關(guān)于大容量電池儲能系統的技術(shù)分析

　　大容量電池儲能系統在電力系統中的應用已有20多年的歷史，早期主要用于孤立電網(wǎng)的調頻、熱備用、調壓和備份等。電池儲能系統在新能源并網(wǎng)中的應用，國外也已開(kāi)展了一定的研究。上世紀90年代末德國在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的電池儲能系統，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）儲能系統，用于平抑輸出功率波動(dòng)。2014年8月18日，國家風(fēng)光儲輸示范工程220千伏智能變電站成功啟動(dòng)。

　　作為國家電網(wǎng)公司建設堅強智能電網(wǎng)的首批試點(diǎn)項目，國家風(fēng)光儲輸示范土程是目前國內最大的并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站、國內陸上單機容量最大的風(fēng)電場(chǎng)、世界上規模最大的化學(xué)儲能電站，智能化運行水平最高、運行方式最為多樣的新能源示范工程。

　　儲能電站（系統）在電網(wǎng)中的應用目的主要考慮“負荷調節、配合新能源接入、彌補線(xiàn)損、功率補償、提高電能質(zhì)量、孤網(wǎng)運行、削峰填谷”等幾大功能應用。比如：削峰填谷，改善電網(wǎng)運行曲線(xiàn)，通俗一點(diǎn)解釋?zhuān)瑑δ茈娬揪拖褚粋€(gè)蓄水池，可以把用電低谷期富余的水儲存起來(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;此外儲能電站還能減少線(xiàn)損，增加線(xiàn)路和設備使用壽命。

　　國內從2014年開(kāi)始，大規模開(kāi)始發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)和儲能系統，本文主要簡(jiǎn)單介紹儲能系統。

　　圖1

　　二 離網(wǎng)儲能系統

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

　　圖 2

　　離網(wǎng)系統由以下部分組成：

　　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化成交流電能，并提供給負載使用的裝置。

　　我們常見(jiàn)的離網(wǎng)儲能系統就是太陽(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)儲能系統就是“戶(hù)用系統”了，作者2006年剛剛入行時(shí)，國內的光伏產(chǎn)業(yè)正處于萌芽階段，國家為了解決青海、西藏西北地區的牧民用電問(wèn)題，實(shí)施了幾次“光明工程”，就是一家一戶(hù)發(fā)一套光伏“戶(hù)用系統”。

　?。ó敃r(shí)150Wp多晶硅還買(mǎi)到20塊一瓦）一套戶(hù)用系統大約300W，2塊電池板、一臺控制逆變器一體機、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（藏民攪拌酥油、奶的機器）

　　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)電站的建設解決了這些喇嘛的用電問(wèn)題。

　　圖 3

　　三 并網(wǎng)儲能系統

　　圖 4

　　3.1 系統組成

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

　　光伏組件陣列利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對鋰電池組充電，通過(guò)逆變器將直流電轉換為交流電對負載進(jìn)行供電;智能控制器根據日照強度及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調節：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿(mǎn)足負載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個(gè)系統工作的連續性和穩定性;并網(wǎng)逆變系統由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的380V市電接入用戶(hù)側低壓電網(wǎng)或經(jīng)升壓變壓器送入高壓電網(wǎng)。鋰電池組在系統中同時(shí)起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將光伏發(fā)電系統輸出的電能轉化為化學(xué)能儲存起來(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)現削峰填谷、負荷補償，提高電能質(zhì)量應用的儲能電站，儲能電池是非常重要的一個(gè)部件，必須滿(mǎn)足以下要求：

　　容易實(shí)現多方式組合，滿(mǎn)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和可診斷，使控制系統可在預知電池容量和性能的情況下實(shí)現對電站負荷的調度控制;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，不應該發(fā)生爆炸、燃燒等危及電站安全運行的故障;具有良好的快速響應和大倍率充放電能力，一般要求5-10倍的充放電能力;較高的充放電轉換效率;易于安裝和維護;具有較好的環(huán)境適應性，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，鋰離子電池有較強的競爭力，鈉硫電池和全釩液流電池未形成產(chǎn)業(yè)化，供應渠道受限，較昂貴。從運營(yíng)和維護成本來(lái)看，鈉硫需要持續供熱，全釩液流電池需要泵進(jìn)行流體控制，增加了運營(yíng)成本，而鋰電池幾乎不需要維護。根據國內外儲能電站應用現狀和電池特點(diǎn)，建議儲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(cháng)很多。

　　3.3 能量管理系統

　　在儲能電站中，儲能電池往往由幾十串甚至幾百串以上的電池組構成。由于電池在生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程中，會(huì )造成電池內阻、電壓、容量等參數的不一致。這種差異表現為電池組充滿(mǎn)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)放現象，整體容量急劇下降，整個(gè)電池組表現出來(lái)的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，最終導致電池組提前失效。因此，對于磷酸鐵鋰電池電池組而言，均衡保護電路是必須的。當然，鋰電池的電池管理系統不僅僅是電池的均衡保護，還有更多的要求以保證鋰電池儲能系統穩定可靠的運行。

　　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。要求各節電池之間誤差小于±30mv。（電動(dòng)汽車(chē)剛剛突破這個(gè)瓶頸，）

　　2 電池組保護功能

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

　　3 采集的數據主要有：

　　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，計算得到蓄電池內阻。

　　通訊接口：采用數字化通訊協(xié)議IEC61850。在儲能電站系統中，需要和調度監控系統進(jìn)行通訊，上送數據和執行指令。

　　4 診斷功能

　　BMS應具有電池性能的分析診斷功能，能根據實(shí)時(shí)測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、計算得到的電池內阻等參數，通過(guò)分析診斷模型，得出單體電池當前容量或剩余容量（SOC）的診斷，單體電池健康狀態(tài)（SOH）的診斷、電池組狀態(tài)評估，以及在放電時(shí)當前狀態(tài)下可持續放電時(shí)間的估算。根據電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)標準的要求《鋰離子蓄電池總成通用要求》（目前儲能電站無(wú)相關(guān)標準），對剩余容量（SOC）的診斷精度為5%，對健康狀態(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應具有熱管理的功能。

　　6 故障診斷和容錯

　　若遇異常，BMS應給出故障診斷告警信號，通過(guò)監控網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給上層控制系統。對儲能電池組每串電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，通過(guò)電壓、電流等參數的監測分析，計算內阻及電壓的變化率，以及參考相對溫升等綜合辦法，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，并對這些電池采取適當處理措施。當故障積累到一定程度，而可能出現或開(kāi)始出現惡性事故時(shí)，給出重要告警信號輸出、并切斷充放電回路母線(xiàn)或者支路電池堆，從而避免惡性事故發(fā)生。采用儲能電池的容錯技術(shù)，如電池旁路或能量轉移等技術(shù)，當某一單體電池發(fā)生故障時(shí)，以避免對整組電池運行產(chǎn)生影響。

　　管理系統對系統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 )因管理系統故障導致儲能系統發(fā)生故障，甚至導致電池損壞或發(fā)生惡性事故。

　　7 其它保護技術(shù)

　　對于電池的過(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。對瞬間的短路的過(guò)流狀態(tài)，過(guò)流保護的延時(shí)時(shí)間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時(shí)時(shí)間是微秒級的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對電池帶來(lái)的巨大損傷。在母線(xiàn)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)現快速切斷。

　　8 蓄電池在線(xiàn)容量評估SOC

　　在測量動(dòng)態(tài)內阻和真值電壓等基礎上，利用充電特性與放電特性的對應關(guān)系，采用多種模式分段處理辦法，建立數學(xué)分析診斷模型，來(lái)測量剩余電量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，考慮電池自放電現象，對電池的在線(xiàn)電流、電壓、放電時(shí)間進(jìn)行測量;預測和計算電池在不同放電情況下的剩余電量，并根據電池的使用時(shí)間和環(huán)境溫度對電量預測進(jìn)行校正，給出剩余電量SOC的預測值。

　　為了解決電池電量變化對測量的影響，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電量，這樣隨著(zhù)電池的使用，電池電量減小體現為基準電量的減小;同時(shí)基準電量還需要根據外界環(huán)境溫度變化進(jìn)行相應修正。

　　四 建議

　　儲能系統、微型電網(wǎng)系統投資很大，蓄電池的成本相當高。作者做過(guò)的測算，一個(gè)廠(chǎng)用儲能系統（夜間低谷從電網(wǎng)取電儲能，白天高峰釋放）峰谷電價(jià)差距要達到0.5-0.7元鋰電池儲能才能達到微利。儲能系統技術(shù)復雜，非專(zhuān)業(yè)設計院無(wú)法設計，要各個(gè)設備廠(chǎng)家緊密配合。