电池储能系统：BESS的工作原理

　　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。

　　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。
• 　　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。

　　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

　　图 ：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。