电网是人类有史以来最大的机器。它采用供应侧模型运行——电网采用供需模型运行，试图平衡供应和终端负载以保持稳定性。当供应不足时，频率和/或电压会下降，或者电源会变暗或断电。这些都是电网努力避免的糟糕时刻。电网
由大量部件组成，包括：
- 使用水力、热力、核能、天然气、石油、煤炭、太阳能、风能、潮汐能和其他电源的发电机。
- 升压变压器将发电电压提升至输电线电压。
- 长输电线路。
- 降压变压器（变电站）将电压降至本地输电水平。
- 街道变压器提供消费者级电压（240V、110V 和 400V 三相）。
传统上，它没有任何方法来储存电力以满足需求激增。这意味着，在没有配备 BESS 的电网中，任何产生的多余电力都必须在电网中消散。发电机必须保持旋转，随时准备在需求激增超过已连接的供应时连接 - “旋转储备”。在管理良好的电网中，旋转储备可以达到容量的 15-30%，以应对需求激增。电池储能系统是解决供需缺口的工具，可以储存多余的电力以在需要时提供。BESS
原理
电池储能系统 (BESS) 正在成为我们稳定电网、整合可再生能源以及通常储存和利用电能的革命中的关键。BESS 通过将电能存储在可充电储备中来运行，这些储备随后可以放电以满足本地或电网规模的需求。也许最重要的是，这些电池储存的储备可以快速切换到电网供应，因为需求或频率/电压不稳定会自动触发它们。
Cummins Inc. 的 BESS 主要目标是为电表后方提供支持，并整合到电表前方电网运营支持中。这与离网和并网应用、站点可再生能源的本地整合或不可靠电网连接的电源备份都相关。
虽然这些存储系统需要投资，但它们提供了一些巨大的优势，可以代表压倒性的好处。其中最主要的是响应速度。电池储备通常可以以惊人的速度切换到电网同步交流电 - 通常在
交流电频率的几个周期内（50-60 周期/秒或 Hz）。提供给电网的电价最高是快速响应的供应，因此存储电力的商业价值可能是正常价格的 10 到 100 倍。
正确的电池技术可提供长期稳定的储备 - 如果需要，典型的锂电池技术可以保持多年的高功率水平。液流电池可以几乎无限期地保持电力。BESS
如何工作？
能量存储始于充电器系统。这会利用“多余的”交流电网或直流太阳能，并对其进行调节以给电池充电。这可以是快速充电，也可以是慢速充电，具体取决于设置和可用电流。BESS
系统可以通过时移低成本电力并平稳整合太阳能、风能等可变能源，从而显著提高本地微电网效率，通过时移和缓冲几乎充分利用其输出。
在电池单元（最常见的是锂电池）中，能量以电化学电位的形式存储，电化学电位以直流电位差的形式提供，而不是电网所需的交流电。单个电池是电池组的构建块，它们互连成封装的电池簇（称为电池组），以构建容量、可靠性和持久性能。电池可以是圆柱形、棱柱形或袋式结构。
圆柱形电池可以提供更好的冷却循环，但填充密度较低。棱柱形电池堆叠紧密，可优化密度。袋式电池可用于适应更不规则的腔体，并且由于缺乏刚性外壳，因此重量更轻。
电池组集成到模块中，这些模块可自动监控充电/放电管理、状态监测和冷却。这些模块在精细和自动化的层面上平衡性能、安全性和可靠性，充当单个电池和高级存储系统控制之间的中介。
多个模块在集装箱式电力存储解决方案中聚合和控制。它们通常被称为储能单元 (ESU) 或电池储能系统 (BESS)，包含所有必要的组件，包括：
- 电力电子：管理系统内外的能量流动，确保与电网或独立应用无缝集成。这涉及使用逆变器和电源转换模块将交流电转换为直流电以给电池充电，以及使用相位耦合逆变器将直流电存储的电化学电位以交流电形式返回电网。相位耦合确保交流电与电网连接的周期同相，以提供最佳的电源效率。
- 热管理系统：调节温度以优化电池性能和寿命。
- 安全机制：减轻过热或过度充电等风险，并处理因系统故障导致的罕见紧急情况。
值得注意的是，电池充电并非免费。通常，充电过程的效率约为 70-75%。这意味着对于电网提供的 100 个单位的多余电力，电池组将吸收 70-75%，稍后再作为可用电力返回。其余部分则以热量形式损失。
电池化学和基础技术的不断进步与系统设计和控制算法创新相结合。这样做是为了提高 BESS 的效率、可靠性和预算挑战，塑造全球电网的未来。BESS
有哪些不同类型？
运营和商用 BESS 设置有多种类型，每种类型都具有独特的特性，更适合特定的应用、环境或操作差异。虽然控制和电池管理系统 (BMS) 中的许多技术细节不同，但从本质上讲，BESS 是根据它们采用的电池/电池系统的性质进行分类的。下面列出了不同类型的 BESS：
- 锂基系统：这些系统包括锂离子钴氧化物 (LiCoO2)、锂离子镍钴铝氧化物 (NCA)、锂离子镍锰钴氧化物 (NMC)、锂离子磷酸铁 (LiFePO4)、钛酸锂 (LTO) 和固态锂离子。由于它们具有高能量密度、长深循环寿命和相对较低的维护要求，这些是最常见的 BESS 类型。它们适用于 BESS 遇到的所有操作模式。
- 液流电池：将能量储存在外部储罐中的液体电解质中。它们具有可扩展性和较长的循环寿命，是大型永久安装储能应用的最佳选择。例如，钒氧化还原液流电池 (VRFB) 可提供非常长时间的存储和灵活的功率输出。
- 铅酸电池：用于储能已有 150 多年的历史，因其低成本和耐用性而广受好评。虽然与更先进的技术相比，铅酸电池的能量密度要低得多，循环寿命也更短，但它们在某些应用中仍然适用，例如备用 UPS（不间断电源）电源系统和较小的（通常是家用的）离网装置。
- 钠硫电池：在高温下运行，使用熔融的钠和硫作为储能介质。它们具有高能量密度，非常适合大规模应用，例如电网稳定和可再生/垃圾能源整合。
- 超级电容器：以静电荷形式储存能量，提供最高程度的充电和放电能力。虽然它们（目前）的能量密度低于电池，但它们在需要频繁循环的应用中表现出色，例如用于平滑微电网中短暂功率波动的短期镇流器。
电池类型的优缺点
BESS 系统可以使用各种类型的电池，这些电池各有优缺点，值得考虑。例如，磷酸铁锂 (LFP) 电池比锂聚合物 (LiPo) 具有更长的深循环耐久性，并且它们能够抵抗枝晶生长，因此不存在火灾风险。它们的第一天容量略低于 LiPo，但经过几百次循环后，它们的容量会保持得更好。
另一方面，镍锰钴 (NMC) 电池的深循环寿命比 LFP 短，但它们的功率密度更高，寒冷天气性能更好，尤其是在充电时，这可以降低运营开销。
正是由于这些原因，NMC 和 LFP 电池在 BESS 应用中越来越普遍。
锂电池的工作原理
锂电池通过电化学反应发挥作用，其中锂离子在电池的正极 (阳极) 和负极 (阴极) 电极之间移动，材料运动被隔板阻挡，从而允许离子在电解质中传输。锂电池通常包含由锂化合物（例如 LiCoO2、NCA、NMC、LiFePO4 和 LTO）形成的阴极（+ve）。这些在较新的固态实施例中仍然很常见。
阳极（-ve）通常由碳（石墨或石墨烯）制成。涂在电极上的涂层有助于阻止枝晶的形成，枝晶是形成在电极表面的金属线，可能会刺穿隔板并导致短路。这些涂层包括聚合物或陶瓷，具体取决于制造商。
电极之间通常有：
- 电解质：锂电池技术中使用的电解质有三类，包括：
- 液体电解质：溶解在有机溶剂中的锂盐，通常含有阻燃添加剂。锂盐是传输电荷的离子导体；有机溶剂具有高离子迁移率，添加剂可优化电解质的稳定性、导电性和安全性。
- 聚合物基凝胶电解质：它们具有高离子电导率，但泄漏的可能性大大降低。聚合物基质充当胶凝剂，根据设计，它们不会对溶剂内的离子运动造成障碍。锂盐的作用方式相同，但凝胶型电池可提高电池安全性和循环寿命。
- 固态电解质：液体电解质的新替代品，可提高安全性和稳定性，可作为防止枝晶形成的屏障，并提高电池的热稳定性和化学稳定性。这有助于提高充电和放电速率，而不会增加风险。
- 隔膜：多孔膜结构，在阳极和阴极之间形成物理间隙，同时允许锂离子在充电和放电过程中通过。隔膜通常由高孔隙率聚乙烯 (PE) 制成，通常包含聚丙烯 (PP) 元素以提高坚固性。
在充电过程中，锂离子通过电解质从正极被电“推”到负极，并被吸附到阳极碳上/内。充电过程中，电子在外部电路中从阳极流向阴极。充电电流将电子从阳极推向阴极。放电过程中，这些离子移回正极，释放电能，电流在外部电路中从阴极流向阳极。电极材料内的晶体结构极大地促进了这种离子运动，并在充电和放电过程中通过外部电路的电子流为离子运动提供能量。
锂电池的电压和容量随电极/电解质化学性质和内部设计而变化，每个电池的电压范围为 3.6 V 至 3.7 V。容量与电解质的量以及电极的尺寸和结构有关。放电率取决于许多细节以及电池和电池组内的内部安全系统。这些可防止过度充电、过度放电和热失控。
BESS 内的系统
电池储能系统 (BESS) 通常由以下部分组成：
电池原材料和结构
锂离子电池有三种基本形式 - 刚性圆柱形、刚性棱柱形（方形或矩形截面）和非刚性袋式电池。所有这些电池的原材料通常包括：
- 离子锂盐：允许细胞内电荷移动
- 有机溶剂：充当电荷载体，使电流在电极之间流动。根据电池技术，可以是液体、凝胶或固体。
- 钴：用于阴极以提高稳定性
- 阴极中的镍、锰和铝：用于减少钴的使用
- 石墨：这些存在于典型的阳极结构中，但为了获得更高的容量和坚固性，正在向硅发展
- 粘合剂（通常为聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚乙烯醇 (PVA)、羧甲基纤维素 (CMC) 或苯乙烯-丁二烯橡胶 (SBR)）：整合并增强电极材料
- PE 和 PP 多孔隔膜：隔离电极并允许离子移动
- 外壳材料——钢、铝或聚合物管（用于圆柱形和方形电池）以及用于袋式电池的热封聚合物薄膜：电池外壳密封电解质并确保化学物质的电气和物理隔离。在少数情况下，热隔离至关重要，可以使用陶瓷外壳——而在航空航天应用中，则使用碳纤维等轻质复合材料。
集装箱式 BESS 的主要组件（康明斯图片）
其他组件
一个功能齐全的 BESS 集装箱系统或安装还包括以下内容：
- BESS 控制器：该系统监督运行电力分配、管理充电，并进行操作监督和安全控制。
- 结构框架和外壳：用于容纳和保留电池模块。
- 电池管理系统：监控和控制电池性能，确保安全和效率。
- HVAC 冷却系统：调节集装箱内的温度，防止高充电或放电期间过热，以实现最佳运行。
- 电网同步逆变器：将电池的直流电转换为频率同步的交流电，用于电网连接或其他应用。
- 交流到直流转换器（整流器）：将电网交流电转换为适合电池充电的直流电压。
- 变压器：用于提高或降低电压水平以满足电网或本地系统要求。
- 冷却系统：BESS 设置的许多元素都需要温度控制才能正常运行。
- UPS：BESS 系统可以作为高容量不间断电源 (UPS) 运行。
- 灭火系统：检测并扑灭火灾以保护设施。
BESS 应用
BESS 安装适用于各个领域的各种应用，包括：
- 电网稳定和频率调节源于对本地（或更广泛）电网需求或供应突然变化的快速响应。这使得 BESS 装置能够在需求减少（或供应过剩）期间吸收过剩能量，并在需求增加时释放储存的电力，从而有助于稳定频率和电压。
- 可再生能源整合需要在峰值时缓冲供应，并因此实现电力供应的平稳。BESS 装置可以储存太阳能和风能中常见的无用过剩供应。平滑可再生能源的破坏性波动可以消除供应过剩和中断带来的“垃圾电力”影响。这可以让可再生能源更多地渗透到电网中，而无需依赖热能来弥补短暂（或更长时间）的供应中断。
- 调峰和负荷管理是 BESS 的关键服务，通过在价格低的非高峰时段储存能量并在价格高的高峰时段释放能量，可以降低电力成本。这种调峰有助于缓解高需求期间电网的压力，并减少对昂贵的峰值发电厂的需求。在分布式微电网中，这意味着需要更少的燃料（柴油），发电机压力和维护成本也会降低。
- 微电网支持类似于调峰，因为 BESS 可以提供备用电源、负载平衡和电网支持服务。这提高了微电网的可靠性和弹性，确保不间断供电并优化可再生和热能资源的使用。
- BESS 极大地增强了电动汽车充电基础设施，通过提供响应更快的快速充电能力和管理峰值需求来支持电动汽车的部署。在不使现有基础设施超载的情况下将大量电动汽车整合到电网中是电网面临的最大挑战，而 BESS 在安全管理峰值需求方面至关重要。
- BESS 可以为关键的工业和商业设施提供不间断电力，确保在电网中断或停电期间的无缝运行，并通过灵活的需求响应降低电力成本。
- BESS 可以安装在家中，通过储存太阳能电池板产生的多余能量或在供应量大、需求量低的时段产生的多余能量以供日后使用，使电表后电力系统更加高效/成本更低。
- BESS 可在偏远或离网地区提供可靠的电力，这些地区电网接入受限或无法接入。它们可用于电信、远程监控和农村电气化项目等应用。
为什么 BESS 对按需储能系统至关重要？
BESS 在自我修复、抗脆弱电网中发挥着越来越重要的作用。它们有助于整合可再生能源，提高能源效率，增强电压/频率可靠性和整体系统弹性。
谨慎使用 BESS 可以消除电网在适应间歇性（太阳能、风能、潮汐能、波浪能）电源方面的运行限制，这些电源在供应过剩时被视为垃圾电力。旋转备用要求将大多数电网限制为 15-25% 的间歇性电源。然而，每当 BESS 充当缓冲时，这个旋转备用就可以是 BESS 系统，不会浪费能源。这种多功能可扩展性使 BESS 在向更可持续、更具弹性的能源未来过渡的过程中不可或缺。
