利用电池储能系统（BESS）实现高效能源管理和节能

译者说

近几年来，电网中的发电形式出现发生了翻天覆地的变化。随着间歇性能源在发电中的占比不断提高，通过配置适量的储能装置，可以更好地平衡实时供需，使得电网具有功率可控性与可调度性。同时，电池储能的价值兑现即将到来，有了各种激励措施（例如补贴和降低税率等）以及参加电力公司响应计划而获得的额外收益，为企业提供了节能和创收的机会。

（文章来源 公众号：EnergyKnowledge ID：gh_f6476efbc631 作者：张双华）

智能能源消耗、削减成本、韧性、节约资源、提高环境效率——这些都是电池储能系统（BESS）提供的好处之一。BESS的功率和储能容量范围广泛，从小型家用设备到用于公用事业和工业应用的大型系统不等。2020年，澳大利亚和德国的家庭分别安装了超过31,000和100,000个电池储能系统。如今，大型BESS已经在全球范围内运营，包括美国、澳大利亚、英国、日本、中国和许多其他国家。本文将回答有关电池储能技术的所有“为什么”和”如何“等问题，包括它是什么，为什么以及在哪里可以使用它。我们还将简要介绍“现货”和定制的BESS，并具体说明这两种解决方案的优点和缺点。

了解BESS：BESS是什么以及它的工作原理

BES是一种能量储存系统（ESS），它从不同的能源来源中捕获能量、积累这些能量，并将其存储在可充电电池中以备将来使用。如果需要，电化学能量从电池中放电并供应给家庭、电动汽车、工商业设施。

一个BESS是一个复合系统，包括硬件和初高级软件。主要的BESS包括：

电池系统：它包含将化学能转换为电能的单个电芯。电芯被排列在模块中，这些模块组成电池包。

电池管理系统（BMS）：BMS用于确保电池系统的安全。它监视电池单元的状态，测量它们的参数和状态，例如荷电状态（SOC）和健康状态（SOH），并保护电池免受火灾和其他危害。

逆变器或储能变流器（PCS）：将电池产生的直流（DC）转换为交流（AC），供设施使用。电池储能系统的逆变器允许能量的双向流通，即允许充电也可放电。

能源管理系统（EMS）：负责监控和控制电池储能系统内的能量流动。EMS协调BMS，PCS和BESS的其他组件的工作。通过收集和分析能源数据，EMS可以高效地管理系统的多能接入。

根据其功能和操作条件，BESS还包括一系列安全系统，例如火灾控制系统，烟雾探测器，温度控制系统，冷却，加热，通风和空调系统。安全系统自身具有监控和控制单元，通过监视其参数并应对紧急情况，为BESS提供安全运行所需的条件。

图1.电池储能系统架构

除了电子电路，复杂的BESS还依赖于强大的软件解决方案。例如，最先进的系统使用机器学习算法来优化能源管理。需要在BMS软件开发中建立可靠的算法和数学模型，精确地预测电池状态和特性。

总之，BESS从电网或可再生能源（如太阳能和风能）收集能量，并使用电池存储技术进行存储。在用电需求高峰、停电和其他各种应用场景中，在必要时通过电池放电来释放能量。

BESS有不同类型的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池等。我们将在本文稍后详细介绍各类电池。每种电池类型都有其特有的特性，这些特性会使BESS在特定场景下使用，同样会影响电池储能系统的效率。电池的主要特性包括：

存储容量：这是电池存储的电荷量或BESS中可用的电量。

功率：此参数确定电池提供的总功率或BESS可以提供的输出功率。

转换效率：这显示了电池在放电期间输送的能量与在充电期间提供给电池的能量的比率。

放电深度（DoD）：这显示了电池释放的能量相对于其总容量的百分比。

寿命：定义为电池的充电和放电循环次数，或者电池在其寿命周期内可以提供的能量（电池吞吐量）。

安全：这是电池的一个重要特征，表明电池符合安全要求，例如，在电化学安全方面。

除了上述电池特性外，电池系统还有描述其性能的一些其他特性。例如，响应时间是BESS从空闲状态到开始满功率工作所需的时间。爬坡率是系统可以增加或减少其功率输出的速率，分别向上或向下倾斜。

BESS类型和替代方案

BESS的分类因其使用的电化学或电池技术而异,让我们看看BESS电池的主要类型以及它们在电池储能解决方案中的机遇。

锂离子电池

根据美国能源信息署（EIA）2020年发布的报告，美国90%以上的大型电池储能系统由锂离子电池供电，目前全球整体统计数据也基本相同。这种可反复充放电的电池在电动汽车、消费电子产品和智能手机、笔记本电脑、平板电脑和相机等便携式设备中广受欢迎。锂离子电池化学物质包括锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂铁磷酸盐、锂镍锰钴氧化物（NMC）等。锂离子电池的诸多优点促使其成为领先的储能技术之一。预计到2026年，全球锂离子电池市场将翻一番，达到919亿美元。它重量轻、结构紧凑，具有高容量和高能量密度，维护成本低，使用寿命长。此外，锂离子电池还易于快速充电，且自放电率低。这种电池技术的缺点包括成本高、易燃、不耐极端温度、会过充和过放。

图2.预计全球锂离子电池市场收入，来源：Statista

铅酸（PbA）电池

Lead-Acid (PbA) Batteries

铅酸电池是最早的电池技术之一，也是最便宜和最常见的解决方案，应用在汽车，工业应用及电力存储系统中。铅酸电池是高度可回收的，并且在高温和低温下都能有效运行。与其老式的淹没式铅酸（FLA）电池相比，密封式阀控铅酸（VRLA）电池更适合于电力储存解决方案，因为它具有更长的寿命，更高的容量和更易维护。而充电慢，重量大和能量密度低是这种电池技术的主要缺点。

镍镉（Ni-Cd）电池

在锂离子电池进入市场前，镍镉电池在可穿戴电子设备市场上占主导地位。Ni-Cd电池有多种配置，它们价格便宜，易于运输和存储，并且很高的耐低温性。该技术在能量密度，自放电率和回收方面落后于其他与之竞争的电池。镍氢（Ni-MH）电池使用与Ni-Cd技术相同的组件--氢氧化镍（（NiO（OH））。然而，镍氢电池化学提供更好的特性，例如更高的容量和能量密度。

钠硫（Na-S）电池

钠硫电池是一种基于熔融盐的更具成本效益的技术。Na-S电池的优点包括高能量和功率密度，长寿命以及在极端环境条件下的稳定运行。然而，由于要在高温度下运行（不低于300℃）且对腐蚀非常敏感，这种电池技术的应用范围有限。此外，钠是一种危险的成分，具有高度易燃和爆炸性。钠硫电池非常适合与可再生能源相结合的独立储应用。

液流电池

与传统的可充电电池将能量存储在固态电极材料中不同，液流电池将能量存储在液态电解质溶液中。最常见的液流电池类型是全钒氧化还原电池（VRB）。其他类型包括锌-溴、锌-铁和铁-铬化学体系。尽管它们的能量容量和充放电速率较低，但液流电池具有几个重要优点，使它们在并网和离网运行的储能系统中占据了大量市场份额，包括大规模应用。优点包括极长的寿命（长达30年），高可扩展性，快速的响应时间和火灾风险低，因为液流电池含有不易燃的电解质。

图3.用于储能的电池技术

2020年初，BESS约占全球储能容量的5％，远低于抽水蓄能。根据《财富商业洞察》（Fortune Business Insights）的数据，到2027年，电池储能市场规模预计达到197.4亿美元，年复合增长率（CAGR） 20.4％。鉴于电化学储能技术的可用性，效率和最新研发进展，预计其将成为未来几年储能技术的领导者。但是，其他可以与电池储能系统抗衡的替代技术，在某些应用中具备特殊优势。以下是主要与电池储能竞争的一些储能技术：

抽水蓄能（PSH）：根据国际水电协会（IHA）估计，全球抽水蓄能可储存多达9,000 GWh的电力，占世界储能容量的94％以上。抽水蓄能原理是当水从高水位流向低水位时，通过旋转涡轮产生能量。这种储能技术可以以合理的价格提供广阔的储存容量，以满足更大型电网的需求。抽水蓄能最大的挑战在于它们建造周期长，需要数年，并需要巨额投资。

压缩空气储能（CAES）：这种ESS类型利用能量将空气压缩并储存在地下储气库中。当需要时，释放的压缩空气通过旋转涡轮机产生电力。压缩空气储能系统在生产和采矿行业中得到有效应用。然而，对于某些应用场景，特别是住宅解决方案，实施这项技术可能会有问题。

飞轮储能（FES）：是一种将能量应用到飞轮上，使其高速旋转，产生旋转或动能并将其储存并在后期释放的技术。飞轮系统以其寿命长（长达数十年）、易于维护和响应时间快而著称。但它们只能在短时间内运行。

储热（TES）：是一种可以储存从各种来源收集热能的储能，包括水、岩石和熔融材料——盐、硅和铝。储热系统与可再生能源结合，在供暖和制冷应用中有广泛的应用潜力。

势能存储或机械重力储能：这种储能的理念是将重物，如混凝土块，提升高度并在需要释放能量时将其放下。目前这项技术还远未成熟，但一旦经过完善，它可能在储能市场具有潜在价值。

图4. 2020年初全球储能市场，来源：中关村储能产业技术联盟(CNESA)

替代电池的储能技术已经问世数年。其中一些已经投入运行，而其他一些仍在研发中。但能够确定的是，所有这些技术都需要可靠的机器学习和人工智能解决方案。它将使操作更自动化，降低维护费用，并确保在最少的人力投入下平稳运行。

选择电池作为储能有几个好处，首先，通过电池储能对地点没有限制 – 因为您不需要提供巨大的水箱或地下储气罐。由于其可用性和灵活性很高，BESS 可以很好地适应于不同功率和存储容量的应用。此外，现代电池技术倾向于轻量化、成本效益、安全和环保。让我们看一下电池储能系统的应用案例和它可以解决的基本问题。

负荷管理（能源需求管理）

BESS有助于用电高峰和低峰不同时间之间平衡负荷。电力需求可能会因日期、时间、季节和其他因素而有所不同。需求越高，电力成本越高，反之亦然——在低峰期间，价格会降低。通过在需求低时存储能量并在高峰期间放电，电池储能解决方案使用户能够节省电费（削峰填谷）。

能量时移（峰谷套利）

如上所述，电力价格在不同时间波动，既有上涨也有下跌。电池储能系统允许能量时移——在低峰期购买能源，在价格上涨时出售或使用。因此，无论季节和电力需求如何，BESSs都可以均衡能源价格并最小化风险。

备用电源

在电网故障的情况下，BESS可以提供备用电源，直到电力完全恢复。更大的储能容量和与可再生能源的整合，使BESS能够更长时间的备份能源。通过作为不间断电源（UPS）运行，商业电池储能方案可以消除宕机从而节省时间和金钱。

黑启动能力

停电后，通过基于电池储能系统的黑启动能力来恢复电力发电，从而替代发电厂使用的柴油或天然气发电机。电力系统可以在不使用外部电源的情况下重新启动。BESS的快速响应时间有助于在尽可能短的时间内使系统恢复正常运行。

频率控制

电池储能系统可以调节电网频率，确保其值在规定范围内。如果发电量与实际电力需求不符，频率可能会超出或低于其额定值。这些差异可能会导致临时断开电网连接、电源故障或停电。BESS可以立即对电力中断做出反应，提供亚秒级频率转速响应，稳定电网。

BESS也可以确保电压稳定性，将其维持在指定范围内。

可再生能源整合

将电池储能系统与间歇性可再生能源相结合，为并网、离网和混合系统提供了廉价的持续电力。最近，清洁能源因其经济可行和环保，作为化石燃料的替代品越来越受欢迎。根据国际能源署（IEA）的数据，可再生能源在全球电力生产中的份额从2019年的27%增加到2020年的29%。此外，预计到2040年可再生能源占比将达到45%。政府的补贴和降低税率，使可再生能源-存储解决方案的得到广泛支持和激励。

图5.全球电力发电中可再生能源的预计份额，来源：Statista

电池储能技术提高了可再生能源的利用效率。这使它们成为各种应用场景可靠的能源来源，包括配备光伏板（PV）的家庭、离网商业设施以及孤岛运行的社区，例如岛屿和偏远农村地区。位于日本六户町的智能电网采用基于钠硫电池的大容量BESS储存太阳能和风能。目前，有92个风力发电设施和3个太阳能电站，总容量为313,350千瓦。

BESS协助并网和混合式太阳能和风能的系统进行能量时移和需求侧管理。例如，在有风的天气中，系统可以在高峰和低峰时期为家庭提供电力并充电。随后，当电力需求高且可变能源不可用时，可以使用电池储能的电能。这样的系统已经在法罗群岛安装并成功运行。现在，风力发电产生的电力约占该岛能源需求的50%。

延后输电和配电投资（T＆D）

电池储能可以消除建造新的输电和配电系统，或更新现有容量不足，或过时的输电和配电资产的需要。通过储存多余的能量并提供备用容量，BESS可以减轻过载的输电和配电线路负荷，并防止电力传输系统拥堵。

微电网

BESS是微电网的重要组成部分，微电网是分布式电力网络，可以连接到公用电网或完全独立。位于偏远地区的独立微电网可以依靠与间歇性可再生能源相结合的电池储能系统。这种解决方案可以实现平稳的发电，并有助于避免与柴油发电机相关的高昂费用和空气污染。

电池储能系统在不同的行业和应用领域得到广泛应用。例如，表前(Front-of-the-Meter, FTM)应用包括在电力系统中的电池储能系统，如市政电源的发电和储能设施以及输电和配电线路。表后(Behind-the-Meter, BTM)应用包括交通领域，包括电动汽车和船舶系统，住宅、工商业的电池储能系统。

世界上一些大型的电池储能系统包括Alamitos能源中心、Gateway储能系统（美国）、Hornsdale电力储备（澳大利亚）、Minety电池储能项目（英国）、Buzen和Rokkasho电池电厂（日本）、韩国Zinc储能系统（韩国）和昆山储能电站（中国）。

2020年，美国安装了1,464兆瓦的储能设备，超过了2013年至2019年该国部署的总储存容量。根据Frost＆Sullivan的分析，技术成本的降低和可再生能源的快速普及将推动全球电网电池储存容量从2020年的8.5 GW增长到2030年的134.6 GW。

图6.表前和表后电池储能的应用

BESS：买还是不买

全球能源储存市场提供了许多”现货”的电池储能系统，这些系统在电池化学、规模、功能、用途和价格等方面存在差异。以下是一些主要的BESS市场玩家：

新纪元能源（NextEra Energy） -这家公司是全球最大的风能和太阳能可再生能源发电商之一。它是电池储能系统的全球领导者之一，也是美国拥有最多储能运营容量的公司。

ABB -这家瑞典-瑞士跨国公司生产太阳能应用的电池储能系统。产品范围包括用于家庭、智能交通系统、公用事业和工业应用的基于锂离子电池的模块化解决方案。

比亚迪（中国） -比亚迪是全球最大的各种可充电电池制造商之一，生产用于各种应用的储能系统。他们的产品线包括大型公用事业BESSs，商业用模块化电池式ESSs和 小型电池存储设备。

松下（日本） -松下推出EverVolt家庭电池存储解决方案，可提供11至120 kWh的储能产品。EverVolt使用松下锂离子电池。

东芝（日本） -东芝提供SCiB系统 - 中大型锂离子电池储能解决方案。这些系统适用于公共、商业和工业需求。

Fluence -是西门子（德国）和AES（美国）合资的公司，提供三种电池储能产品：Gridstack（工业应用的电网级储能系统）、Sunstack（光伏储能系统）和Edgestack（商业储能系统）。

三星SDI（韩国） -三星是全球领先的锂离子可充电电池制造商之一。它的电池储能系统从kWh到MWh不等，并在家庭、发电厂、公用事业和商业设施中使用。

LG 化学（韩国） -LG提供电池解决方案，积累和储存太阳能为家庭供电，而不使用公用事业的电力。LG家用电池RESU系统体积小巧，使用锂离子电池。

通用电气（美国） -制造了广泛的电池储能系统，可用于独立应用和集成混合解决方案应用，基于太阳能、风能和热能。

日立（日本）-日立生产用于室内和室外的模块化锂离子电池储能系统。这些系统专为工商业应用而设计，并可与太阳能和风能以及柴油发电机相结合。

特斯拉（美国）-Powerwall和Powerpack是特斯拉制造的两种主要电池储能产品。这两个产品都基于可充电锂离子电池。Powerpack用于工商业应用，而Powerwall可以与光伏集成用于住宅使用。

NEC公司 -这家跨国日本公司生产20到53英尺不等的电池储储能系统。NEC 电池储能系统基于他们的专有软件平台AEROS®。

江森自控 -这是一家美国的集装箱式锂离子电池储能系统制造商。他们的分布式储能系统适用于50 kWh~200 kWh和150 kWh~5,000 kWh的应用。

全球电池储能市场供应充足。随着电池成本降低，现货成套的电池储能系统对消费者来说变得更加经济实惠。根据彭博社的报道，锂离子电池的价格（在电池的储能中占主导地位）在过去的10年里已经下降了90%，从2010年的约1200美元每千瓦时降至2020年的约137美元每千瓦时。彭博社报告称，到2023年，平均锂离子电池价格将跌至每千瓦时100美元。但归根结底，电池价格将取决于项目规模和存储容量——小规模项目的收费会比平均价格更高。

图7. 2011年至2030年锂离子电池价格下降。数据来源：Statista

除了电池之外，总的电池储能系统成本还包括能源管理系统、BMS、功率转换系统或逆变器和其他组件的成本。使用现成的BESS还可能需要安装、运营、维护和保修等费用。例如，特斯拉的Powerwall可提供13.5 kWh的可用储存容量，其价格可能达到10,500美元，包括光伏板系统和安装成本。松下EverVolt允许存储11.4 kWh至17.1 kWh的能量，其成本将从15,000美元到20,000美元不等，包括光伏板、安装和设置。

选择电池能量储存系统时，除了价格，你还应该考虑以下因素：

系统的完整性以及相关子系统和支持设备的可用性；

电池的化学、安全和其他特性；

硬件组件的质量、可用性和供货连续性；

软件可靠性。

因此，电池管理系统（BMS）软件在电池储能系统的整体性能中扮演着重要角色，因为它负责充电、放电以及电池安全。

一旦你准备购买”现货” 的电池能量储存系统，请确保你或你的员工具备足够的专业知识和资格，在购买并向你的客户交付之前，需检查整个系统的质量和完整性。

建立、维护和支持BESS可能还需要对你的人员进行培训，除非你愿意支付这些服务给BESS供应商。在购买电池储能设备时，请确保制造商提供的保修覆盖系统和组件故障。

购买现成的BESS肯定可以节省你的时间，特别是如果你需要一个没有特定消费者要求的即插即用解决方案。市场上有丰富的电池能量储存产品，很容易找到可靠的制造商和适合你客户需求的合适选项。

相反，现成的系统可能会有定价不合理的电子产品、质量不佳的预装软件和不必要的功能，这些都会增加成本。它们可能也缺乏最终用户所需的功能，或者无法满足消费者的行业和商业利基需求、运行条件和位置要求。此外，并不是所有的BESS供应商都提供全方位解决方案，从不同制造商购买组件和子系统可能会导致严重的兼容性和互连问题。开发自定义电池储能系统可能会成为值得考虑的替代方案。

建设BESS：优缺点

量身定制BESS可以弥补大多数电池储能系统提供商提供的现成解决方案所缺乏的内容。因此，它们可以满足潜在客户的确切需求。但是，实施定制产品是一项耗时和消耗资源的任务。构建电池储能解决方案属于大规模、长周期的项目，定制可能需要数月甚至数年的时间。

BESS是一个复杂的多层次工程系统，因此从零开始开发基于电池的储能解决方案需要对各种领域，包括电池技术、电力电子和嵌入式软件开发有深入的了解。在我们即将发布的文章中，将介绍与开发和实施电池储能系统相关的挑战。

选择正确的开发团队就是成功的一半；这就是为什么雇用受过良好培训且具有相关经验的专业人员至关重要。从零开始创建电池储能系统需要电子设计、电气工程、低级固件、高级软件和机械工程方面的专业人员进行复合型设计。

Integra Sources团队可能是您项目的最佳选择。我们为BESS的电池管理、双向功率转换、能源管理和安全系统设计PCB。我们的工程师实施监控和控制软件，并提供在线数据通信以进行远程BESS管理。我们创建可扩展的电池储能解决方案，具有快速响应时间、快速爬坡率和高效电源。与电网或可再生能源集成，我们的BESS可用于负载管理、电源备份、频率和电压调节、能量时移以及许多其他用途。

制造是制作自己的电池储能产品时必须面对的另一个重要挑战。BESS制造过程涉及多种任务，需要在不同的生产设施中进行。因此，协同是高效BESS制造的关键。

您还需要负责产品认证。除国际标准如IEC、ISO、IEEE和UL外，BESS很可能还需要满足每个国家的特定国家标准和认证要求。例如，在美国，储能系统还必须符合联邦能源监管委员会（FERC）、能源部（DOE）和一些州级监管机构的规定。

图8. BESS必须遵守特定于该地区和行业的国家和国际标准

2019年10月，澳大利亚和新西兰制定了AS/NZS 5139:2019- 一项联合标准，旨在为电池储能系统设定一般的安装和安全要求。此外，澳大利亚BESS制造商必须遵守其他许多国家和国际代码和标准。

认证标准也可能取决于BESS的行业和应用领域。例如，DNV提供了一份推荐实践，其中包含用于海洋系统中使用的储能装置的设计、性能、操作、维护和安全的指南。该文件包括对充/放电率、荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、放电深度（DoD）和许多其他系统参数和操作条件的规格说明。

从事BESS开发的工程团队必须精通认证要求和适用标准。这有助于减轻系统设计中的风险，并按时、在预算范围内向最终用户提供高质量的产品。

尽管存在许多挑战，但设计一款定制的BESS可以增强可用性，降低运营成本，并提高系统的可靠性。在深入挖掘市场后，您可以关注客户的需求，考虑”现货”BESS的缺点，并创建炙手可热，倍受欢迎的电池储能解决方案。

实现您自己的产品使您独立于任何特定的BESS提供商及其服务。您可以在没有中介的情况下，以快速的方式为客户设置、维护、支持和提供其他服务。

结论

BESS是一种多组件能量存储系统，能够存储不同量的电化学能量，并在以后用于各种目的，包括峰值削减、能源获利或黑启动。

电池技术的进步使得BESS成为轻便且价格实惠的解决方案，可用于住宅和商业用途，包括智能家居、大型工业设施和公用事业网格。建筑物、村庄、城镇甚至整个岛屿都可以使用与绿色能源集成的电池储存，实现可靠的自给自足电源供应。

BESS制造商提供各种存储容量的丰富选择，适用于任何应用和预算。然而，购买”现货”的系统需要对技术有强烈的认识，而现成的BESS可能不能满足最终用户的特定要求。

尽管设计复杂且项目周期长，定制的BESS可以满足客户的行业需求，解决他们的问题，并降低运营成本。找到合适的开发团队可以帮助您构建一个功能良好的定制解决方案。Integra在电池存储技术方面拥有深厚的专业知识，包括硬件和软件组件。根据客户要求，我们可以计算BESS的性能特征和设计成本，开发电子设备，编写固件，并构建应用程序以管理系统并远程通信。通过选择正确的组件和设计技术，我们将使您的产品具有可靠性、高效性和符合标准。因此，如果您想创建一个电池储能系统或需要专家意见来开发和实施它，请与我们联系。