2024年3月7日发(作者：)
移动式电池储能供电系统应用模式
国网上海能源互联网研究院有限公司 上海 200000
摘要：为了满足新时期电网持续化、绿色化供电的运营需求，做出设计研发及应用移动式电池储能供电系统的建议。简单介绍该系统的主要构成和经典结构，阐明其适用场景与现实需求，总结了经典的应用模式，选择锂电子储能作为实例，探究不同适用场景下系统的可靠接入与运行方式，并撰写了系统的经典设计方案，希望能从理论层面上给同行实际研发工作带来一些帮助。
关键词：移动式储能；锂离子电池；电池储能；供电系统；应用场景
引言
现如今，企业之间的竞争压力日益增大，很多企业不断拓展建设规模及增加运营业务类型，对电能品质及可靠度等提出了更高的要求，突然间的断电事故会扰乱人们的正常生产生活状态，有时会破坏企业的生产过程，使其承受巨大的经济损失。电力系统故障有突发性强的特征，冻雨等自然灾害均可能成为供电中断的诱因。并且国内很多地区陆续出现了季节性用电负荷，以致用电负载率、供电效率长期未见显著提升[1]。为移动式供电的开发应用为处理以上问题提供了较可靠的技术职称，能够快速为突发故障或供电中断事故的电动汽车进行临时性供电，使广大用户获得大容量、充放电自由的电力储能方案。
1移动式电池储能供电系统的主要构成
1.1储能电池
即是电池本体，业内也将其称之为电池堆（BP），是存储和释放电能资源的重要媒介。当电网运营期间出现能量过剩情况时，BP能够快速吸收多余的电能，并将其转变成化学能进行存储；当电网需要有能量进行供应时，BP随即启用自身功能，把化学能转变成电能供电网使用。BP作为单体电池的组合形式，其集成化过程覆盖了电池模块、电池串、
单体电池以及单元电池。
1.2电池管理系统
从宏观层面上，可以把电池管理系统细分成电池管理单元（BMU）、电池管理系统(（BMS）两大结构，前者主要用来收集分布在电池模块内单各个元电池的电压和温度指标值；BMS采集对象是单个串联支路内所有的BMU信息，还能精准测出对应电池串的电流值，并结合实际状况采用各种维护性策略。对电池串的均衡化管理，其也被分成两级，BMU主要用于维持电池模块内不同单元电池之间的均衡状态，而BMS的作用对象主要是电池模块，确保不同电池模块之间的均衡性，进而实现对整个电池串的均衡化管理。
1.3 储能变流器
对于本系统内配置的双向式储能变流器，其主要有AC/DC变流器（PCS）、DC/DC变流器两类型。PCS能执行交—直流的双向转换过程。系统处于充电状态时，PCS相当于一个整流装置把交流电转变成直流电，整体地存储在储能单元内；放电工况下，PCS负责把储能单元内前期储存的直流电转变成交流电，并安全地传输至电网。DC/DC通常被安装在电池串与PCS之间，这种设计方式一方面能较好地满足系统入网的直流电压要求，另一方面也能实现电池串充、放电过程的精准化控制，使以上过程均能独立进行[2]。
还可以把储能变流器分成一、二级变换拓扑型，分别基于AC/DC、AC/DC+DC/DC实现运作。单级拓扑有构造简单，运行效率高、响应快速、体量小、经济性较高等优势，但是很难较好地维持不同电池组之间的一致性较；双级拓扑投用时能十分有效地规避电池组之间的环流问题，增加电池产品的使用年限，但系统综合效率偏低，响应时间延长，空间与投资均有所增加。整体分析，以上两种拓扑方式各有千秋，要参照现实应用需求酌情选用最适的结构。
1.4监控系统
固定式储能电站的监控系统是改系统设计工作的样本，参照移动式储能系统的项目建设规模，可以运用基本型、标准型或层次性监控系统。
1.5承载设备
设计出的移动式供电系统要做到体量适中、操作过程便捷切灵敏，运用集装箱予以承载，要参照现实需求将其制造成移动式应急电源车或者可自由移动的集装箱。
2系统的典型结构
2.1支路型
支路型系统的主要是基于单个集装箱或移动电源车实现可靠承载的储能单元。实际中可以选用这种系统作为主电源独立地为电网负荷供应电能，当然也可以通过并网开关柜的形式直接接进400 V低压电网工程内。
2.2 回路型
这种系统的构成较为复杂，具体是由数个移动式储能支路并联形成的，可以基于并网开关柜的方式直接接进低压电网内；也可以升压变压器单元作为载体顺利接进10 kV或35 kV电压等级。系统适用于配电网/变电站侧的削峰填谷、分布能源接进等领域。
2.3 电站型
数个移动式储能回路是电站型储能系统的主要构造，基于高压母线装置实现汇流，能够安全可靠地接进10 kV及其以上的电压等级（包括(35 kV、110 kV等），系统适用范围有变电站削峰填谷、电网调频等[3]。
3系统的应用模式
3.1独立式电源
（1）使用场景以及运作形式
当电线电缆现场敷设施工十分繁琐或者考虑经济性，可靠性问题后认为没有敷设的必要时，可以直接用移动供电系统作为主电源，以上这种模式的适用场景包括户外直播室、户外讲座及通信装置的户外系统等。
移动供电系统自身十分经典的独立电源应用形式，当其功率达到5kW时，通常能较好地满足2~4h的持续供电需求。若利用其直接为负荷供电而不接进电网，则同样能为负荷提供相对可靠的电压与频率支撑，确保系统离网状态下能安全运行。
（2）储能系统的经典设计
本文这里选择5 kW/20 kW·h储能系统作为目标对象，探究相应的设计方法。储能电池具体是由多大42个3.2 V/150 A·h单元电池串联而成，工作电压110~160V，额定电压达到134.5V。各个单元电池由3个单体电池（3.2V
/50 A ·h）通过并联形式组成的。
配置应用了两级化电池管理系统，BMS、BMU组装数量分别是1个、3个，其中前者负责管理电池串，后者能实现对多达14个单元电池的集中化管理控制。配置应用了单级AC/DC结构，在局部加装了一套功率是5kW储能变流器。因为系统本体的信息储量相对较小，所以处于节省成本问题不必单独为其配备监控系统，PCS负责执行BMS相关信息的采集工作。
3.2应急电源
（1）适用场景及运作形式
正常情况下，用市电为系统提供电能，若市电突发断电或故障问题等异常时，快速切换到后备电源实现应急供电。以上这种模式多被用在应急抢险场景下，在突发自然性灾害或战争炮火肆虐区域作为备用电源设施应用，比如在强地震、冰灾等灾害区域实现应急供电；电网系统突发故障情景下作为临时用电资源，如果固定变电站装置突发故障时，能够即刻恢复正常的供电状态；用于变电站设备计划性维修过程中，能够保证供电过程的连续性；在大型企事业单位、学校、医院等多被作为应急电源使用，日常时能存储低谷时期的形成低价电能提供给高价时段应用，辅助减少电费支出。
应急电源是市电系统内一种典型的后备电源，功率范围30~200 kW，存储时长2~5h。单条移动储能支路是电源的主体构造，以低压开关作为载体顺利
接入低压配电网。系统对并网、离网及并/离网自动化切换过程均能起到可靠的支撑作用。
（2）系统设计
选择100 kW /200 kW·h系统作为设计对象。2个100 kW·h电池组（653V/150 A·h）通过并联方式建成储能电池，电池组工作电压范畴571~744V，额定电压652V。各个电池组由16个38.7V/150A·h电池模块单体串联形成，11个3.3V/150A·h单元电池组成电池模块。
系统内部加装了二级电池能量管理系统，配备； 1个BMS与33个BMU，各个BMU负责管理单个电池模块。BMS管理对象是所有BMU，同事还能测出各组电池的电流大小，特殊情景下运用发挥保护性功能。BMS还能和PCS、储能监控单元之间进行互联关系，实现实时通信，参照储能系统当前的运行状态整顿相应的运行机制。
参照市面上主流变流器的规格大小，为本系统的变流器配备一、二级转换拓扑结构均是适用的。一级拓扑结构的构成：功率100 kW 的DC /AC变流器1个，其内带有2组100 kW ·h铁锂电池；二级结构为：1个100 kW DC /AC变流器，携带2个50 kW DC /DC，分别用于管控1路100 kW ·h电池组[4]。
选择单机设备作为控制系统，单台嵌入式工控机是主机的主体，能实时集成PCS、开关单元等诸多信息，其和上级机构调度形成的信息进行可靠交互，进而达到对储能系统运行状态的精准化监管。
3.3备用容量
（1）适用场景及运作模式
季节性用电负荷给电网末端供电质量安全产生的影响之大，可能会出现极为少见的尖峰负荷，以致部分地区、时间段容易出现较显著的低压现象。在电网末端加装移动式储能电站装置，能够在电网负荷低谷期进行稳定充电，高峰期时及时放电，有效调控负荷大小，辅助强化配电网末端供电水平；在负荷峰值被削平以后，显著降低了系统运行期间对调峰机组容量提出的要求，延长了系统对新增
发电容量的需求周期。还可以将移动储能系统作为超出额定变压器的备用装置，严格依照“N－1”的设计要求为关键用户群供应备用容量；适用于电力需求增速明显超过设计范围的区域或者永久性供电建设被延缓的工况下。
（2）系统设计
250k W/500 k W·h移动储能系统的设计为：并联2个250 k W·h电池组（652V/400 A·h）制得储能电池，电池组由16个38. 6V /400 A·h按照一定规则串联而成额定，额定电压652V，3. 2 V/400 A·h 单元电池是各个电池模块的构成单体。
电池管理系统是基于二级拓扑结构设计成的，配备的BMU、 BMS数量分别是33个、2个，前者用于管理电池模块、采集工作电压及温度等信息；BMS 用于管理各个串联支路的 16个BMU的使用状态，且能精准测得各组电池的电流值大小，特殊情况下加以维护。
变流器配备了AC /DC一级变换拓扑结构，即1个250 k W AC / DC 交-直变流器附带了两组 250 k W·h铁锂电池产品。监控系统的设计和应急电源别无二致。
结束语：
电池储能有安全性高、绿色无污染等特征，并且实现了双向化流动，将成为未来以偶东供电的主流发展方向。本文介绍了移动电池储能系统的构成、经典结构、适用场景，归纳了经典的应用模式，选择锂电子储能作为实例，探究不同适用场景下系统的接入与运行方式，并制定了相配套的设计方案，希望对同行实践提供一些指导与帮助。
参考文献：
[1]陈凌宇,刘敏,孙桐,等.基于电池储能的单级式构网型不间断供电系统[J].电力电子技术,2022,56(05):1-4+12.
[2]龙云波,张曦,张持.一种采用DAB接口的锂电池储能不间断电源[J].电工技术,2020(15):97-99+101.
[3]黄新,罗敏,江辉.移动储能在提升中压配电网供电可靠性中的应用[J].云南电力技术,2019,47(06):9-13.
[4]樊旭.基于锂电池储能的场桥转场供电系统[J].集装箱化,2019,30(02):22-24.
