并网模块化SSB蓄电池储能系统综述：配置分类、控制进展与性能评估

2026-07-04 10:34:58

在曩昔的十年中，电池储能体系选用模块化规划的电池储能体系（BESS）已取得明显开展，被证明在大规模并网使用中具有明显优势。但是，尽管其使用日益广泛，现在仍缺少专门针对该主题的总述性论文。本文旨在添补这一空白，经过对模块化BESS进行全面概述，包含直流侧或交流侧根据并联或级联衔接的四种模块化电气配备分类，并供给实践使用事例。此外，本文还总结了模块化BESS中选用的多样化操控办法，包含功率流操控、容错操控以及电池 %% 均衡操控。本文还对不同模块化电池储能体系(BESS)配备进行了具体的功能评价，包含功率、成本等方面， %% 电池办理等范畴。此外，本总述论文探讨了模块化电池储能体系未来研究的潜在方向，为其开发与使用供给了宝贵的见解和辅导。经过对模块化电池储能体系进行全面剖析，本文为从业电池工程师和新式研究人员深化对该技能的理解与推进其开展做出奉献，从而促进该技能在未来使用中的整合与利用。battery management, etc. Additionally, this review paper discusses prospective avenues for future research in the field of modular BESSs, offering valuable insights and guidance for their development and application. By providing a comprehensive analysis of modular BESS for practicing battery engineers and aspiring researchers, this paper contributes to the understanding and advancement of this technology, thereby facilitating its integration and utilization in forthcoming applications.

引言

并网电池储能体系（BESS）可服务于多种使用场景[1]，美国能源部与电力研究院将其服务功能划分为四类（如表1所列）[2]。其中服务组I和IV属于终端用户侧的计量后端使用，而服务组II和III则是以电网支撑为首要目的的计量前端使用。
由于电池材料的电化学特性，所制造电芯的标称电压仅为1V至4V。典型标称容量可从数安时到数千安时不等。为满意中压交流电网（MV，3.3kV及以上）兆瓦/兆瓦时级电池储能体系（BESS）的功率与能量需求，需构建如图1所示的大规模电池堆。电池体系首先经过串联或并联构成电池模块（标称电压48V-100V，标称容量1kWh-10kWh），随后多个模块串联构成电池架或集群（标称电压700V-1.5kV），最终多个电池架并联构成标称容量50kWh-2.5MWh的电池堆[3]。但是，大规模电池堆存在电压与容量的上限束缚。
一方面，串联电芯/模组数量不宜过多，以防止电芯与模组间的不一致性。这能减轻电池办理体系（BMS）的担负，由于多数商用BMS经过耗散型均衡拓扑完成的实践均衡能力十分有限。此外，选用过多串联电芯/模组可能导致衔接点绝缘功能下降，引发拉弧或触电等安全隐患。为平息不存在过零点的直流电弧，需选用昂贵的中压直流断路器，这将明显增加总成本。此外，更长的串联结构会因电缆长度增加和接触器数量增多而提升体系内阻[4]。因而依据IEC标准，主张电池堆的最高电压不超过1.5kV[5]。
另一方面，电池堆中并联衔接的机架数量亦存在约束。实践使用中，各机架的开路电压存在差异。如图1所示，这会导致机架间产生数安培至数十安培的环流，从而引发单体电池过充/过放、功率下降以及温升等问题[3]。
曩昔十年间，模块化或可重构配备[6,7]在中压电网接入的大规模并网型电池储能体系中日益普及并展现出明显优势，这首要源于单一电池堆串并联数量受限的固有束缚。模块化规划不只支撑容量扩展包布置，还能提升故障冗余度并简化维护流程，一起保证储能体系继续不间断供电运转。
模块化电池储能体系(BESS)的典型子模块(SM)结构如图2所示，分别对应直流输出与交流输出两种类型。每个SM中选用极少并联的电池架，甚至单个电池架或模块作为电池组，以减轻电池办理体系(BMS)担负、下降环流并提升功率。在功率转化体系(PCS)方面，直流-直流变换器一般选用降压/升压拓扑[8]和双有源桥(DAB)拓扑[9]；而直流-交流变换器则多选用低压(LV)两电平(2L)变换器及三电平(3L)中性点钳位(NPC)变换器[10]。随后，多个SM将与滤波器、变压器及其他配备衔接，一起构成并网型BESS。
迄今为止，关于并网型电池储能体系（BESS）已有多篇总述发表，如表2所列[3,8,[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。这些总述首要围绕三大核心范畴打开：功率转化体系（PCS）拓扑结构、操控办法及BESS使用。例如，Wang等[10]与Xavier等[13]经过典型事例研究，归纳考虑功率、电能质量及元件数量等要素，对并网型PCS拓扑结构进行了全面剖析与比较。其他研究者还总结了多种并网型BESS功率操控办法[3,14]。Eroǧlu等[15]深入研究了根据多电平变流器的电池储能体系（BESS）配备及其配套的电池均衡操控办法。在BESS使用方面，Hesse等人[12]为锂离子电池储能体系供给了挑选最适合电池技能、体系规划和运转战略的归纳指南，以满意特定需求。Stecca等人[16]进一步总结了并网型BESS可完成的多样化功能，包含其在配电网中的容量配备、选址及操控战略。最终，Rouholamini等人[17]总述了电池建模、电池办理体系架构、BESS参加电力商场服务整合、全球公用事业级电池储能设施等要害议题，以及BESS实施与办理过程中面临的相关应战。
但是，据我们所知，现在尚缺少针对模块化构型大规模电池储能体系（BESS）的全面对比性总述文章。如前所述，模块化BESS在实践使用中布置更为广泛，具有重要的归纳总结价值。此外，关于重视模块化BESS但缺少并网构型与操控专业知识的电池范畴研究人员而言，如何在浩如烟海的文献中获取简明扼要的概览而不被吞没，仍是一项应战。因而，本文的核心目标是经过供给简明易懂的对应配备分类总述与操控发展归纳剖析（附实践现场使用事例），添补这一研究空白。此外，文中开展的具体功能评价将为未来使用供给具有价值的实践辅导与洞见。预期本论文将引起广泛读者集体——特别是相关范畴从业工程师与青年研究者的高度重视。