電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：BESS的工作原理

　　可再生能源的擴(kuò)張和全球高效使用能源的趨勢(shì)，提高了人們對(duì)儲(chǔ)能解決方案，特別是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的興趣。閱讀本文將有助于了解這些系統(tǒng)，以及使用這些系統(tǒng)的益處。

　　BESS 的工作原理

　　電池儲(chǔ)能系統(tǒng) （BESS） 是一個(gè)復(fù)雜的解決方案，其利用充電電池來(lái)儲(chǔ)存能量供以后使用。BESS 的類(lèi)型與電化學(xué)或其采用的電池有關(guān)；這類(lèi)系統(tǒng)可以采用鋰離子、鉛酸、鎳鎘、鈉硫和液流電池。儲(chǔ)能系統(tǒng) （ESS） 是一個(gè)更廣泛的術(shù)語(yǔ)，它可能依賴(lài)于電池以外的各種技術(shù)，例如水力發(fā)電、飛輪、壓縮空氣等等。

　　要了解什么是 BESS 及其工作原理，看看其結(jié)構(gòu)和核心元件將有所幫助：

　　電池

　　從太陽(yáng)能、風(fēng)能或發(fā)電站等不同來(lái)源提供的電能，在電池充電過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。電池在放電過(guò)程中釋放的能量可以為家庭、車(chē)輛、商業(yè)建筑和電網(wǎng)供電。電池由電池單體組成，可以排列組成電池模塊、電池組和電池箱。

　　電池管理系統(tǒng) （BMS）

　　BMS 為電池的安全和正確運(yùn)行提供保障。每種類(lèi)型的電池都有特定的充電和放電條件。BMS 確保電池保持在所需的電流、電壓和溫度范圍內(nèi)。BMS 可監(jiān)測(cè)電池的參數(shù)并估計(jì)其剩余電量 （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH），確保電池的可靠和持久性能。

　　電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng) （PCS）

　　BESS 使用電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將直流電 （DC） 轉(zhuǎn)換成交流電 （AC），反之亦然。當(dāng)電池充電時(shí)，交流電從電源流入，并轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)電池放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生直流電，然后被轉(zhuǎn)換回為 BESS 應(yīng)用所需的交流電。

　　電能管理系統(tǒng) （EMS）

　　EMS 是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)控制單元。EMS 管理 BESS 中可用的電力，即管理何時(shí)、為何以及以何種數(shù)量積累或釋放電力。EMS 組合 BESS 的各個(gè)元件，并優(yōu)化其整體性能。

　　安全系統(tǒng)

　　可以有一系列的安全系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)一個(gè)特定的任務(wù)。例如，HVAC 系統(tǒng)使 BESS 通過(guò)暖通空調(diào)保持所需的溫度和濕度。消防系統(tǒng)可以檢測(cè)煙霧并防止火災(zāi)事故。

　　圖 1：典型的 BESS 結(jié)構(gòu)。（圖片來(lái)源：Integra Sources LLC）

　　BESS 能做什么？

　　每年，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為全世界成千上萬(wàn)個(gè)家庭、企業(yè)、工廠和社區(qū)提供電力。這些系統(tǒng)的規(guī)模和儲(chǔ)能容量各異。

　　例如，Tesla Powerwall 的可用容量為 13.5 kWh，這是一個(gè)緊湊的設(shè)備，可為一個(gè)家庭提供不間斷的電力。而 Vistra Moss Landing Energy Storage Facility 的總?cè)萘窟_(dá)到 1，600 MWh，這是世界上最大的 BESS，可為 300，000 個(gè)家庭提供電力。

　　盡管在尺寸和容量上存在差異，但 BESS 可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能并解決類(lèi)似的問(wèn)題。我們來(lái)看看電池儲(chǔ)能可派上用場(chǎng)的案例。

　　可再生能源整合

　　BESS 可在任何時(shí)候和任何天氣下有效利用太陽(yáng)能和風(fēng)能。充電電池可以存儲(chǔ)由間歇性可再生能源產(chǎn)生的多余能量。之后，可以根據(jù)用戶的需求調(diào)度這些能量。

　　與電池儲(chǔ)能解決方案整合后，可再生能源可以取代化石燃料，為多樣化的應(yīng)用提供廉價(jià)和清潔的能源?？稍偕茉凑媳粡V泛用于：

• 　　太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)
• 　　離網(wǎng)和孤立的社區(qū)（島嶼和難以到達(dá)的地區(qū)）。
• 　　與太陽(yáng)能板相結(jié)合的家庭儲(chǔ)能設(shè)備（如 Powerwall）。
• 　　除了支持離網(wǎng)系統(tǒng)，BESS 還可以大幅支持住宅、商業(yè)和工業(yè)使用的并網(wǎng)和混合解決方案。
• 　　能源套利

　　電力需求與其成本之間存在正相關(guān)性。電力價(jià)格會(huì)在需求高峰期提高，并在需求下降時(shí)降低。消費(fèi)者可以使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能源套利（又稱(chēng)時(shí)間移轉(zhuǎn)）。

　　消費(fèi)者可在非高峰期以低成本將電池充電，并使用 BESS 將電力儲(chǔ)存起來(lái)。然后，他們可以等到電力價(jià)格提高時(shí)將電池放電，以使用低成本的電力或?qū)⑵涑鍪劢o電網(wǎng)。

　　因此，家庭和企業(yè)可以有效地管理電力資源，削減其成本。

　　負(fù)載管理

　　電力在一天當(dāng)中的消耗量各異，也會(huì)因季節(jié)變化，因而有高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段之分。BESS 能讓用戶在這些時(shí)段中游刃有余地調(diào)整電力消耗，節(jié)省電力成本。

　　電力調(diào)峰是 BESS 負(fù)載管理中最常見(jiàn)的使用案例之一，其重點(diǎn)在于減少高峰時(shí)段的電力消耗。除此之外，消費(fèi)者能夠像能源套利一樣，減少自己的電力開(kāi)支。

　　電池儲(chǔ)能解決方案有助于避開(kāi)電網(wǎng)的峰值負(fù)荷，因此也能避免停電和其他緊急情況。通過(guò)釋放儲(chǔ)存的能量，BESS 能夠降低電網(wǎng)的負(fù)荷并且使供電不間斷。

　　黑啟動(dòng)

　　BESS 可協(xié)助發(fā)電站和電網(wǎng)在停電后快速恢復(fù)供電。消費(fèi)者可使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而不是使用柴油發(fā)電機(jī)，這種系統(tǒng)是成本更低也更節(jié)能的黑啟動(dòng)解決方案。BESS 能獨(dú)立于電網(wǎng)輸電線路運(yùn)作，并按所需的時(shí)間（從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)）供應(yīng)電力。

　　備用電力

　　BESS 可為家庭、企業(yè)和其他設(shè)施提供電力，確保其持續(xù)運(yùn)行。對(duì)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)和其他提供健康和安全相關(guān)服務(wù)的組織來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)至關(guān)重要。根據(jù)儲(chǔ)能容量，BESS 可按所需時(shí)間長(zhǎng)度提供備用電力，即使是電網(wǎng)嚴(yán)重故障也沒(méi)問(wèn)題。

　　頻率和電壓控制

　　如果電源無(wú)法同步滿足其實(shí)際需求，頻率和電壓可能會(huì)超出其工作極限。這可能導(dǎo)致失去電力和停電。BESS 可透過(guò)調(diào)節(jié)電壓及頻率，確保電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間快速，因此可以成為有效的電網(wǎng)平衡解決方案。

　　微電網(wǎng)

　　這類(lèi)小型電網(wǎng)在連接到較大的電網(wǎng)時(shí)，可供應(yīng)電力給商業(yè)大樓、制造工廠或社區(qū)。自主性微電網(wǎng)可供電給島嶼等偏遠(yuǎn)地區(qū)和社區(qū)。結(jié)合 BESS 并整合可再生能源時(shí)，微電網(wǎng)可作為彈性電力系統(tǒng)供多個(gè)用戶使用。

　　輸電和配電延遲

　　輸電和配電 （T&D） 線路因高峰負(fù)荷和擁堵而易于老化和折舊。電池儲(chǔ)能解決方案可擔(dān)當(dāng) T&D 資產(chǎn)的角色，來(lái)解決此問(wèn)題。BESS 可提供額外的儲(chǔ)能容量并平衡負(fù)荷，因而能推遲現(xiàn)有 T&D 線路升級(jí)和構(gòu)建新基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)間，從而節(jié)省大量的資金。

　　最適合使用 BESS 的應(yīng)用

　　BESS 依賴(lài)于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的技術(shù)，例如，鋰離子電池的價(jià)格在過(guò)去 10 年下降了近 90%，并將進(jìn)一步下降。電池儲(chǔ)能解決方案具有廣泛的配置，可提供不同的儲(chǔ)能容量和尺寸，因此適合許多行業(yè)和應(yīng)用。

　　這些應(yīng)用可分為電表前 （FTM） 應(yīng)用，即公用事業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)（消耗的電力由電表測(cè)量）；以及電表后 （BTM） 應(yīng)用，即提供可在現(xiàn)場(chǎng)使用的電力（消耗的電力無(wú)法連接到電網(wǎng)，因而無(wú)法由電表測(cè)量）。以下是 FTM 和 BTM 的 BESS 應(yīng)用清單（很顯然不是完整的清單）。

　　電表前應(yīng)用

　　對(duì)于公用事業(yè)規(guī)模的設(shè)施和設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可帶來(lái)相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。BESS 可提供儲(chǔ)備的容量和黑啟動(dòng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電壓和頻率穩(wěn)定性，并通過(guò)推遲維護(hù)來(lái)節(jié)省資金。FTM BESS 應(yīng)用包括：

• 　　公用電網(wǎng)
• 　　變電站
• 　　輸電和配電線路
• 　　發(fā)電站
• 　　電表后應(yīng)用

　　BTM 系統(tǒng)能繞過(guò)電網(wǎng)供電給消費(fèi)者。BESS 與綠色能源一起可持續(xù)支持獨(dú)立的電力系統(tǒng)或微電網(wǎng)。制造商可以使用電池儲(chǔ)能來(lái)儲(chǔ)存?zhèn)溆秒娏?，以避免生產(chǎn)設(shè)施停機(jī)。公司和家庭可以使用 BESS，通過(guò)能源時(shí)間轉(zhuǎn)移大幅降低電費(fèi)開(kāi)銷(xiāo)。BTM 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可用于以下用途：

• 　　工業(yè)和制造工廠
• 　　企業(yè)
• 　　家庭
• 　　電動(dòng)汽車(chē)
• 　　海洋系統(tǒng)

　　圖 ：BESS 應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Integra Sources LLC）

　　建造 BESS 有意義嗎？

　　簡(jiǎn)明扼要的回答是：有意義。如果要詳細(xì)回答，則需要進(jìn)行一些澄清。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的 BESS 能節(jié)省許多時(shí)間，有時(shí)還能節(jié)省大量資金。如果對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有特殊要求，可以從市場(chǎng)上大量的儲(chǔ)能產(chǎn)品中選擇開(kāi)箱即用的解決方案。即便如此，還是有幾個(gè)原因可能會(huì)阻礙消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)，包括：

• 　　具體的客戶要求，包括業(yè)務(wù)細(xì)分需求和工作條件
• 　　缺乏所需的功能或不必要的功能增加了系統(tǒng)的成本
• 　　系統(tǒng)不完整，缺乏配套設(shè)備
• 　　軟件質(zhì)量低下
• 　　沒(méi)有保修和保修后的維護(hù)

　　建立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可能是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，需要時(shí)間、金錢(qián)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。但這樣便有機(jī)會(huì)打造出高度定制的解決方案，完全滿足終端用戶的所有需求。

　　定制的 BESS 可以提供更好的功能、可用性、安全性和網(wǎng)絡(luò)安全。實(shí)施先進(jìn)的 BMS 算法將使用戶能夠提高電池的性能并延長(zhǎng)其使用壽命。而開(kāi)發(fā)定制的解決方案，可以?xún)?yōu)化技術(shù)支持、客戶服務(wù)，以及最終用戶或 BESS 供應(yīng)商所需的其他服務(wù)。

　　要設(shè)計(jì)高質(zhì)量的 BESS，需要一個(gè)精通電池技術(shù)、電力電子技術(shù)、嵌入式軟件和硬件開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)。安排并協(xié)調(diào)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到認(rèn)證及制造的每個(gè)階段至關(guān)重要。雇用具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的工程師，有助于打造出能達(dá)到客戶期望的成熟電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

　　雖然如此，但是定制產(chǎn)品并不是靈丹妙藥。應(yīng)根據(jù)具體情況考慮打造定制的 BESS，而對(duì)某些項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，完整的解決方案是最合適的。要深入了解定制和現(xiàn)成即用 BESS 產(chǎn)品的比較信息，可閱讀 Integra Sources LLC 博客頁(yè)面中關(guān)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)篇文章。讀者可從此文章中了解各種電池技術(shù)和特性、主要的 BESS 制造商、替代的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及其他相關(guān)細(xì)節(jié)。