MW级储能集装箱系统设计及应用

:储能是智能电网、可再生能源系统、能源互联网的重要组成部分和关键技术。随着大规模储能市场应用的爆发，1MW的储能系统必定是一个标准的应用单元，其对多微网的并网及离网应用具有重要研究意义。

微网项目的应用类型及特点

一、微网的概念

微网是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

微网涉及电力系统发电、储能、配电、用电、调度、通信六大领域，它可以工作在并网和孤网两种模式下，具有高度的可靠性和稳定性。

二、微网的应用

微网的应用市场主要分为以下四个方面：1、家庭微网：这种市场应用目前在国内还比较局限，光储充一体化的微网居多。2、工业园微网：这一块的应用比较广泛。3、海岛微网：在海岛上发展光伏和风力发电，解决海岛用电稳定性和安全性。4、偏远/无电地区微网：建设微型多能源互补电网，解决偏远地区无电供应的问题。

微电网可以并网运行，也可孤岛运行，整个系统的设计偏向于即插即用，提高供电灵活性与可靠性；储能微网还可以作为备用电源，运用其黑启动功能；另外还可以通过本地的能量管理系统，参与主网的调节。

三、微网的类型

1 交流微网

交流微网主要是分布式能源通过AC母线的耦合技术，将风力发电、柴油发电、光伏以及储能接入到系统中，最终整个系统通过智能配电柜连接到大电网，组成一个简单的交流微网。这种交流微网的应用在目前微网储能的应用或项目中是非常典型的，而且技术方面相对也比较成熟，应用非常灵活。在所有储能微网技术这一块，设备供应商或者系统集成商要实现系统集成相对比较容易。

交流微网这个类型比较适合于海岛微网。因为在海岛比较宽阔的地带，可以通过光伏做能量的补充，加上储能系统，当负载消耗不完的时候，余电可以先进行储能，到晚上再给负载供电。当整个系统在阴雨天光伏也无法发电的时候，可以考虑加入一台柴油发电机，将其作为备用电源来使用。

交流微网的特点：1、交流微网的系统设计可支持并网运行，也可脱离电网运行。2、整个系统接入功率范围大，设计比较灵活，可接入光伏能源、风力发电、超级电容及其他类型的储能电池系统。3、支持梯次电池的应用，电池接入多分支，减少电池组并联。4、整个交流系统微网可以做成实现光伏、储能、电池一体化的集装箱设计方案。在容量比较小的场合，储能电池占的面积比较大，如果系统装置放在某个特定区域没有空间的时候，可以加个集装箱放在户外，整体打包。

交流微网的关键技术：1、微网能量管理策略，通过管理微网内负荷的运行状态，是微网经济可靠运行。要组成微网，少不了后台做能量管理调度和策略管控。2、并离网无缝切换技术，保证微网内重要负荷的供电可靠性，对大电网的安全可靠运行具有重要作用。3、VSG功能，增加系统惯性，维持系统的电压和频率的稳定。

2 直流微网

直流微网主要应用于电动汽车充电站、工商业园区及一些应急供电的场合。系统组成主要考虑两点：1、发挥光伏的最大作用。因为微网中光伏和储能板块是不可缺少的，而且储能是整个微网设备的核心组成部分。光伏发电一般是直流电，将光伏发的直流电通过中间装置并入到直流母线，将电池通过中间的直流变换器接入到系统，这样光伏发电就不需要逆变之后再整流回来给电池充电，整个系统的转化效率就会非常高。2、目前电动汽车的充电技术主要采用交流充电桩或者直流充电桩，这类充电桩的能量来源于交流电，搭建一个直流微网将能量流动通过直流充电DC的变换，直接给电动汽车充电，最大化提高系统的转化效率和利用效率。整个系统通过储能变流器跟电网连接，起到互补的作用，当光伏能量不足或者负载供电、直流源等类似的负载需要供电时，就可以通过电网取电；当光伏发的电消耗不完时可以余电上网。

直流微网的特点：1、直流微网采用直流母线的耦合技术，减少交直流变换损耗。2、充分利用光伏发电，做到微网系统的功率平衡。3、最大化减少电网侧的配电容量，因为很多负载要供电时从电网取电，电网侧的变压器配置容量会非常大，如果直流负载很多，就可以采用直流微网这种方案来解决。4、作为简单的应急电源，这种应急电源做不到像常规的UPS那种无缝供电切换，但是切换延迟可以控制在15毫秒以内。

直流微网的关键技术1、能量管理系统，通过一套软件进行系统能量的策略把控和调度。2、直流变换器阻抗匹配技术，该阻抗匹配电路能够减小滤波电路和输出负载变化时对该变换器谐振电路谐振频率的影响，使工作时该变换器谐振电路的谐振频率仅在一个宽度较小的频率区段内变化，以此保障该变换器的高转换效率和简化该变换器的控制电路。3、分段母线的分布式协同控制技术，确保协同的稳定性和系统的适应性。

3 交直流混合微网

交直流混合微网集合了前面两种微网类型的所有特点，功能非常强大，整个系统的组合对设备及技术的要求非常高。在储能、PCS等环节，如果处理不好整个系统分布式能源接入的协调和控制，系统将处于瘫痪状态。交直流混合微网可以广泛应用于海岛、无电地区及工商业园区等场景。

1MWh集装箱储能技术方案及应用

一、储能集装箱的解决方案

1 微网储能解决方案

集成电池、BMS、变流器、智能切换柜、EMS等核心部件全部放在一个集装箱里面，40英尺的集装箱就可以做到。这种一体式的解决方案可以应用在储能电站的调峰、调频，或者梯次电池的利用，应急供电的场合及一些削峰填谷的商业应用等方面。

2 电站储能解决方案

储能电站整个系统的搭建规模比较大，个人建议将PCS和电池部分分开，单独放置在一个集装箱里面，这样在维护及电池的通风散热方面会比较合理。

3机柜式储能解决方案

这种一体化的储能解决方案适用于小型的商业储能应用，将PCS和电池模组全部放置在一个机柜里面，整个系统的占用空间就比较小。

二、1MWh储能集装箱的设计

1MWh储能集装箱的设计主要分为两部分：1、电池仓：电池仓主要包括1MWh的电池、电池架、BMS控制柜、七氟丙烷灭火柜、散热空调、烟感照明、监控摄像头等。电池需要配备相对应的BMS管理系统。电池的类型可以是铁锂电池、锂电池、铅炭电池及铅酸电池。铅酸电池的能量密度偏低，而且体积较大，标准的40英尺的集装箱可能没办法放下，目前主流的标配设计是1MWh的磷酸铁锂电池。散热空调根据仓里的温度进行实时调节。监控摄像头可以远端监控仓里设备的运行状态。最终可以组成一个远程的客户端，通过客户端或者app对仓里设备的运行状态、电池状态等进行监测和管理。2、设备仓：设备仓主要包括PCS和EMS控制柜。PCS可控制充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。EMS在储能系统的应用里面，功能和作用都比较重要。在配电网方面，EMS主要通过跟智能电表的通讯，采集电网实时功率的状态，并实时监测负载功率的变化。控制自动发电，对电力系统状态的安全性进行评估。1MWh的系统里面，PCS和电池的比例可以是1:1或者1:4（储能PCS250kWh，电池1MWh）。

1MW集装箱式变流器散热设计采用前进分后出风的设计，这种设计适用于将所有PCS全部放置在同一个集装箱的储能电站。

将集装箱内部配电系统的走线、维护通道及散热设计整体一体化优化设计，便于远距离运输，减少事后维护的成本。

三、标准MW储能方案的组成

标准MW储能方案将电池、BMS、PCS和EMS做集成处理，系统多以PCS为核心的基础设备，通过集成电池、BMS、EMS，提供定制化、一站式储能解决方案。

储能微网成为能源互联网关键基础设施

一、储能微网在能源互联网中的作用

储能和互联网存在一一对应的关系。储能中的能量对应的就是互联网中的数据；电池就是所说的储能，对应的就是互联网中的缓存；储能变流器双向变换设备对应互联网中路由器的作用；储能中的微电网就相当于局域网；所有数据和设备加在一起组成了能源互联网，相当于互联网的构造。

二、储能的应用

1、发电侧：解决弃风弃光，平抑波动。目前局部地区的弃风率达到10%-15%，弃光率达到15%-20%。在发电侧配套储能，可以平稳发电，对电网的冲击也会减少很多。

2、电网侧：参与电网的调频，提升稳定性。目前调频市场有些地方采用火电来调频，但是火电调频响应的时间和周期比较长。储能输出功率的变化非常快，一般在10秒内就可以响应，储能调频相比之下比较有优势。

3、用户侧：能量存储，削峰填谷，赚取峰谷电价差。

三、储能微网发展中面临的困难与挑战

目前整个储能市场处于不温不火的状态，主要有两方面的原因:一是政策与成本方面。国家对电动汽车的政策补贴是非常大的，所以对储能系统或者电池做补贴之后，整个系统的造价就会降低，初始投资减少，系统的收益就会增加。二是技术层面。首先在主动配电网的发展方面还存在制约因素和技术难度；在能源管理技术探索方面还有待摸索；微网和大电网的协调优化运行技术有待提高；在储能变流器的电网适应性及对电网的支撑技术方面，对储能PCS厂家有技术要求和门槛。人认为政策与成本这块是目前的主要问题。

四、储能微网发展的机会与机遇

1、光伏、风电高渗透率对电网稳定性的挑战。研究发现光伏发电最高渗透率一般不超过25%-50%，否则电网可能会出现电压升高、有云层变化引起的电压波动、有低电压和频率波动引起的大范围脱网等问题。

2、电改激活了用户侧储能市场。随着储能成本进一步下降，峰谷电价制度完善、尖峰电价制定、需求侧管理等补偿机制建立、电力市场用户侧多种增值服务开展等电改政策红利的显现，用户侧的储能市场将成为储能在我国实现商业化应用的主要领域之一。

3、随着电动汽车市场的急剧爆发，有效地进行动力电池的回收和实现电池的梯次利用成为了新能源汽车发展的重要课题之一，并已被提上了日程，未来汽车电池的市场非常大。

4、光储充微网系统具有投资价值。它是一种综合利用绿色能源的能源管理和配置方案，具有很高的经济和环保效益。

多分支储能技术在梯次电池利用中的优势

一、梯次利用的关键技术

对于电动汽车退役的动力电池梯次利用，一般需要经过以下过程：退役电池的回收、电池PACK拆解成为单体电芯、电池筛选及性能分类、电池重新成组为梯次利用电池模组或PACK、池均衡维护检测

动力电池退役时，是整个pack从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电池pack设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术各不相同，意味着不可能用一套拆解流水线适合所有的电池pack和内部模组。那么，在电池拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同的电池pack，在制定拆解操作流程时，要尽可能复用现有流水线的工段和工序，以提高作业效率，降低重复投资。

梯次利用，最合理的应该是拆解到模组级，而不是电芯级，因为电芯之间的连接通常都是激光焊接或其他刚性连接工艺，要做到无损拆解，难度极大，考虑成本和收益，得不偿失。

二、梯次利用的关键技术

1、PCS采用模块化多分支解决方案，可以更好的减少电池组的并联数。每路电池之间充电、放电互不影响。

​多分支技术解决的痛点：1、消除由于不同的电池组并联之间产生的环流问题。2、减少电池梯次利用后复杂的筛选环节，降低梯次电池重新使用的成本，以提高梯次电池的回收效率和利用价值。3、可以接入不同电池厂家的电池，提高系统灵活性。2、BMS采用主动均衡技术方案，可以最大化的对电池进行均衡的保护。

三、技术优势

1、储能PCS模块化设计稳定度高，单模故障不影响其他模块工作，模块生产方便，快速高效。

2、在用户价值方面，系统可带电进行模块增减更换维护，10分钟内可完成单个模块更换；模块化冗余并联避免了资源浪费；支持多种能源接入，方便灵活。

3、采用高效的三电平拓扑技术，增加零电平变换，IGBT耐压为两电平一半，开关损耗小；三电平具有更高开关频率，输出滤波电感减小；三电平多一层阶梯电压，输出电流波形更接近正弦波，谐波含量小，功率因数0.99。功率因素方面，从-1到1是可以随意调节的。

4、独立散热设计，模块采用分层结构，将主控中心和主要发热器件隔离；采用独立风道，确保风腔有足够的风压，相比于混合风道，热设计更优。

光储充一体化技术应用探讨

光储充典型的应用模式是交流微网模式，其主要架构包括交流母线、光伏、充电桩、储能和电池等，系统可以并网运行，也可以离网运行。系统还可以配备并离网切换设备做无缝切换的设计。

光储充的应用未来会发展成多能互补的状态，后期不仅有光伏、储能，还有热负荷、热泵、分布式能源等接入到这个系统，逐渐演变成为一个庞大的微网系统。