關于大容量電池儲能系統(tǒng)的技術分析

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

　　作為國家電網公司建設堅強智能電網的首批試點項目，國家風光儲輸示范土程是目前國內最大的并網太陽能光伏電站、國內陸上單機容量最大的風電場、世界上規(guī)模最大的化學儲能電站，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(tǒng)）在電網中的應用目的主要考慮“負荷調節(jié)、配合新能源接入、彌補線損、功率補償、提高電能質量、孤網運行、削峰填谷”等幾大功能應用。比如：削峰填谷，改善電網運行曲線，通俗一點解釋，儲能電站就像一個蓄水池，可以把用電低谷期富余的水儲存起來，在用電高峰的時候再拿出來用，這樣就減少了電能的浪費;此外儲能電站還能減少線損，增加線路和設備使用壽命。

　　國內從2014年開始，大規(guī)模開始發(fā)展能源互聯網和儲能系統(tǒng)，本文主要簡單介紹儲能系統(tǒng)。

　　圖1

　　二 離網儲能系統(tǒng)

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

　　圖 2

　　離網系統(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，并保護蓄電池過度充、放電。離網逆變器，離網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。

　　我們常見的離網儲能系統(tǒng)就是太陽能路燈。光伏組件、一個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。

　　再大一點的離網儲能系統(tǒng)就是“戶用系統(tǒng)”了，作者2006年剛剛入行時，國內的光伏產業(yè)正處于萌芽階段，國家為了解決青海、西藏西北地區(qū)的牧民用電問題，實施了幾次“光明工程”，就是一家一戶發(fā)一套光伏“戶用系統(tǒng)”。

　　（當時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、一臺控制逆變器一體機、12V100AH的電池2-4塊。可以在晚上看液晶電池、LED燈照明、也可以用一些小的電動機（藏民攪拌酥油、奶的機器）

　　更大一點的離網電站，作者參與過多個。其中比較經典的是北京慧能陽光“青海玉樹宗達寺”100KW離網太陽能電站。這個寺廟有200多個喇嘛，每天用電100度，這個電站的建設解決了這些喇嘛的用電問題。

　　圖 3

　　三 并網儲能系統(tǒng)

　　圖 4

　　3.1 系統(tǒng)組成

　　在圖4方案中，儲能電站（系統(tǒng)）主要配合光伏并網發(fā)電應用，因此，整個系統(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）、逆變器以及相應的儲能電站聯合控制調度系統(tǒng)等在內的發(fā)電系統(tǒng)。

　　光伏組件陣列利用太陽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，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電;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)進行切換和調節(jié)：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)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性;并網逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的380V市電接入用戶側低壓電網或經升壓變壓器送入高壓電網。鋰電池組在系統(tǒng)中同時起到能量調節(jié)和平衡負載兩大作用。它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

　　3.2 電池選擇

　　作為配合光伏發(fā)電接入，實現削峰填谷、負荷補償，提高電能質量應用的儲能電站，儲能電池是非常重要的一個部件，必須滿足以下要求：

　　容易實現多方式組合，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和可診斷，使控制系統(tǒng)可在預知電池容量和性能的情況下實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業(yè)化，供應渠道受限，較昂貴。從運營和維護成本來看，鈉硫需要持續(xù)供熱，全釩液流電池需要泵進行流體控制，增加了運營成本，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，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，鋰電池的壽命會長很多。

　　3.3 能量管理系統(tǒng)

　　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。由于電池在生產過程和使用過程中，會造成電池內阻、電壓、容量等參數的不一致。這種差異表現為電池組充滿或放完時串聯電芯之間的電壓不相同，或能量的不相同。這種情況會導致部分過充，而在放電過程中電壓過低的電芯有可能被過放，從而使電池組的離散性明顯增加，使用時更容易發(fā)生過充和過放現象，整體容量急劇下降，整個電池組表現出來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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)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，避免個別單體電池因過充或過放而導致電池性能變差甚至損壞情況的發(fā)生，使得所有個體電池電壓差異都在一定的合理范圍內。要求各節(jié)電池之間誤差小于±30mv。（電動汽車剛剛突破這個瓶頸，）

　　2 電池組保護功能

　　單體電池過壓、欠壓、過溫報警，電池組過充、過放、過流報警保護，切斷等。

　　3 采集的數據主要有：

　　單體電池電壓、單體電池溫度（實際為每個電池模組的溫度）、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(tǒng)中，需要和調度監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，上送數據和執(zhí)行指令。

　　4 診斷功能

　　BMS應具有電池性能的分析診斷功能，能根據實時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，以及在放電時當前狀態(tài)下可持續(xù)放電時間的估算。根據電動汽車相關標準的要求《鋰離子蓄電池總成通用要求》（目前儲能電站無相關標準），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程中，將產生大量的熱能，使整個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，通過監(jiān)控網絡發(fā)送給上層控制系統(tǒng)。對儲能電池組每串電池進行實時監(jiān)控，通過電壓、電流等參數的監(jiān)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，即時檢查電池組中是否有某些已壞不能再用的或可能很快會壞的電池，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，而可能出現或開始出現惡性事故時，給出重要告警信號輸出、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。采用儲能電池的容錯技術，如電池旁路或能量轉移等技術，當某一單體電池發(fā)生故障時，以避免對整組電池運行產生影響。

　　管理系統(tǒng)對系統(tǒng)自身軟硬件具有自檢功能，即使器件損壞，也不會影響電池安全。確保不會因管理系統(tǒng)故障導致儲能系統(tǒng)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

　　對于電池的過壓、欠壓、過流等故障情況，采取了切斷回路的方式進行保護。對瞬間的短路的過流狀態(tài)，過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時時間是微秒級的，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的巨大損傷。在母線回路中一般采用快速熔斷器，在各個電池模塊中，采用高速功率電子器件實現快速切斷。

　　8 蓄電池在線容量評估SOC

　　在測量動態(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系，采用多種模式分段處理辦法，建立數學分析診斷模型，來測量剩余電量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，對電池的在線電流、電壓、放電時間進行測量;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間和環(huán)境溫度對電量預測進行校正，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，這樣隨著電池的使用，電池電量減小體現為基準電量的減小;同時基準電量還需要根據外界環(huán)境溫度變化進行相應修正。

　　四 建議

　　儲能系統(tǒng)、微型電網系統(tǒng)投資很大，蓄電池的成本相當高。作者做過的測算，一個廠用儲能系統(tǒng)（夜間低谷從電網取電儲能，白天高峰釋放）峰谷電價差距要達到0.5-0.7元鋰電池儲能才能達到微利。儲能系統(tǒng)技術復雜，非專業(yè)設計院無法設計，要各個設備廠家緊密配合。