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图1电池储能系统内部组件简化示意图
2.2、电源转换子系统
电源转换子系统(PCS)在与电源之间的能量传输中发挥着关键作用。它包逆变器/充电器,通常采用双向设计,但有时可能是单独的组件。在为电池充电时,它从交流电源(连接点)汲取电流并将其转换为直流电。当将电力输出到电网或本地“自供电”时,逆变器将电池子系统提供的直流电源转换为交流电源。
目前市场上的电池储能通常是以下三种类型之一:
•使用“现成的”双向逆变器。
•使用专有设计的逆变器或改装的商业产品。
•仅作为“储能系统”提供的双向逆变器 ,需要安装商、系统集成商或最终用户提供合适的电源转换器。
充电器/逆变器可以单独管理储能系统输入或输出的电力,或者可以集成其他本地的可再生能源,最常见的是太阳能发电系统。
2.3、辅助子系统
辅助子系统包括旨在执行电池储能系统辅助功能(例如供暖、通风、消防 、空调系统)的所有必要设备。
2.4、控制子系统
控制子系统用于监测和控制电池储能系统。它可能包括通信子系统、保护子系统和管理子系统。
2.5、电池子系统
电池子系统由电池管理系统(BMS)和分为多个模块的电池组成。
为了安全运行,电池需要保持在其电压、温度和电流的额定范围内,因此需要电池管理系统(BMS)进行管理。对于规模较大的电池储能系统,通常采用单独的电池管理系统(BMS)在不同的级别上运行。电池管理系统(BMS)是电池储能系统中安全系统的关键部分,此外还有硬件保护功能。
在设计安全的电池子系统时必须考虑许多因素。电池管理系统(BMS)的设计和工程是一个安全的关键问题。电池管理系统(BMS)是电池安全运行的核心。如果设计得当,电池管理系统(BMS)将提早发现潜在问题,并采取行动减轻潜在后果。
3、电池技术
表1显示了当今电池储能系统中最常用的铅酸电池和锂离子电池的特性。
表1铅酸电池与锂离子电池的特性
电池储能系统中使用的电池技术可能会有所不同,但目前市场上用于构建电池储能系统的大多数电池都是锂离子电池。然而,阀控式铅酸电池传统上一直占主导地位,并且仍在许多已安装的电池储能系统中使用。对于这种应用,铅酸电池的主要缺点是它们在充电/深度放电时的寿命有限。因此,它们通常并不用于住宅电池储能系统。因此,该报告并没有进一步介绍铅酸电池。
3.1、锂离子电池
锂离子电池由一系列不同的电池材料和组件构成,其中主要反应是锂离子分别传输和嵌入到阴极和阳极中。最常见的阳极材料是石墨,但也有硬碳和钛酸盐的替代品。硬碳和钛酸盐提供了更好的动力能力和循环寿命,但能量密度并不高。而电池阴极材料通常是金属氧化物,一些最常见的阴极类型是NMC(锂化镍锰钴氧化物)、NCA(锂化镍钴铝氧化物)、LCO(锂化钴氧化物)和LFP(磷酸铁锂)。它们都具有各自不同的特性,但磷酸铁锂电池(LFP)具有较低的电压,因此比其他电池具有较低的能量密度。
阳极和阴极由多孔隔板隔开,隔板通常由多层聚合物组成。电极和隔膜浸泡在电解液中,电极之间的电解液可以输送锂离子。而电解质由溶解有锂盐(LiPF6)的有机溶剂组成。
3.1.1、锂离子电池
如今有三种不同形状的电池:圆柱形、软包电池和棱柱形。电极可以堆叠或卷绕。电池是密封的,在正常操作下不应发生排气。
锂离子电池的不同外形尺寸
电池串联和并联以分别增加电压和容量。对于规模较大的电池组,电池通常分组为称为模块的子组,然后可以将模块串联或并联以形成完整的电池组。
电池的生产和电池构造可能相当复杂。而现有电池和系统标准的应用涉及性能和安全性,尽管它们会不断进行审查和改进,但它们并没有完全解决涉及电池设计和制造的所有复杂性,因此偶尔会出现电池故障。而化学或结构的适度变化可能会产生严重后果。从安全角度来看,应该记住的是,如今市场上有数十亿块电池,从这个角度来看,事故率实际上非常低,大约百万分之一或者可能低至千万分之一。
4、英国储能市场回顾
英国市场部署的电池储能系统通常来自全球供应商和英国本土厂商,预计未来几年供应商的数量会增加。电池储能系统的价格可能会有很大差异。根据一份调查报告,电池价格从500英镑到10,000英镑不等,并且不包括安装成本。而电池储能系统成本(不包括安装成本)的平均约为1,000英镑/kWh。根据储能系统的复杂性,其安装成本可能从500英镑到2,000英镑以上不等。一些电池储能系统还采用逆变器,而这可能需要增加约1,000英镑的成本。
4.1、电池储能系统的安装示例
4.2、英国市场电池储能系统示例
在英国市场上可以找到的产品示如表2所示。该表总结了每家电池储能系统制造商网的信息。这些住宅电储能系统的储能容量范围从2.5到25.2kWh之间。电池模块的标称电压一般在50V左右,但有些电池储能系统的标称电压更高。虽然无法为每个储能系统找到每个电池模块的额定容量,然而其范围从1kWh和6.3kWh之间。电池储能系统采用的电池通常是锂镍锰钴氧化物(NMC)电池或磷酸铁锂(LiFePO4)电池。
这些电池产品均带有CE标志。电池模块测试的常用电池安全标准是IEC62619。对于逆变器,IEC62109-1和IEC62109-2是常用的安全标准。许多住宅电池储能系统还根据UL1973(电池模块)和UL1741(逆变器)等标准获得了北美市场的认证。具体而言,对于英国市场,逆变器还需要符合工程建议G.83/2(G98)和G.59/3(G99)。国内BESS的适用标准总结在第7节和附录1中。
表2英国采用的电池储能系统产品
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