BESS:主動式能源管理解決方案

作者:Andrey Solovev

在再生能源的拓展以及高效能源消耗的全球趨勢下,儲能解決方案備受關注,尤其是電池儲能系統。閱讀本文將有助於瞭解這些系統,以及使用這些系統的益處。

BESS 的運作原理

電池儲能系統 (BESS) 是複雜的解決方案,能讓充電式電池儲存能量,並在日後釋放。BESS 的類型與電化學或其使用的電池相關;這類系統可以採用鋰離子、鉛酸、鎳鎘、鈉硫和液流等多種電池。更廣泛的用詞則是儲能系統 (ESS),此類系統可能採用電池以外的多種儲能技術,如水力發電、飛輪、壓縮空氣等等。

若要瞭解 BESS 是什麼及其運作原理,檢視其結構和核心元件會有所幫助:

電池

太陽能、風力或發電廠等不同來源所供應的電能,會在電池充電過程中轉換成化學能。在電池放電期間釋出的能量,可供電給住家、車輛、商業大樓及電網。電池由單體電芯組成,可排列成電池模組、電池組和電池箱。

電池管理系統 (BMS)

BMS 能讓電池安全、正確地操作。每種電池類型都有特定的充電和放電條件。BMS 能確保電池維持在所需的電流、電壓和溫度範圍內。BMS 會監測參數並預估電池的充電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH),藉此確保電池的可靠與持久效能。

電力轉換系統 (PCS)

透過電力轉換系統的使用,BESS 會將直流電 (DC) 轉換成交流電 (AC),反之亦然。在電池充電期間,交流電自電源流入,再轉換為直流電。電池放電時會產生直流電,然後轉換回交流電以供應 BESS 應用所需的電力。

能量管理系統 (EMS)

EMS 是電池儲能系統的控制單元,可管理 BESS 的可用電力,即管理何時、為何以及以多少數量累積或釋出電力。EMS 能結合 BESS 的各個元件,並將整體效能最佳化。

安全系統

可由一連串安全系統組成,各自負責指定工作。舉例來說,HVAC 系統可讓 BESS 透過暖通空調來維持想要的溫度及濕度。防火系統可偵測煙霧並避免火災意外。

典型 BESS 結構的示意圖圖 1:典型的 BESS 結構。(圖片來源:Integra Sources LLC)

BESS 能做什麼?

每一年,電池儲能系統會供電給世界各地成千上萬個住家、企業、廠房與社區。系統的規模和儲能容量各異。

舉例來說,Tesla Powerwall 是緊湊型裝置,可用容量為 13.5 kWh,可為單一住家提供不中斷的電力。Vistra Moss Landing 儲能設施是全世界最大的 BESS,總容量達到 1,600 MWh,可提供電力給 300,000 個住家。

儘管尺寸和儲能容量存在差異,但 BESS 能夠實現類似的功能,並解決類似的問題。我們來看看電池儲能可派上用場的案例。

再生能源整合

BESS 能在各種天氣情況下隨時有效利用太陽能和風能。充電式電池能儲存間歇性再生能源所產生的多餘能量。之後,此能量可根據使用者的需求進行分配。

若與電池儲能解決方案進行整合,再生能源可取代石化燃料,為多樣應用提供便宜且潔淨的能源。再生能源整合已廣泛用於:

  • 太陽能和風力電廠
  • 離網及隔離型社區 (島嶼和偏僻區域)
  • 住家儲能裝置結合太陽能板 (如 Powerwall)

除了離網系統,BESS 還能大力支援電網與混合式解決方案,供住家、商業和工業用途使用。

太陽能和風力電廠的圖片圖 2:電池儲能系統已廣泛用於太陽能和風力電廠。 (圖片來源:Integra Sources LLC)

能源套利

電力需求與其成本之間有正相關性。電力價格會在需求尖峰期間提高,在需求減少時降低。消費者可以使用電池儲能系統進行能源套利 (又稱時間移轉)。

消費者可在離峰時段以低成本將電池充電,再透過 BESS 將電力儲存起來。接著可以等到電力價格上升時將電池放電,以使用低價電力或將其出售給電網。

因此住家和企業能有效地管理電力資源,減少成本。

負載管理

電力在一天當中的消耗量各異,也會因季節變化,而有尖峰和離峰時段。BESS 能讓使用者在這些時段中游刃有餘地調整能源消耗,並節省電力成本。

尖峰用電調節是 BESS 負載管理中最常見的使用案例之一。其重點在於減少尖峰時段的電力消耗。除此之外,消費者能夠像能源套利一樣,減少自己的電費開支。

電池儲能解決方案有助於避開電網的尖峰負載,因此也能避免停電和其他緊急情況。將儲存的能量放電,BESS 就能將電網卸載並且持續供電不中斷。

全黑啟動

BESS 可協助發電廠和電網在停電後快速恢復供電。消費者不再需要使用柴油發電機,可使用電池儲能系統;這種系統是成本更低且更節能的全黑啟動解決方案。BESS 能獨立於電網傳輸線路作業,並按所需的時間 (從數分鐘到數小時) 供應電力。

電力備援

BESS 能提供電力給住家、企業和其他設施,確保其持續運作。對於醫療保健機構和其他提供健康及安全相關服務的組織來說,這點至關重要。根據儲能容量,BESS 能按所需時間長度提供備援電力,即使是電網嚴重故障也沒問題。

頻率和電壓控制

假如電源供應器無法同步滿足實際需求,頻率和電壓可能會超出操作限值。這可能會導致失去電力與停電。BESS 能透過電壓與頻率的調節,確保電網和電力系統的穩定性。由於電池儲能系統的反應時間快速,因此可以成為有效的電網平衡解決方案。

微電網

有些小電網在連接到較大的電網時,可供應電力給商業大樓、製造廠房或社區。自主性微電網可供電給島嶼等偏遠地區和社區。微電網在結合 BESS 並整合再生能源後,就可作為彈性電力系統,供多個使用者使用。

微電網可作為彈性電力系統示意圖圖 3:微電網可作為島嶼等偏遠地區和社區的彈性電力系統。(圖片來源:Integra Sources LLC)

傳輸和配電延遲

傳輸與配電 (T&D) 線路因尖峰負載及擁塞而容易老化與折舊。電池儲能解決方案可充當 T&D 資產的角色,藉此解決問題。BESS 能提供額外的儲能容量並平衡負載,因此能推遲既有 T&D 線路升級和建構新基礎設施的時間,進而節省大量資金。

最適合使用 BESS 的應用為何?

BESS 需仰賴價格實惠的技術,例如鋰離子電池的價格在過去 10 年已下降近 90%,而且還會進一步下降。電池儲能解決方案擁有多種配置,可提供不同的儲能容量與尺寸,因此能配合眾多產業與應用。

這些應用可分為電錶前 (FTM) 應用,即公用事業規模系統 (消耗的電力是以電錶測量);以及電錶後 (BTM) 應用,即提供可在現場使用的電力 (消耗的電力無法連接到電網,因而無法透過電錶測量)。以下提供 FTM 和 BTM 的 BESS 應用清單 (很顯然不是完整清單)。

電錶前應用

對於公用事業規模的設施與設備的運作及維護,電池儲能系統可帶來相當大的貢獻。BESS 能提供儲備的容量與全黑啟動服務,帶來電壓與頻率穩定性,並藉由推遲維護來節省資金。FTM BESS 的應用包括:

  • 公用事業電網
  • 變電所
  • 傳輸和配電線路
  • 發電廠

電錶後應用

BTM 系統能繞過電網供電給消費者。BESS 搭配綠色能源後,即可持續支援獨立式電力系統和微電網。製造商可使用電池儲能系統達到電力備援,以免生產設施停機。透過 BESS,公司與家庭就可藉由能源時間移轉,大幅減少電力開銷。BTM 電池儲能系統可用於:

  • 工業與製造設施
  • 商業
  • 家用
  • 電動車
  • 航海系統

BESS 應用示意圖圖 4:BESS 應用。(圖片來源:Integra Sources LLC)

打造 BESS 有意義嗎?

簡單來說是有意義的。若要詳細回答,則需要一些澄清。

毫無疑問,購買立即可用的 BESS 能節省許多時間,有時還能節省大量資金。如果系統沒有特殊需求,可從市面上眾多現有儲能產品中,選擇即用型解決方案。即便如此,還是有幾個理由會導致消費者卻步,包括:

  • 特定客戶要求,包括商業利基需求及作業條件
  • 缺乏需要的功能,或不需要的功能徒增系統成本
  • 系統不完整及缺乏支援設備
  • 低品質的軟體
  • 缺乏保固和保固後維護

打造電池儲能系統可能是冗長的程序,需要時間、金錢和專業知識。但這樣便有機會打造出高度客製化的解決方案,完全滿足最終使用者的所有需求。

訂製的 BESS 能提供改進的功能、使用性、安全性與網路安全性。若實作進階的 BMS 演算法,就可讓使用者增進電池效能並延長其壽命。開發客製化解決方案,就可達到最佳化的技術支援、客戶服務,以及最終使用者或 BESS 供應商所需的其他服務。

要設計出高品質的 BESS,需要清楚瞭解電池技術、電力電子元件、嵌入式軟體和硬體開發的專業團隊。在打造產品的各個階段中,從設計到認證及製造,都務必妥善安排並加以協調。僱用具有相關專業與經驗的工程師,有助於打造出符合客戶期望的成熟電池儲能系統。

話雖如此,客製產品並非萬靈丹。還是要依照個別情況來考量是否製作客製化 BESS;對某些專案來說,立即可用的解決方案或許才是最佳選擇。若要進一步瞭解客製化與現成 BESS 產品的比較,可閱讀 Integra Sources LLC 部落格中關於電池儲能系統的長篇文章。讀者可從此處瞭解各式各樣的電池技術及特性、主要的 BESS 製造商、替代的儲能系統,以及其他相關細節。

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關於作者

Andrey Solovev

Andrey Solovev is the co-founder and Chief Technology Officer of Integra Sources. He earned a Ph.D. in Physics and Mathematics at Altai State University.