當(dāng)電網(wǎng)有多余的能量時(shí),BP吸收電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行存儲(chǔ);當(dāng)電網(wǎng)需要能量時(shí),BP將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給電網(wǎng)。BP是單體電池的組合,其集成過程為:單體電池(Cell)→單元電池(Unit)→電池模塊(Block)→電池串(BS)→BP。(2)系bms數(shù)據(jù)庫電池管理系統(tǒng)分兩級(jí)結(jié)構(gòu),即電池管理單元(BatteryManagementUnit,BMU)和電池管理系統(tǒng)(BatteryManagenetSystem,BMS)。BMU采集電池模塊中各單元電池的電壓和溫度;BMS收集一個(gè)串聯(lián)支路中的全部BMU信息,同時(shí)檢測本電池串的電流,并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)措施。電池串的均衡管理也分兩級(jí),BMU實(shí)現(xiàn)電池模塊中單元電池之間的均衡,BMS在各電池模塊之間進(jìn)行均衡,從而實(shí)現(xiàn)電池串內(nèi)所有單元電池之間的均衡管理。(3)儲(chǔ)能單元放電雙向儲(chǔ)能變流器包括AC/DC變流器(PCS)和DC/DC變流器。PCS是交-直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的交-直流雙向轉(zhuǎn)換。充電狀態(tài)時(shí),PCS作為整流裝置將電能從交流變成直流儲(chǔ)存到儲(chǔ)能單元中;放電狀態(tài)時(shí),PCS作為逆變裝置將儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的電能從直流變?yōu)榻涣鬏斔偷诫娋W(wǎng)。DC/DC位于電池串(堆)和PCS之間,可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的直流電壓要求和對(duì)電池串進(jìn)行獨(dú)立充放電控制。儲(chǔ)能變流器可分為一級(jí)變換拓?fù)湫秃蛢杉?jí)變換拓?fù)湫?。前者采用AC/DC,后者采用AC/DC+DC/DC。單級(jí)拓?fù)渑渲煤唵?系統(tǒng)效率高、響應(yīng)時(shí)間快,體積小,成本相對(duì)較低,但不同電池組間的一致性較差;雙級(jí)拓?fù)淠茏畲蟪潭鹊乇苊怆姵亟M間的環(huán)流現(xiàn)象,延長電池壽命,但系統(tǒng)效率低,響應(yīng)時(shí)間、成本和空間都相應(yīng)增加?？傮w上,這兩種拓?fù)浞绞礁饔袃?yōu)缺點(diǎn),可結(jié)合應(yīng)用需求或研究內(nèi)容選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(4)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)參照固定儲(chǔ)能電站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),根據(jù)移動(dòng)儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的規(guī)模,可采用基本型、標(biāo)準(zhǔn)型或?qū)哟涡员O(jiān)控系統(tǒng)。(5)安裝移動(dòng)供電系統(tǒng)要求體積適中、靈活且方便,采用集裝箱承載,根據(jù)需求做成移動(dòng)應(yīng)急電源車或可移動(dòng)集裝箱。典型的移動(dòng)電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)移動(dòng)電源車承載的儲(chǔ)能單元支路型移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)由一個(gè)集裝箱或一輛移動(dòng)電源車承載的儲(chǔ)能單元組成,如圖1所示?？勺鳛橹麟娫椽?dú)立給負(fù)荷供電或通過并網(wǎng)開關(guān)柜直接接入400V低壓電網(wǎng)。(2)開關(guān)柜直接接入200v低壓電網(wǎng)回路型移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)由若干移動(dòng)儲(chǔ)能支路并聯(lián),可通過并網(wǎng)開關(guān)柜直接接入400V低壓電網(wǎng);也可通過升壓變壓器單元接入10kV或35kV電壓等級(jí),如圖2所示?？蓱?yīng)用于配電網(wǎng)/變電站側(cè)的削峰填谷、分布式能源接入等。(3)高壓聚合物匯流接入電站型移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)由若干移動(dòng)儲(chǔ)能回路并聯(lián),通過高壓母線匯流,接入10kV及以上電壓等級(jí)(35kV、110kV),如圖3所示?？蓱?yīng)用于變電站削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)頻和可再生能源接入等。典型的移動(dòng)電池存儲(chǔ)應(yīng)用模式1.獨(dú)立電池源(1)教育系統(tǒng)供電模式在不方便或者沒有必要敷設(shè)電纜的情況下,直接采用移動(dòng)式供電系統(tǒng)作為主電源。該應(yīng)用模式主要應(yīng)用于戶外直播室、小型廣場舞臺(tái)活動(dòng)、戶外講座和通信儀器的戶外系統(tǒng)上供電等。作為獨(dú)立電源應(yīng)用的移動(dòng)式供電系統(tǒng),通常功率為5kW,能夠維持2~4h的供電需求。不接入電網(wǎng),直接給負(fù)荷供電,為負(fù)荷提供電壓和頻率支撐,系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行。(2)單元電池管理系統(tǒng)以5kW/20kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能電池由42個(gè)3.2V/150A·h單元電池串聯(lián)構(gòu)成,工作電壓范圍為105~155V,額定電壓為134.4V。每個(gè)單元電池由3個(gè)3.2V/50A·h單體電池并聯(lián)構(gòu)成。采用兩級(jí)電池管理系統(tǒng),配置1個(gè)BMS和3個(gè)BMU,其中每個(gè)BMU管理14個(gè)單元電池,BMS管理1個(gè)電池串。采用單級(jí)AC/DC結(jié)構(gòu),配置一套5kW儲(chǔ)能變流器。系統(tǒng)信息量較小,不需單獨(dú)配置監(jiān)控系統(tǒng),BMS的信息采集由PCS完成。2.應(yīng)急電源(1)突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急供電系統(tǒng)正常時(shí)由市電供電,當(dāng)市電停電或出現(xiàn)故障時(shí),切換到后備電源進(jìn)行應(yīng)急供電。該應(yīng)用模式主要用于應(yīng)急搶險(xiǎn),在自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭肆虐地區(qū)作為備用電源,如地震、冰災(zāi)等突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急供電;電力故障臨時(shí)用電,當(dāng)固定變電站設(shè)備故障時(shí),可立即恢復(fù)供電;在固定變電站設(shè)備計(jì)劃維修期間,可確保連續(xù)供電;大型企事業(yè)單位、國家機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、軍用設(shè)施和住宅小區(qū)等作為應(yīng)急電源,平時(shí)可將低谷時(shí)段的低價(jià)電能儲(chǔ)存起來供高價(jià)時(shí)段用,節(jié)約電費(fèi)。應(yīng)急電源是作為市電的一種后備電源,功率通常為30~200kW,存儲(chǔ)時(shí)間為2~4h。由一條移動(dòng)儲(chǔ)能支路構(gòu)成,通過低壓開關(guān)接入400V低壓配電網(wǎng)。系統(tǒng)支持并網(wǎng)運(yùn)行、離網(wǎng)運(yùn)行以及并/離網(wǎng)自動(dòng)切換。(2)單元電池串聯(lián)構(gòu)成以100kW/200kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能電池由2個(gè)100kW·h電池組并聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)電池組為653V/150A·h,工作電壓范圍為572~745V,額定電壓為653V。每個(gè)電池組由17個(gè)38.4V/150A·h電池模塊串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)電池模塊由12個(gè)3.2V/150A·h單元電池串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)單元電池由3個(gè)3.2V/50A·h單體電池并聯(lián)構(gòu)成。采用兩級(jí)電池能量管理系統(tǒng),配置1個(gè)BMS和34個(gè)BMU,每個(gè)BMU管理一個(gè)電池模塊即12個(gè)單元電池。BMS管理所有BMU并檢測每組電池的電流,在必要時(shí)采取保護(hù)措施。同時(shí),BMS與PCS、儲(chǔ)能監(jiān)控單元通信,根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)整運(yùn)行制度。根據(jù)目前主流變流器的規(guī)格,100kW/200kW·h儲(chǔ)能變流器可以采用一級(jí)變換拓?fù)浠騼杉?jí)變換拓?fù)?如圖4a和圖4b所示。其中,單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為:1個(gè)100kWDC/AC交-直變流器直接帶2組100kW·h鐵鋰電池;雙級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為:1個(gè)100kWDC/AC交-直變流器帶2個(gè)50kWDC/DC,每個(gè)DC/DC直-直變流器分別管理和控制1路100kW·h鐵鋰電池組。監(jiān)控系統(tǒng)采用單機(jī)模式,主機(jī)由一臺(tái)嵌入式工控機(jī)組成,負(fù)責(zé)匯集PCS、BMS和開關(guān)單元等信息,并與上級(jí)調(diào)度進(jìn)行信息交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。3.可用空間(1)移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)季節(jié)性用電負(fù)荷對(duì)配網(wǎng)末端電能質(zhì)量影響較大,如福建安溪每年春、暑和秋三季制茶時(shí)期電網(wǎng)負(fù)荷猛增,最大負(fù)荷是平時(shí)的12倍,形成罕見的尖峰負(fù)荷,導(dǎo)致局部區(qū)域、局部時(shí)段出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象;而在非制茶季節(jié),用電僅為普通照明用電,變壓器幾近空載運(yùn)行,用電負(fù)載率、設(shè)備利用率和供電效率都很低。利用移動(dòng)儲(chǔ)能電站接在配網(wǎng)末端,在電力系統(tǒng)的負(fù)荷低谷期充電,負(fù)荷高峰期放電,起到負(fù)荷調(diào)節(jié)作用,緩解用電高峰,提高配電網(wǎng)末端供電能力;當(dāng)儲(chǔ)能裝置削平了負(fù)荷峰值后,即減少了系統(tǒng)對(duì)調(diào)峰機(jī)組容量的需要,延緩了系統(tǒng)對(duì)新增的發(fā)電容量的需求;移動(dòng)式儲(chǔ)能供電系統(tǒng)可以作為超出額定出力變壓器的備用;為重要客戶按“N-1”要求提供備用容量;用于電力需求增長速度超出預(yù)計(jì)的地區(qū)或永久性供電建設(shè)被延期的情況;在海島等孤島性負(fù)荷地區(qū)作為平滑負(fù)載。備用容量應(yīng)用的移動(dòng)式儲(chǔ)能功率一般為200~500kW,存儲(chǔ)時(shí)間為2~4h,主要發(fā)揮削峰填谷的作用。通過400V低壓斷路器、0.4kV/10kV升壓變壓器單元和10kV并網(wǎng)斷路器接入10kV母線,系統(tǒng)并網(wǎng)方式運(yùn)行。(2)電池管理系統(tǒng)以250kW/500kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能電池采用2個(gè)250kW·h電池組并聯(lián),每個(gè)電池組為653V/400A·h,工作電壓范圍為572~745V,額定電壓為653V。每個(gè)電池組由17個(gè)38.4V/400A·h電池模塊串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)電池模塊由12個(gè)3.2V/400A·h單元電池串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)單元電池由8個(gè)3.2V/50A·h單體電池并聯(lián)構(gòu)成。電池管理系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu),共配置34個(gè)BMU和2個(gè)BMS。每個(gè)BMU管理一個(gè)電池模塊,即12個(gè)單元電池,進(jìn)行電壓和溫度的采集,并對(duì)本單元電池模塊進(jìn)行均衡管理。每個(gè)BMS管理一個(gè)串聯(lián)支路的17個(gè)BMU,并檢測每組電池的電流,在必要時(shí)采取保護(hù)措施;同時(shí),BMS與PCS、儲(chǔ)能監(jiān)控單元通信,根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)整運(yùn)行制度。儲(chǔ)能變流器采用AC/DC一級(jí)變換拓?fù)?1個(gè)250kWAC/DC交-直變流器直接帶2組250kW·h鐵鋰電池,如圖5所示。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)同應(yīng)急電源模式。4.新能源連接(1)用于新能源接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與大型風(fēng)電場或光伏發(fā)電配合使用,平滑風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電出力,使發(fā)電設(shè)備運(yùn)行于高效率的運(yùn)行點(diǎn),從而提高總的發(fā)電效率,并且提高電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力。用于新能源接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型容量為幾兆瓦至幾百兆瓦,時(shí)間為2~4h。通過400/690V升壓變單元,接入風(fēng)電場690V母線出口。系統(tǒng)支持并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行方式。(2)電池模塊及管理以500kW/1MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì),更大容量的情況按此方法進(jìn)行擴(kuò)容。儲(chǔ)能電池采用5個(gè)200kW·h電池組并聯(lián),每個(gè)電池組為653V/300A·h,工作電壓范圍為572~745V,額定電壓為653V。每個(gè)電池組由17個(gè)38.4V/300A·h電池模塊串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)電池模塊由12個(gè)3.2V/300A·h單元電池串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)單元電池由6個(gè)3.2V/50A·h單體電池并聯(lián)構(gòu)成。配置三級(jí)電池能量管理系統(tǒng):BMU、電池組管理單元(BatterySerialManagementSystem,BSMS)和儲(chǔ)能電池管理單元(EnergyBatteryManagementSystem,EBMS)。每個(gè)BMU管理一個(gè)電池模塊,即每個(gè)串聯(lián)電池組有17個(gè)BMU;BSMS管理一個(gè)串聯(lián)電池組中的全部BMU,即一個(gè)BSMS管理17個(gè)BMU。同時(shí),BSMS檢測本組電池的電流,在必要時(shí)采取保護(hù)措施。EBMS管理1個(gè)PCS管轄的全部BSM