BESS:主动能源管理解决方案

作者:Andrey Solovev

可再生能源的扩张和全球高效使用能源的趋势,提高了人们对储能解决方案,特别是电池储能系统的兴趣。阅读本文将有助于了解这些系统,以及使用这些系统的益处。

BESS 的工作原理

电池储能系统 (BESS) 是一个复杂的解决方案,其利用充电电池来储存能量供以后使用。BESS 的类型与电化学或其采用的电池有关;这类系统可以采用锂离子、铅酸、镍镉、钠硫和液流电池。储能系统 (ESS) 是一个更广泛的术语,它可能依赖于电池以外的各种技术,例如水力发电、飞轮、压缩空气等等。

要了解什么是 BESS 及其工作原理,看看其结构和核心元件将有所帮助:

电池

从太阳能、风能或发电站等不同来源提供的电能,在电池充电过程中会转换为化学能。电池在放电过程中释放的能量可以为家庭、车辆、商业建筑和电网供电。电池由电池单体组成,可以排列组成电池模块、电池组和电池箱。

电池管理系统 (BMS)

BMS 为电池的安全和正确运行提供保障。每种类型的电池都有特定的充电和放电条件。BMS 确保电池保持在所需的电流、电压和温度范围内。BMS 可监测电池的参数并估计其剩余电量 (SOC) 和健康状态 (SOH),确保电池的可靠和持久性能。

电力转换系统 (PCS)

BESS 使用电力转换系统,将直流电 (DC) 转换成交流电 (AC),反之亦然。当电池充电时,交流电从电源流入,并转换为直流电。当电池放电时,会产生直流电,然后被转换回为 BESS 应用所需的交流电。

电能管理系统 (EMS)

EMS 是电池储能系统的一个控制单元。EMS 管理 BESS 中可用的电力,即管理何时、为何以及以何种数量积累或释放电力。EMS 组合 BESS 的各个元件,并优化其整体性能。

安全系统

可以有一系列的安全系统,每个系统负责一个特定的任务。例如,HVAC 系统使 BESS 通过暖通空调保持所需的温度和湿度。消防系统可以检测烟雾并防止火灾事故。

典型的 BESS 结构的示意图图 1:典型的 BESS 结构。(图片来源:Integra Sources LLC

BESS 能做什么?

每年,电池储能系统为全世界成千上万个家庭、企业、工厂和社区提供电力。这些系统的规模和储能容量各异。

例如,Tesla Powerwall 的可用容量为 13.5 kWh,这是一个紧凑的设备,可为一个家庭提供不间断的电力。而 Vistra Moss Landing Energy Storage Facility 的总容量达到 1,600 MWh,这是世界上最大的 BESS,可为 300,000 个家庭提供电力。

尽管在尺寸和容量上存在差异,但 BESS 可以实现类似的功能并解决类似的问题。我们来看看电池储能可派上用场的案例。

可再生能源整合

BESS 可在任何时候和任何天气下有效利用太阳能和风能。充电电池可以存储由间歇性可再生能源产生的多余能量。之后,可以根据用户的需求调度这些能量。

与电池储能解决方案整合后,可再生能源可以取代化石燃料,为多样化的应用提供廉价和清洁的能源。可再生能源整合被广泛用于:

  • 太阳能和风力发电场
  • 离网和孤立的社区(岛屿和难以到达的地区)。
  • 与太阳能板相结合的家庭储能设备(如 Powerwall)。

除了支持离网系统,BESS 还可以大幅支持住宅、商业和工业使用的并网和混合解决方案。

太阳能和风力发电场的图片图 2:电池储能系统被广泛用于太阳能和风力发电场。(图片来源:Integra Sources LLC)

能源套利

电力需求与其成本之间存在正相关性。电力价格会在需求高峰期提高,并在需求下降时降低。消费者可以使用电池储能系统进行能源套利(又称时间移转)。

消费者可在非高峰期以低成本将电池充电,并使用 BESS 将电力储存起来。然后,他们可以等到电力价格提高时将电池放电,以使用低成本的电力或将其出售给电网。

因此,家庭和企业可以有效地管理电力资源,削减其成本。

负载管理

电力在一天当中的消耗量各异,也会因季节变化,因而有高峰时段和非高峰时段之分。BESS 能让用户在这些时段中游刃有余地调整电力消耗,节省电力成本。

电力调峰是 BESS 负载管理中最常见的使用案例之一,其重点在于减少高峰时段的电力消耗。除此之外,消费者能够像能源套利一样,减少自己的电力开支。

电池储能解决方案有助于避开电网的峰值负荷,因此也能避免停电和其他紧急情况。通过释放储存的能量,BESS 能够降低电网的负荷并且使供电不间断。

黑启动

BESS 可协助发电站和电网在停电后快速恢复供电。消费者可使用电池储能系统而不是使用柴油发电机,这种系统是成本更低也更节能的黑启动解决方案。BESS 能独立于电网输电线路运作,并按所需的时间(从数分钟到数小时)供应电力。

备用电力

BESS 可为家庭、企业和其他设施提供电力,确保其持续运行。对于医疗机构和其他提供健康和安全相关服务的组织来说,这点至关重要。根据储能容量,BESS 可按所需时间长度提供备用电力,即使是电网严重故障也没问题。

频率和电压控制

如果电源无法同步满足其实际需求,频率和电压可能会超出其工作极限。这可能导致失去电力和停电。BESS 可透过调节电压及频率,确保电网和电力系统的稳定性。由于电池储能系统的反应时间快速,因此可以成为有效的电网平衡解决方案。

微电网

这类小型电网在连接到较大的电网时,可供应电力给商业大楼、制造工厂或社区。自主性微电网可供电给岛屿等偏远地区和社区。结合 BESS 并整合可再生能源时,微电网可作为弹性电力系统供多个用户使用。

微电网可作为弹性电力系统的示意图图 3:微电网可作为岛屿等偏远地区和社区的弹性电力系统。(图片来源:Integra Sources LLC)

输电和配电延迟

输电和配电 (T&D) 线路因高峰负荷和拥堵而易于老化和折旧。电池储能解决方案可担当 T&D 资产的角色,来解决此问题。BESS 可提供额外的储能容量并平衡负荷,因而能推迟现有 T&D 线路升级和构建新基础设施的时间,从而节省大量的资金。

最适合使用 BESS 的应用

BESS 依赖于经济实惠的技术,例如,锂离子电池的价格在过去 10 年下降了近 90%,并将进一步下降。电池储能解决方案具有广泛的配置,可提供不同的储能容量和尺寸,因此适合许多行业和应用。

这些应用可分为电表前 (FTM) 应用,即公用事业规模的系统(消耗的电力由电表测量);以及电表后 (BTM) 应用,即提供可在现场使用的电力(消耗的电力无法连接到电网,因而无法由电表测量)。以下是 FTM 和 BTM 的 BESS 应用清单(很显然不是完整的清单)。

电表前应用

对于公用事业规模的设施和设备的运行和维护,电池储能系统可带来相当大的贡献。BESS 可提供储备的容量和黑启动服务,实现电压和频率稳定性,并通过推迟维护来节省资金。FTM BESS 应用包括:

  • 公用电网
  • 变电站
  • 输电和配电线路
  • 发电站

电表后应用

BTM 系统能绕过电网供电给消费者。BESS 与绿色能源一起可持续支持独立的电力系统或微电网。制造商可以使用电池储能来储存备用电力,以避免生产设施停机。公司和家庭可以使用 BESS,通过能源时间转移大幅降低电费开销。BTM 电池储能系统可用于以下用途:

  • 工业和制造工厂
  • 企业
  • 家庭
  • 电动汽车
  • 海洋系统

BESS 应用的示意图图 4:BESS 应用。(图片来源:Integra Sources LLC)

建造 BESS 有意义吗?

简明扼要的回答是:有意义。如果要详细回答,则需要进行一些澄清。

毫无疑问,购买现成的 BESS 能节省许多时间,有时还能节省大量资金。如果对系统没有特殊要求,可以从市场上大量的储能产品中选择开箱即用的解决方案。即便如此,还是有几个原因可能会阻碍消费者购买,包括:

  • 具体的客户要求,包括业务细分需求和工作条件
  • 缺乏所需的功能或不必要的功能增加了系统的成本
  • 系统不完整,缺乏配套设备
  • 软件质量低下
  • 没有保修和保修后的维护

建立电池储能系统可能是一个繁琐的过程,需要时间、金钱和专业知识。但这样便有机会打造出高度定制的解决方案,完全满足终端用户的所有需求。

定制的 BESS 可以提供更好的功能、可用性、安全性和网络安全。实施先进的 BMS 算法将使用户能够提高电池的性能并延长其使用寿命。而开发定制的解决方案,可以优化技术支持、客户服务,以及最终用户或 BESS 供应商所需的其他服务。

要设计高质量的 BESS,需要一个精通电池技术、电力电子技术、嵌入式软件和硬件开发的专业团队。安排并协调产品从设计到认证及制造的每个阶段至关重要。雇用具有相关专业知识和经验的工程师,有助于打造出能达到客户期望的成熟电池储能系统。

虽然如此,但是定制产品并不是灵丹妙药。应根据具体情况考虑打造定制的 BESS,而对某些项目来说,完整的解决方案是最合适的。要深入了解定制和现成即用 BESS 产品的比较信息,可阅读 Integra Sources LLC 博客页面中关于电池储能系统的长篇文章。读者可从此文章中了解各种电池技术和特性、主要的 BESS 制造商、替代的储能系统,以及其他相关细节。

免责声明:各个作者和/或论坛参与者在本网站发表的观点、看法和意见不代表 Digi-Key Electronics 的观点、看法和意见,也不代表 Digi-Key Electronics 官方政策。

关于此作者

Andrey Solovev

Andrey Solovev is the co-founder and Chief Technology Officer of Integra Sources. He earned a Ph.D. in Physics and Mathematics at Altai State University.