小刘：为学习储能系统的基础知识翻译了《energystoragearchitecture》一文，过去项目中实际遇到的一些问题如系统的可用性、接地方式的选择、绝缘监测、变压器损耗等文中都进行了概念性的介绍。适合初学者，比较熟悉储能技术的同学们可以不用看。

1概述

当我们谈到一个系统的架构时，我们指的是系统的组件是如何互连、组装、配置和控制的。系统的外部可能带有用户界面、工业设计的华丽外观（小刘：这句话对工业设计有误解啊！），但内部包含的组件以某种方式互连，以执行预期功能。类似地，建筑物的架构是其基本的结构设计，包括外表下的梁、墙、地板和基础设施。这种结构支持了建筑物的功能以及人类在其相互连接的房间和走廊中的各种活动。同样的，储能架构通过互连的导线和管道系统影响者能量和物质的流动、进出容器或化学状态，同时支持了客户的电网性能和效率。

1.1架构目标

理想情况下，最佳储能技术和架构的结合将为客户的电网提供最大的利益，同时为其运营商保持最高的可用性和安全性以及最低的生命周期成本。虽然这些都是有价值的目标，但实际上不可能通过选定的技术和架构完美地实现每一个目标。一些架构将提高技术的可靠性；有些会提高短期性能，而另一些可能会降低系统的成本。

在选择最适合特定项目或市场的架构时，系统设计人员应确定哪些方面对其客户最重要，然后选择一种能够有利于这些方面的系统架构。

以下的内容描述了储能基本子系统的一些常见架构，并说明它们如何实现重要的应用属性，例如可靠性、性能、成本效益和安全性。

1.2储能系统子系统

储能系统(ESS)由一组子系统组成，这些子系统向负载或电网提供电力和能源服务，同时确保适当的工作条件和组件以最佳状态运行。ESS的四个基本子系统（如图1.1所示）是能量存储、功率转换、热管理和能量管理。

图1.1四个ESS子系统的典型布置和交互

存储在ESS中的能量通过功率转换子系统转换为可用功率，该子系统还调节存储能量进出电网或负载的流量。热管理子系统通过增加或减少ESS组件的热量来维持它们工作在最佳工作温度。最后，能源管理子系统监控其他ESS子系统和电网的状况，并根据预先编制的计划控制每个子系统的运行，从而在最大限度地为其所有者带来利益。

1.3系统效率和损失

效率是储能的一个重要方面，因为它影响储能项目的经济性。在存储过程中损失的能量越多，需要的发电量就越多来弥补这种损失；因此，不仅要运行储能，还要运行电网，成本就越高。在系统的每个子组件中都可以找到导致效率降低的损失。由于从电网一直到最后一个电池单元的每根电线、连接器和开关设备的电阻，都会产生传导损耗。电池中的进一步损耗源于离子电化学不愿穿过电池结构内的各个层，以及存储过程中发生的其他化学反应。电源转换系统(PCS)在处理进出存储的能量时，有其自身的一组损耗，这归因于其开关设备。变压器(XFMR)具有与大容量铁芯励磁相关的负载损耗和空载损耗。大多数子组件也有一些来自控制的辅助功率损失，监控、冷却和加热。

图1.2储能系统放电过程中的损耗示意图

图1.2的作用在于计算储能系统每个元件中放电期间的损耗。根据图1.2中的损耗图，可以使用以下公式计算总损耗：

其中PBat是电池内部的理想功率。公式可以简化为：

其中PGrid是在互连点被电网吸收的功率，ηTotal是ηX、ηP和ηB的乘积，表示总的单向放电效率，不包括辅助功率损耗。Ploss包括一个PAux/ηTotal分量，因为PAux在放电期间由电池提供，并且由于该功率依次通过电池、PCS和变压器，因此应用了1/ηTotal因子。

在比较系统架构时，重要的是要考虑与每个潜在选择相关的能量损失的差异。例如，需要较少控制和监控设备的架构通常需要较少的辅助电源。采用数量更少但容量更大变压器的架构将效率更高，因为更大的变压器通常效率更高。对于给定的功率水平，实现与具有较低输出电压的电池相似的效率相比，具有较高输出电压的电池需要更少的铜材。

2储能架构

储能子组件可以采用多种方式架构。通常而言具体储能技术的选择依赖系统的架构。例如，大型、大容量能量存储会要求采用单体方案，而由许多小型电池组成的能量存储将适用于多个组件并联的架构。

2.1单体大容量储能

单体大容量储能是最简单的储能架构，多余的电网能量存储在一个地方，并通过一个或多个功率转换单元将能量传输到该处或从该处传输到其他地方。几种采用单体大容量储能的技术，例如，抽水蓄能设施将机械能储存在一个大型水库中，例如大坝后或山顶[1]（见图2.1）。

图2.1抽水蓄能设施显示由一条水道连接的上下水库（来源：美国能源部

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