移动式电池储能供电系统的应用模式

移动式电池储能供电系统的应用模式

电池能量集绿色环保，能量双向流动。这是移动电源发展的一个新方向。介绍了移动式电池储能供电系统的组成和典型结构,分析了其应用场合和需求,总结了几种典型应用模式。以锂电池储能为例,分析了不同应用场合和模式下移动式供电系统的接入和运行方式,并给出了典型储能系统设计方案,对开发新型移动式电池储能供电系统有一定的指导作用。信息化、现代化对供电系统的电能质量和可靠性要求不断提高,突然的断电必然会给人们的正常生活和社会的正常运转造成破坏。然而电力故障突发性强,如近年来南方地区的冻雨灾害等异常天气都会造成供电中断。另外,季节性用电负荷在各地区越来越常见,导致用电负载率、设备利用率和供电效率都很低。采用移动式供电技术能够为用户提供可靠、安全和便利的供电解决方案,能针对特殊用户和临时用户,如抢险救灾、通信维修、突发事件处理、军事作战演习和后勤保障等需要临时使用电能的场所提供快速、可靠且高质量的电能,也可为发生故障或供电中断的电动汽车提供临时供电,同时为用户提供大容量、可充放电式电能存储方案,对供电系统起到削峰填谷的作用,解决季节性用电负荷问题,另外可平滑分布式电源的接入,提高电网接纳分布式电源的能力。电池储能安全,无污染,零碳排放,无排烟,无噪声,无振动,绿色环保,且能量双向流动,是移动式供电发展的新方向。本文介绍了移动式电池储能供电系统的组成和典型结构,分析了移动式储能供电系统的应用场合和需求,总结了几种典型应用模式;以锂电池储能系统为例,分析了不同应用场合和应用模式下移动式电池储能供电系统的接入和运行方式,并给出了典型的功率设计方案,对开发新型移动式电池储能供电系统有一定的指导作用。由新型电池能量管理系统组成(1)有残余能量时储能电池指电池本体,也称电池堆(BP),是实现电能存储和释放的载体。当电网有多余的能量时,BP吸收电能转化为化学能进行存储;当电网需要能量时,BP将化学能转化为电能供给电网。BP是单体电池的组合,其集成过程为:单体电池(Cell)→单元电池(Unit)→电池模块(Block)→电池串(BS)→BP。(2)系bms数据库电池管理系统分两级结构,即电池管理单元(BatteryManagementUnit,BMU)和电池管理系统(BatteryManagenetSystem,BMS)。BMU采集电池模块中各单元电池的电压和温度;BMS收集一个串联支路中的全部BMU信息,同时检测本电池串的电流,并实现各种保护措施。电池串的均衡管理也分两级,BMU实现电池模块中单元电池之间的均衡,BMS在各电池模块之间进行均衡,从而实现电池串内所有单元电池之间的均衡管理。(3)储能单元放电双向储能变流器包括AC/DC变流器(PCS)和DC/DC变流器。PCS是交-直流侧可控的四象限运行的变流装置,实现对电能的交-直流双向转换。充电状态时,PCS作为整流装置将电能从交流变成直流储存到储能单元中;放电状态时,PCS作为逆变装置将储能单元储存的电能从直流变为交流输送到电网。DC/DC位于电池串(堆)和PCS之间,可实现储能系统接入电网的直流电压要求和对电池串进行独立充放电控制。储能变流器可分为一级变换拓扑型和两级变换拓扑型。前者采用AC/DC,后者采用AC/DC+DC/DC。单级拓扑配置简单,系统效率高、响应时间快,体积小,成本相对较低,但不同电池组间的一致性较差;双级拓扑能最大程度地避免电池组间的环流现象,延长电池寿命,但系统效率低,响应时间、成本和空间都相应增加。总体上,这两种拓扑方式各有优缺点,可结合应用需求或研究内容选择合适的拓扑结构。(4)监控系统监控系统参照固定储能电站的监控系统设计,根据移动储能供电系统的规模,可采用基本型、标准型或层次性监控系统。(5)安装移动供电系统要求体积适中、灵活且方便,采用集装箱承载,根据需求做成移动应急电源车或可移动集装箱。典型的移动电池管理系统结构(1)移动电源车承载的储能单元支路型移动储能系统由一个集装箱或一辆移动电源车承载的储能单元组成,如图1所示。可作为主电源独立给负荷供电或通过并网开关柜直接接入400V低压电网。(2)开关柜直接接入200v低压电网回路型移动储能系统由若干移动储能支路并联,可通过并网开关柜直接接入400V低压电网;也可通过升压变压器单元接入10kV或35kV电压等级,如图2所示。可应用于配电网/变电站侧的削峰填谷、分布式能源接入等。(3)高压聚合物汇流接入电站型移动储能系统由若干移动储能回路并联,通过高压母线汇流,接入10kV及以上电压等级(35kV、110kV),如图3所示。可应用于变电站削峰填谷、电网调频和可再生能源接入等。典型的移动电池存储应用模式1.独立电池源(1)教育系统供电模式在不方便或者没有必要敷设电缆的情况下,直接采用移动式供电系统作为主电源。该应用模式主要应用于户外直播室、小型广场舞台活动、户外讲座和通信仪器的户外系统上供电等。作为独立电源应用的移动式供电系统,通常功率为5kW,能够维持2~4h的供电需求。不接入电网,直接给负荷供电,为负荷提供电压和频率支撑,系统离网运行。(2)单元电池管理系统以5kW/20kW·h储能系统为例进行设计。储能电池由42个3.2V/150A·h单元电池串联构成,工作电压范围为105~155V,额定电压为134.4V。每个单元电池由3个3.2V/50A·h单体电池并联构成。采用两级电池管理系统,配置1个BMS和3个BMU,其中每个BMU管理14个单元电池,BMS管理1个电池串。采用单级AC/DC结构,配置一套5kW储能变流器。系统信息量较小,不需单独配置监控系统,BMS的信息采集由PCS完成。2.应急电源(1)突发灾害应急供电系统正常时由市电供电,当市电停电或出现故障时,切换到后备电源进行应急供电。该应用模式主要用于应急抢险,在自然灾害或战争肆虐地区作为备用电源,如地震、冰灾等突发灾害应急供电;电力故障临时用电,当固定变电站设备故障时,可立即恢复供电;在固定变电站设备计划维修期间,可确保连续供电;大型企事业单位、国家机关、学校、医院、军用设施和住宅小区等作为应急电源,平时可将低谷时段的低价电能储存起来供高价时段用,节约电费。应急电源是作为市电的一种后备电源,功率通常为30~200kW,存储时间为2~4h。由一条移动储能支路构成,通过低压开关接入400V低压配电网。系统支持并网运行、离网运行以及并/离网自动切换。(2)单元电池串联构成以100kW/200kW·h储能系统为例进行设计。储能电池由2个100kW·h电池组并联构成,每个电池组为653V/150A·h,工作电压范围为572~745V,额定电压为653V。每个电池组由17个38.4V/150A·h电池模块串联构成,每个电池模块由12个3.2V/150A·h单元电池串联构成,每个单元电池由3个3.2V/50A·h单体电池并联构成。采用两级电池能量管理系统,配置1个BMS和34个BMU,每个BMU管理一个电池模块即12个单元电池。BMS管理所有BMU并检测每组电池的电流,在必要时采取保护措施。同时,BMS与PCS、储能监控单元通信,根据储能系统的状态调整运行制度。根据目前主流变流器的规格,100kW/200kW·h储能变流器可以采用一级变换拓扑或两级变换拓扑,如图4a和图4b所示。其中,单级拓扑结构为:1个100kWDC/AC交-直变流器直接带2组100kW·h铁锂电池;双级拓扑结构为:1个100kWDC/AC交-直变流器带2个50kWDC/DC,每个DC/DC直-直变流器分别管理和控制1路100kW·h铁锂电池组。监控系统采用单机模式,主机由一台嵌入式工控机组成,负责汇集PCS、BMS和开关单元等信息,并与上级调度进行信息交互,实现对储能系统的监控和管理。3.可用空间(1)移动储能系统季节性用电负荷对配网末端电能质量影响较大,如福建安溪每年春、暑和秋三季制茶时期电网负荷猛增,最大负荷是平时的12倍,形成罕见的尖峰负荷,导致局部区域、局部时段出现低电压现象;而在非制茶季节,用电仅为普通照明用电,变压器几近空载运行,用电负载率、设备利用率和供电效率都很低。利用移动储能电站接在配网末端,在电力系统的负荷低谷期充电,负荷高峰期放电,起到负荷调节作用,缓解用电高峰,提高配电网末端供电能力;当储能装置削平了负荷峰值后,即减少了系统对调峰机组容量的需要,延缓了系统对新增的发电容量的需求;移动式储能供电系统可以作为超出额定出力变压器的备用;为重要客户按“N-1”要求提供备用容量;用于电力需求增长速度超出预计的地区或永久性供电建设被延期的情况;在海岛等孤岛性负荷地区作为平滑负载。备用容量应用的移动式储能功率一般为200~500kW,存储时间为2~4h,主要发挥削峰填谷的作用。通过400V低压断路器、0.4kV/10kV升压变压器单元和10kV并网断路器接入10kV母线,系统并网方式运行。(2)电池管理系统以250kW/500kW·h储能系统为例进行设计。储能电池采用2个250kW·h电池组并联,每个电池组为653V/400A·h,工作电压范围为572~745V,额定电压为653V。每个电池组由17个38.4V/400A·h电池模块串联构成,每个电池模块由12个3.2V/400A·h单元电池串联构成,每个单元电池由8个3.2V/50A·h单体电池并联构成。电池管理系统采用两级结构,共配置34个BMU和2个BMS。每个BMU管理一个电池模块,即12个单元电池,进行电压和温度的采集,并对本单元电池模块进行均衡管理。每个BMS管理一个串联支路的17个BMU,并检测每组电池的电流,在必要时采取保护措施;同时,BMS与PCS、储能监控单元通信,根据储能系统的状态调整运行制度。储能变流器采用AC/DC一级变换拓扑,1个250kWAC/DC交-直变流器直接带2组250kW·h铁锂电池,如图5所示。监控系统设计同应急电源模式。4.新能源连接(1)用于新能源接入的储能系统储能系统与大型风电场或光伏发电配合使用,平滑风力发电和光伏发电出力,使发电设备运行于高效率的运行点,从而提高总的发电效率,并且提高电网对新能源的接纳能力。用于新能源接入的储能系统的典型容量为几兆瓦至几百兆瓦,时间为2~4h。通过400/690V升压变单元,接入风电场690V母线出口。系统支持并网和离网两种运行方式。(2)电池模块及管理以500kW/1MW·h储能系统为例进行设计,更大容量的情况按此方法进行扩容。储能电池采用5个200kW·h电池组并联,每个电池组为653V/300A·h,工作电压范围为572~745V,额定电压为653V。每个电池组由17个38.4V/300A·h电池模块串联构成,每个电池模块由12个3.2V/300A·h单元电池串联构成,每个单元电池由6个3.2V/50A·h单体电池并联构成。配置三级电池能量管理系统:BMU、电池组管理单元(BatterySerialManagementSystem,BSMS)和储能电池管理单元(EnergyBatteryManagementSystem,EBMS)。每个BMU管理一个电池模块,即每个串联电池组有17个BMU;BSMS管理一个串联电池组中的全部BMU,即一个BSMS管理17个BMU。同时,BSMS检测本组电池的电流,在必要时采取保护措施。EBMS管理1个PCS管辖的全部BSM