關(guān)于大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)分析

　　大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已有20多年的歷史，早期主要用于孤立電網(wǎng)的調(diào)頻、熱備用、調(diào)壓和備份等。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用，國(guó)外也已開(kāi)展了一定的研究。上世紀(jì)90年代末德國(guó)在Herne1MW的光伏電站和Bocholt 2MW的風(fēng)電場(chǎng)分別配置了容量為1.2MWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，提供削峰、不中斷供電和改善電能質(zhì)量功能。從2003年開(kāi)始，日本在Hokkaido 30.6MW風(fēng)電場(chǎng)安裝了6MW /6MWh的全釩液流電池（VRB）儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于平抑輸出功率波動(dòng)。2014年8月18日，國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程220千伏智能變電站成功啟動(dòng)。

　　作為國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的首批試點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范土程是目前國(guó)內(nèi)最大的并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站、國(guó)內(nèi)陸上單機(jī)容量最大的風(fēng)電場(chǎng)、世界上規(guī)模最大的化學(xué)儲(chǔ)能電站，智能化運(yùn)行水平最高、運(yùn)行方式最為多樣的新能源示范工程。

　　儲(chǔ)能電站（系統(tǒng)）在電網(wǎng)中的應(yīng)用目的主要考慮“負(fù)荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量、孤網(wǎng)運(yùn)行、削峰填谷”等幾大功能應(yīng)用。比如：削峰填谷，改善電網(wǎng)運(yùn)行曲線，通俗一點(diǎn)解釋，儲(chǔ)能電站就像一個(gè)蓄水池，可以把用電低谷期富余的水儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰的時(shí)候再拿出來(lái)用，這樣就減少了電能的浪費(fèi);此外儲(chǔ)能電站還能減少線損，增加線路和設(shè)備使用壽命。

　　國(guó)內(nèi)從2014年開(kāi)始，大規(guī)模開(kāi)始發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文主要簡(jiǎn)單介紹儲(chǔ)能系統(tǒng)。

　　圖1

　　二 離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又稱為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由PV組件，DC/DC充電控制器、離網(wǎng)逆變器以及負(fù)載組成。

　　圖 2

　　離網(wǎng)系統(tǒng)由以下部分組成：

　　電池組件、光伏充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)逆變器、交/直流負(fù)載。

　　光伏充放電控制器，主要作用就是控制蓄電池的充、放電，并保護(hù)蓄電池過(guò)度充、放電。離網(wǎng)逆變器，離網(wǎng)逆變器的作用是把直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能，并提供給負(fù)載使用的裝置。

　　我們常見(jiàn)的離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)就是太陽(yáng)能路燈。光伏組件、一個(gè)香煙盒大小的控制器、一盞幾十瓦LED燈、一組或者幾組蓄電池。就可以提供夜間照明了。

　　再大一點(diǎn)的離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)就是“戶用系統(tǒng)”了，作者2006年剛剛?cè)胄袝r(shí)，國(guó)內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)正處于萌芽階段，國(guó)家為了解決青海、西藏西北地區(qū)的牧民用電問(wèn)題，實(shí)施了幾次“光明工程”，就是一家一戶發(fā)一套光伏“戶用系統(tǒng)”。

　?。ó?dāng)時(shí)150Wp多晶硅還買到20塊一瓦）一套戶用系統(tǒng)大約300W，2塊電池板、一臺(tái)控制逆變器一體機(jī)、12V100AH的電池2-4塊?？梢栽谕砩峡匆壕щ姵?、LED燈照明、也可以用一些小的電動(dòng)機(jī)（藏民攪拌酥油、奶的機(jī)器）

　　更大一點(diǎn)的離網(wǎng)電站，作者參與過(guò)多個(gè)。其中比較經(jīng)典的是北京慧能陽(yáng)光“青海玉樹(shù)宗達(dá)寺”100KW離網(wǎng)太陽(yáng)能電站。這個(gè)寺廟有200多個(gè)喇嘛，每天用電100度，這個(gè)電站的建設(shè)解決了這些喇嘛的用電問(wèn)題。

　　圖 3

　　三 并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　圖 4

　　3.1 系統(tǒng)組成

　　在圖4方案中，儲(chǔ)能電站（系統(tǒng)）主要配合光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用，因此，整個(gè)系統(tǒng)是包括光伏組件陣列、光伏控制器、電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器以及相應(yīng)的儲(chǔ)能電站聯(lián)合控制調(diào)度系統(tǒng)等在內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)。

　　光伏組件陣列利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)鋰電池組充電，通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電;智能控制器根據(jù)日照強(qiáng)度及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性;并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由幾臺(tái)逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的380V市電接入用戶側(cè)低壓電網(wǎng)或經(jīng)升壓變壓器送入高壓電網(wǎng)。鋰電池組在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。

　　3.2 電池選擇

　　作為配合光伏發(fā)電接入，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、負(fù)荷補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量應(yīng)用的儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)能電池是非常重要的一個(gè)部件，必須滿足以下要求：

　　容易實(shí)現(xiàn)多方式組合，滿足較高的工作電壓和較大工作電流;電池容量和性能的可檢測(cè)和可診斷，使控制系統(tǒng)可在預(yù)知電池容量和性能的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)電站負(fù)荷的調(diào)度控制;高安全性、可靠性：在正常使用情況下，電池正常使用壽命不低于15年;在極限情況下，即使發(fā)生故障也在受控范圍，不應(yīng)該發(fā)生爆炸、燃燒等危及電站安全運(yùn)行的故障;具有良好的快速響應(yīng)和大倍率充放電能力，一般要求5-10倍的充放電能力;較高的充放電轉(zhuǎn)換效率;易于安裝和維護(hù);具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，較寬的工作溫度范圍。

　　幾種電池性能比較

　　從初始投資成本來(lái)看，鋰離子電池有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，鈉硫電池和全釩液流電池未形成產(chǎn)業(yè)化，供應(yīng)渠道受限，較昂貴。從運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本來(lái)看，鈉硫需要持續(xù)供熱，全釩液流電池需要泵進(jìn)行流體控制，增加了運(yùn)營(yíng)成本，而鋰電池幾乎不需要維護(hù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站應(yīng)用現(xiàn)狀和電池特點(diǎn)，建議儲(chǔ)能電站電池選型主要為磷酸鐵鋰電池。不建議使用鉛酸電池的原因是電池壽命問(wèn)題，大品牌鉛酸蓄電池在頻繁充放電的情況下大約只有2.5-3年的壽命，鋰電池的壽命會(huì)長(zhǎng)很多。

　　3.3 能量管理系統(tǒng)

　　在儲(chǔ)能電站中，儲(chǔ)能電池往往由幾十串甚至幾百串以上的電池組構(gòu)成。由于電池在生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程中，會(huì)造成電池內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)的不一致。這種差異表現(xiàn)為電池組充滿或放完時(shí)串聯(lián)電芯之間的電壓不相同，或能量的不相同。這種情況會(huì)導(dǎo)致部分過(guò)充，而在放電過(guò)程中電壓過(guò)低的電芯有可能被過(guò)放，從而使電池組的離散性明顯增加，使用時(shí)更容易發(fā)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，整體容量急劇下降，整個(gè)電池組表現(xiàn)出來(lái)的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，最終導(dǎo)致電池組提前失效。因此，對(duì)于磷酸鐵鋰電池電池組而言，均衡保護(hù)電路是必須的。當(dāng)然，鋰電池的電池管理系統(tǒng)不僅僅是電池的均衡保護(hù)，還有更多的要求以保證鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

　　1 單體電池電壓均衡功能

　　此功能是為了修正串聯(lián)電池組中由于電池單體自身工藝差異引起的電壓、或能量的離散性，避免個(gè)別單體電池因過(guò)充或過(guò)放而導(dǎo)致電池性能變差甚至損壞情況的發(fā)生，使得所有個(gè)體電池電壓差異都在一定的合理范圍內(nèi)。要求各節(jié)電池之間誤差小于±30mv。（電動(dòng)汽車剛剛突破這個(gè)瓶頸，）

　　2 電池組保護(hù)功能

　　單體電池過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫報(bào)警，電池組過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流報(bào)警保護(hù)，切斷等。

　　3 采集的數(shù)據(jù)主要有：

　　單體電池電壓、單體電池溫度（實(shí)際為每個(gè)電池模組的溫度）、組端電壓、充放電電流，計(jì)算得到蓄電池內(nèi)阻。

　　通訊接口：采用數(shù)字化通訊協(xié)議IEC61850。在儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中，需要和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，上送數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令。

　　4 診斷功能

　　BMS應(yīng)具有電池性能的分析診斷功能，能根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、計(jì)算得到的電池內(nèi)阻等參數(shù)，通過(guò)分析診斷模型，得出單體電池當(dāng)前容量或剩余容量（SOC）的診斷，單體電池健康狀態(tài)（SOH）的診斷、電池組狀態(tài)評(píng)估，以及在放電時(shí)當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電時(shí)間的估算。根據(jù)電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求《鋰離子蓄電池總成通用要求》（目前儲(chǔ)能電站無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），對(duì)剩余容量（SOC）的診斷精度為5%，對(duì)健康狀態(tài)（SOH） 的診斷精度為8%。

　　5 熱管理

　　鋰電池模塊在充電過(guò)程中，將產(chǎn)生大量的熱能，使整個(gè)電池模塊的溫度上升，因而，BMS應(yīng)具有熱管理的功能。

　　6 故障診斷和容錯(cuò)

　　若遇異常，BMS應(yīng)給出故障診斷告警信號(hào)，通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上層控制系統(tǒng)。對(duì)儲(chǔ)能電池組每串電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)分析，計(jì)算內(nèi)阻及電壓的變化率，以及參考相對(duì)溫升等綜合辦法，即時(shí)檢查電池組中是否有某些已壞不能再用的或可能很快會(huì)壞的電池，判斷故障電池及定位，給出告警信號(hào)，并對(duì)這些電池采取適當(dāng)處理措施。當(dāng)故障積累到一定程度，而可能出現(xiàn)或開(kāi)始出現(xiàn)惡性事故時(shí)，給出重要告警信號(hào)輸出、并切斷充放電回路母線或者支路電池堆，從而避免惡性事故發(fā)生。采用儲(chǔ)能電池的容錯(cuò)技術(shù)，如電池旁路或能量轉(zhuǎn)移等技術(shù)，當(dāng)某一單體電池發(fā)生故障時(shí)，以避免對(duì)整組電池運(yùn)行產(chǎn)生影響。

　　管理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)自身軟硬件具有自檢功能，即使器件損壞，也不會(huì)影響電池安全。確保不會(huì)因管理系統(tǒng)故障導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至導(dǎo)致電池?fù)p壞或發(fā)生惡性事故。

　　7 其它保護(hù)技術(shù)

　　對(duì)于電池的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等故障情況，采取了切斷回路的方式進(jìn)行保護(hù)。對(duì)瞬間的短路的過(guò)流狀態(tài)，過(guò)流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間是微秒級(jí)的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對(duì)電池帶來(lái)的巨大損傷。在母線回路中一般采用快速熔斷器，在各個(gè)電池模塊中，采用高速功率電子器件實(shí)現(xiàn)快速切斷。

　　8 蓄電池在線容量評(píng)估SOC

　　在測(cè)量動(dòng)態(tài)內(nèi)阻和真值電壓等基礎(chǔ)上，利用充電特性與放電特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用多種模式分段處理辦法，建立數(shù)學(xué)分析診斷模型，來(lái)測(cè)量剩余電量SOC。分析鋰電池的放電特性，基于積分法采用動(dòng)態(tài)更新電池電量的方法，考慮電池自放電現(xiàn)象，對(duì)電池的在線電流、電壓、放電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量;預(yù)測(cè)和計(jì)算電池在不同放電情況下的剩余電量，并根據(jù)電池的使用時(shí)間和環(huán)境溫度對(duì)電量預(yù)測(cè)進(jìn)行校正，給出剩余電量SOC的預(yù)測(cè)值。

　　為了解決電池電量變化對(duì)測(cè)量的影響，可采用動(dòng)態(tài)更新電池電量的方法，即使用上一次所放出的電量作為本次放電的基準(zhǔn)電量，這樣隨著電池的使用，電池電量減小體現(xiàn)為基準(zhǔn)電量的減小;同時(shí)基準(zhǔn)電量還需要根據(jù)外界環(huán)境溫度變化進(jìn)行相應(yīng)修正。

　　四 建議

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)、微型電網(wǎng)系統(tǒng)投資很大，蓄電池的成本相當(dāng)高。作者做過(guò)的測(cè)算，一個(gè)廠用儲(chǔ)能系統(tǒng)（夜間低谷從電網(wǎng)取電儲(chǔ)能，白天高峰釋放）峰谷電價(jià)差距要達(dá)到0.5-0.7元鋰電池儲(chǔ)能才能達(dá)到微利。儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，非專業(yè)設(shè)計(jì)院無(wú)法設(shè)計(jì)，要各個(gè)設(shè)備廠家緊密配合。