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康明斯：电池储能系统（BESS）详解
2024-08-13 来源： 康明斯 作者：
电网以供需模型运行，该模型试图平衡供应与最终负载以保持稳定。当没有足够的电压时，频率和/或电压会下降，或者电源会变黑或变黑；这些都是电网试图避免的糟糕时刻。电网由大量部件组成，包括：
o 使用水力、热力、核能、天然气、石油、煤炭、太阳能、风能、潮汐能和其他能源的发电机；
o 升压变压器，用于将产生的电压提高到传输线电压；
o 长输电线路；
o 降压变压器（变电站），将电压降低到本地传输水平；
o 提供消费级电压（240V、110V 和 400V 三相）的街道变压器。
传统上，它没有任何方法来储存电力以满足需求激增。这意味着在没有配备 BESS 的电网中，产生的任何多余电力都必须在电网中消散。发电机必须保持运转，随时准备在需求激增超过已经连接的供应时进行连接，即“旋转储备”。在管理良好的电网中，纺纱储备可能是容量的 15-30%，以应对需求激增。电池储能系统是解决供需缺口的工具，储存多余的电力以在需要时提供。本文将讨论BESS、不同类型的、锂电池的工作原理及其应用。
BESS 原则
电池储能系统 （BESS: Battery Energy StorageSystems） 在稳定电网、整合可再生能源以及通常存储和利用电能的革命中发挥着关键作用。
康明斯公司与 BESS 的主要目标是提供电表后支持，并集成到电表前电网运营支持中。这与离网和并网应用有关，或与现场可再生能源的本地整合有关，也与不太可靠的电网连接的备用电源有关。
虽然这些存储系统需要投资，但它们提供了一些巨大的优势，并带来好处：最主要的是响应速度。电池储备通常可以以惊人的速度切换到电网同步的交流电——通常在交流频率的几个周期内（每秒 50-60 个周期或赫兹）。向电网供应的电力的最高价格是快速响应的供应，因此存储电力的商业价值可能是正常价格的10到100倍。
正确的电池技术可提供长期稳定的储备，如有必要，典型的锂基电池技术可以保持高功率水平数年。液流电池几乎可以无限期地保持电力。
BESS 工作原理
储能从充电系统开始。这需要“过剩”的交流电网或直流太阳能，并对其进行调节以为电池充电。这可以是快速充电或慢速充电，具体取决于设置和可用电流。BESS系统可以通过时移低成本电力并顺利集成太阳能、风能等可变来源，通过时移和缓冲来接近充分利用其输出，从而显著提高本地微电网的效率。
在电池单元（最常见的是锂类型之一）中，能量以电化学势的形式存储，以直流电位差的形式提供，而不是电网所需的交流电（交流电）。单个电池是电池组的构建块，相互连接成称为电池组的封装电池簇，以增强容量、可靠性和持久性能。单元格可以是圆柱形、棱柱形或袋状结构。圆柱形类型可以提供更好的冷却循环，但提供较低的堆积密度。棱柱形类型堆叠紧密并优化密度。袋状类型可用于适应更不规则的腔体，并且缺少刚性外壳往往更轻。
电池组集成在模块中，这些模块可自动监控以进行充电/放电管理、状态监测和冷却。在细粒度和自动化级别上具有平衡性能、安全性和可靠性，作为单个单元和高级存储系统控制之间的中介运行。
多个模块在一个集装箱式电力存储解决方案中被聚合和控制。通常称为储能单元 （ESU: Energy Storage Units）或电池储能系统 （BESS），它们包含所有必要的组件，包括：
o 电力电子：管理进出系统的能量流，确保与电网或独立应用无缝集成。这涉及使用逆变器和功率转换模块将交流电转换为直流电为电池充电，并使用相耦合逆变器将直流存储的电化学势作为交流电返回到电网。相位耦合确保交流电与电网连接周期同相，以提供最佳的功率效率；
o 热管理系统：调节温度以优化电池性能和使用寿命；
o 安全机制：降低过热或过度充电等风险，并处理由系统故障导致的罕见紧急情况。
值得注意的是，电池充电不是免费的。通常，充电过程的效率约为 70-75%。这意味着对于电网提供的 100 个单位的多余电力，电池组将吸收 70-75% 的电力，以便以后作为可用电力返回。其余的以热量的形式损失。电池化学和基础技术的不断进步与系统设计和控制算法的创新相结合，旨在提升BESS效率、可靠性和成本挑战，从而塑造全球电网的未来。
BESS 的不同类型
可操作和商用的 BESS 设置有多种类型，每种类型都有独特的特性，更适合特定的应用、环境或操作差异。尽管控制和电池管理系统 （BMS） 中的许多技术细节各不相同，但从本质上讲，BESS 是根据它们采用的电池/电池系统的性质进行分类的。下面列出了不同类型的 BESS：
o 锂基系统：包括锂离子钴氧化物 （LiCoO2）;锂离子镍钴铝氧化物（NCA）;锂离子镍锰钴氧化物（NMC）;磷酸铁锂（LiFePO4）;钛酸锂（LTO）;和固态锂离子。这些是最常见的 BESS 类别，因为它们具有高能量密度、长深循环寿命和相对较低的维护要求。它们在BESS 遇到的所有操作模式中都是通用的；
o 液流电池：将能量储存在外部储罐中的液体电解质中。它们受益于可扩展性和较长的循环寿命，使其成为大规模永久安装的储能应用的最佳选择。例如，钒氧化还原液流电池 （VRFB） 提供非常长的存储时间和功率输出的灵活性；
o 铅酸电池：用于储能已有 150 多年的历史，并因其低成本的稳健性而受到赞赏。尽管与当前技术相比，它们提供的能量密度要低得多且循环寿命更短，但它们仍然适用于某些应用，例如备用 UPS（不间断电源）电源系统和较小的（通常是家用）离网装置；
o 钠硫电池：在高温下运行，使用熔融的钠和硫作为电力储存介质。它们可以具有高能量密度，并且非常适合大规模应用，例如电网稳定和可再生能源/垃圾电力集成；
o 超级电容器（或超级电容器）：将能量存储为静电荷，并提供尽可能高的充电和放电能力。尽管它们（目前）的能量密度低于电池，但它们在需要频繁循环的应用中表现出色，例如用于消除微电网中短暂功率波动的短期镇流器。
电池类型的优缺点
BESS 系统可以使用多种电池类型，其相对优点和缺点值得考虑。例如，磷酸铁锂 （LFP） 电池比锂聚合物（LiPo）具有更长的深循环耐久性，并且它们能够抵抗枝晶生长，因此不会造成火灾风险。它们的第一天容量略低于 LiPo，但经过几百个周期后，它们的容量会更好。另一方面，镍锰钴（NMC） 电池的深循环寿命比磷酸铁锂（LFP）短，但它们提供更高的功率密度和相当好的寒冷天气性能，尤其是在充电方面，这可以减少运营开销。
正是由于这些原因，NMC和LFP电池在BESS应用中越来越普遍。
锂电池的工作原理
锂电池通过电化学反应发挥作用，涉及锂离子在电池正极（阳极）和负极（阴极）之间移动，材料运动被允许离子在电解质中传输的隔膜阻挡。锂电池通常包含由锂化合物（例如 LiCoO2、NCA、NMC、LiFePO4 和 LTO）形成的阴极(+ve)。这些在较新的固态实施例中仍然是典型的。
阳极（-ve）通常由碳（石墨或石墨烯）制成。涂在电极上的涂层有助于阻挡枝晶的形成，金属丝在电极表面形成，可以刺穿隔膜并导致短路。这些涂层包括聚合物或陶瓷，具体取决于制造商。
电极之间通常有：
电解质：
锂电池技术使用三类电解质，包括：
o 液体电解质：溶解在有机溶剂中的锂盐，通常含有阻燃添加剂。锂盐是传输电荷的离子导体；有机溶剂提供高离子迁移率，添加剂优化电解质的稳定性、导电性和安全性；
o 基于聚合物的凝胶电解质：它们具有高离子电导率，但泄漏的可能性大大降低。聚合物基质充当胶凝剂，并且根据设计，它们不会对溶剂内的离子运动构成障碍。锂盐的作用方式相同，但凝胶型电池可提高电池安全性和循环寿命；
o 固态电解质：液体电解质的新替代品，可提高安全性和稳定性，充当枝晶形成的屏障，并提高电池的热稳定性和化学稳定性。有助于提高充电和放电速率，而不会增加风险。
分离器
多孔膜结构，在阳极和阴极之间形成物理间隙，同时允许锂离子在充电和放电过程中通过。分离器通常由高孔隙率聚乙烯 (PE) 制成，通常包含聚丙烯 (PP) 元件以提高坚固性。
在充电过程中，锂离子通过电解质从正极被电“推”到负极，并被吸附到阳极碳上/内部。充电时电子在外电路中从阳极流向阴极。充电电流将电子从阳极推向阴极。放电期间，这些离子移回正极，释放电能，电流在外部电路中从阴极流向阳极。电极材料内的晶体结构极大地促进了这种离子运动，并在充电和放电时通过外部电路的电子流提供能量。
锂电池的电压和容量因电极/电解质化学性质和内部设计而异，每个电池的电压范围为 3.6 V 至 3.7 V。容量与电解质的量以及电极的尺寸和结构有关。放电率取决于许多细节以及电池和电池组的内部安全系统。这些可以防止过度充电、过度放电和热失控。
BESS 的内部系统
电池储能系统（BESS）通常由以下部分组成：
电池原材料及构建
锂离子电池有三种基本形式：刚性圆柱形、刚性棱柱形（方形或矩形截面）和非刚性软包电池。所有这些的原材料通常包括：
o 离子锂盐：允许电池内的电荷移动
o 有机溶剂：充当电荷载体，允许电流在电极之间流动。根据电池技术，它可以是液体、凝胶或固体。
o 钴：用于阴极以提高稳定性
o 阴极中的镍、锰和铝：用于减少钴的使用
o 石墨：这些存在于典型的阳极结构中，但它正在向硅发展，以获得更高的容量和鲁棒性
o 粘合剂（通常为聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚乙烯醇 (PVA)、羧甲基纤维素 (CMC) 或丁苯橡胶 (SBR)）：整合并增韧电极材料
o PE 和 PP 多孔隔板：隔离电极并允许离子移动
o 外壳材料- 钢、铝或聚合物管（用于圆柱形和棱柱形电池），以及用于软包电池的热封聚合物薄膜：电池外壳密封在电解质中，并确保化学物质的电气和物理隔离。在一些热隔离至关重要的情况下，可以使用陶瓷外壳，而在航空航天应用中，则使用碳纤维等轻质复合材料。
容器化 BESS 主要组件
其他组件
一个功能完善的BESS（电池能量存储系统）容器系统或安装还包括以下组件：
o BESS控制器：该系统负责电力分配、管理充电，并具有操作监督和安全控制功能。
o 结构框架和外壳：用于容纳和固定电池模块；
o 电池管理系统：监控和控制电池性能，确保安全和效率；
o HVAC冷却系统：调节容器内温度，防止在高充电或放电期间过热，实现最佳运行；
o 并网逆变器：将电池直流电转换为与电网同步的交流电，用于电网连接或其他应用；
o 交流到直流转换器（整流器）：将电网的交流电转换为适合电池充电的直流电压；
o 变压器：用于升高或降低电压水平，以匹配电网或本地系统的要求；
o 冷却系统：BESS安装的许多元素都需要温度控制才能良好运行；
o 不间断电源（UPS）：BESS系统可以作为高容量的不间断电源（UPS）运行；
o 消防系统：检测和扑灭火灾以保护安装。
BESS应用
BESS安装适用于各个领域的多种应用，包括：
o 电网稳定和频率调节：由于对本地（或更广泛）电网需求或供应的突然变化作出快速响应，这使得BESS安装能够通过在需求降低（或供应过剩）期间吸收多余能源并在需求上升期间释放储存的电力来稳定频率和电压；
o 可再生能源整合：需要在供应高峰时进行缓冲，并实现电力的平滑可用性。BESS安装存储通常在太阳能和风能发电过程中出现的无用过剩供应。平滑可再生能源的破坏性波动，消除供应过剩和中断的“垃圾电力”效应。这允许更多的可再生能源进入电网，而不依赖于热资源来补偿短暂（或更长时间）供应的崩溃；
o 削峰填谷和负荷管理：通过在价格较低的非高峰时段存储能源，并在价格较高的高峰时段放电，来减少电费。削峰填谷有助于缓解高需求期间电网的压力，并减少对昂贵的峰值电厂的需求。在分布式微电网中，这意味着需要更少的燃料（柴油），并降低发电机的压力和维护成本；
o 微电网支持：类似于削峰填谷，BESS可以提供备份电力、负荷平衡和电网支持服务。这增强了微电网的可靠性和弹性，确保不间断电力供应，并优化可再生和热能资源利用；
o 电动汽车（EV）充电基础设施：通过提供更快速的响应充电能力和管理峰值需求来极大地增强电动汽车的部署。大量电动汽车接入电网而不超载现有基础设施是电力网络面临的最大挑战，而BESS在安全管理峰值需求方面至关重要；
o 为关键工业和商业设施提供不间断电力，确保在电网停电或断电期间无缝运营，并通过灵活的需求响应降低电费；
o BESS可以安装在家庭中，通过存储来自太阳能电池板的多余能量或在高供应、低需求时段存储能量来提高计量表后的效率/降低成本，供以后使用；
o BESS可以在电网接入有限或无法接入的偏远或离网地点提供可靠电力。它们用于电信、远程监控和农村电气化项目等应用。
BESS对按需能源存储系统的重要性
BESS在自愈和抗脆弱的电力网络中扮演着越来越重要的角色，它们有助于整合可再生能源，提高能源效率，增强电压/频率的可靠性和整体系统的韧性。
通过谨慎应用BESS，消除了电网在容纳间歇性（太阳能、风能、潮汐、波浪）电源时所面临的运行限制。否则，当出现过剩供应时，这些电源会被认为是垃圾电力。旋转备用需求限制了大多数电网只能容纳15-25%的间歇性电源。然而，当BESS作为缓冲时，这个旋转备用可以由BESS系统承担，没有能源浪费。这种多功能的可扩展性使BESS在向更加可持续和有韧性的能源未来过渡中不可或缺。
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