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清华大学许烈:MMHC技术在分布式储能中应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-10-15 浏览:
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中国储能网讯:2019年10月11-12日,第六届储能技术在分布式能源与微电网中应用高层研讨会”在深圳召开。来自科研机构、设计院、新能源发电企业、电力公司、系统集成商、电池制造企业、电气元器件企业、新能源制造企业、项目承包商、投融资机构等500余人参加了本次会议。

在会上,清华大学副教授许烈分享了主题报告《MMHC技术在分布式储能中应用》,以下为报告实录:

许烈:大家好,我来自清华大学电机系的许烈。今天我汇报的题目是:基于MMHC拓扑的异购兼容的储能产品。

关于储能有很多的文章进行相关的介绍,我只说一点,本质上储能就是打破电力的供应需求,在时间和空间上的不对称。应用领域发电侧储能现在比较现实的应用就是结合新能源领域,大量应用在电网的调峰、调频,结合今天的主题微电网系统。

储能最有潜力的是用户侧,用户侧目前可见的商业模式就是基于峰谷电价差经济性的电费管理,也有人称为峰谷电价套利。大规模的商用储能面临三个最根本的问题才能普及:一是成本问题,客观的说主要是电池成本问题;二是精准问题;三是安全问题。

首先我们要思考第一点,未来电池行业是否能长时间持续保持大幅度降价,对于这一点我个人相对来说偏保守不那么乐观,梯次利用是解决成本问题最有效的解决方案。关于精准,早期的储能系统大量采用的基于电池单体串并联、粗放式的重组方式,未来将向模块化和精准迈进。

关于安全,主流的电池热管理系统都是被动式的,通过空调系统以及检测进行被动的温控。后续会通过技术的迭代实现主动温控,当然同时还有安全感知技术,比如说精准的模型、传感器、大数据等等,但这不在我个人的研究范围内,今天也不会在PPT中涉及。

如果说梯次利用,我们先看一下梯次利用的市场容量,这是一个粗放的统计,电动汽车的统计来自于汽车工业协会和百人会。我们可以看到从2014年开始到2018年,因为2019年的数据还没有统计出来。基本上电动汽车行业每年的增长率都接近200%,增长率最低的一年是168%,2017年查骗补。即使是对行业有冲击,增长率依然保持在160%以上。电池保有量按照每辆车50度电估计,这个与真实的有些出入,早期以大巴车为主。梯次利用的好处是市场的物料来源基本上不需要预测,只需要看五、六年前的电动汽车数据就是非常精准的。因此我们可以得到的结论是,大量的退役电池以每年倍增的模式向市场上堆积。

梯次利用到底行还是不行的问题,如果它不可用,量再大也无法为我所用。这是某个公司的电池产品手册,数据来源是台达电子,电池手册的右上角这张图(见PPT),右边是电池利用期温度,影响电芯温度,电芯内部造成的温升是非常大的。众所周知,充放电倍率影响温度的主要原因,温度是影响电池寿命和安全性最主要的原因。不同温度下我们可以看到,电池的循环寿命是有巨大差异的,车用阶段使用到80%左右,基本上单体循环在2500次,重组之后的循环寿命会大幅下降,这是由于木桶效应问题,后面会谈到。

如果电芯温度控制在非常良好的25度,也就是储能行业普遍工作的温度,可以看到的是,它的循环寿命会大幅度延长。所谓梯次利用就是在车用的基础上用到80%SOC退役,沿着对生命良好的曲线进行梯次利用,差不多可以把梯次利用用到60%,可以预见到寿命还有几千次。

二是电池本身的误差,电池在制造过程中本身就存在A品和B品的问题,好的企业B品率在3%到4%,平均水平在6%到7%。当然可能每年这个数据都在减小,随着技术的进步。即使是A品,我们在车用阶段也需要通过分选保证其一致性,分选保证出厂一致,却不能保证全寿命周期一致。核心的问题是我们对它进行大规模的串并联。大量的串联会导致电池模组的木桶效应非常明显,也就是说整组的寿命以及基本参数受限于串联一串中最差的单体,大量的并联由于必然存在杂残的分布电铲和电容的继生效应,多支路的并联也能做到绝对的经流。

我们进入到梯次利用的阶段,首先要分选、拆解,如果拆解到单体已经有非常多的科研机构、学者、高校证明是不经济的,基本上拆解的单体可能比我们直接买新的电池还要贵。这个方案从经济上直接被Pass掉。剩下就是或者整包利用,或是拿包内的模组进行应用,但是整包应用需要更为严格的循环测试,目前轻微的故障和漏液,依靠循环测试是无法判断的,整包应用串联的数量比较多,循环测试需要更加严格。

梯次利用在储能方面面临的问题是储能系统通常电池使用量是比较大的,基本上多少在兆瓦时,也就是在1000度电以上。参数的离散性和来源的多样化和品类繁杂必须是我们在储能系统中需要考虑的问题,我们在学术上统称其为异构。同时充放电倍率必须严格控制,比如说峰谷电价利用是非常典型的自利用好的场景,大部分省份峰谷电价时间都是8小时,使用梯次电池,一充一放倍率是1.025C到1C,倍率是非常低的。

我们再来看一下作为核心设备的PCS目前发展到什么阶段?目前市场上主流的PCS都是两电平和三电平,三电平分为MPC和TMPC型的,他们的技术瓶颈、电池串联数量比较大,满足380伏的工业电网条件,直流测电价高于540伏,这是放电的最低电价,额定电价选择在650伏,需要200多支的串联。当然优点是成本比较低、控制比较简单。第二种方案是很多企业做的组串式,核心是DC/DC升压,是一个两电平,前端是整包利用的梯次电池,串联在100串左右,优点是木桶效应200支减到100支,虽然没有根本解决问题,毕竟得到了减缓。另外可以兼容整包的梯次利用,缺点是它经历了两次的功率变换,效率通常比较低。储能和光伏一样是效率高度敏感型的行业,我们考核储能的效率是考虑充放电效率,一充一放效率只有94%的话,一充一放的平放只有88%。

清华团队经过七年的研发,我们提出三个关键的核心技术,第一个就是MMHC的拓扑技术,MMHC是采用低压模组,通常是12到24串,模组间完全异构兼容。采用多电平级联并网技术的PCS,可以实现模组的独立控制、模组间的任意替换,并且保持非常高的效率,基本上在97%以上。同时同一套设备可以兼容不同厂家、不同品牌、不同类型、不同寿命的电池。

对比两电平、电平PCS,MMHC异构兼容优势明显,对电池一致性要求大幅降低,可规模配套B品、梯次电池。对比组串式PCS只有一次功率变换,效率有明显的提高,木桶效应非常弱。可以通过电力电子手段实施主动热管理,保持电网最喜欢的极高的电能品质。

导致我们必须大规模串联,传统的储能系统串联是在直流侧,MMHC为了回避大规模串联解决木桶效应,我们把串联点挪到交流侧,由于每个模组都是低压的,自然产生的电压也是比较低的,不足以直接并380伏高压电网。每个模组通过空间位移、侧向的方式,只输出交流电的一部分,再在交流侧进行串联,就可以得到我们想要的、完全的阶梯波,这个阶梯波可以直接并网,同时既可以充电也可以放电。

基于这种思路,采用了多电平技术,电池侧完全回避了串联,因此这些模组之间是完全可以异构可以有铅酸、铅碳、三元、磷酸铁锂,模组出现故障、寿命终止,替换新的模组也完全不需要考虑其他模组与它的匹配性问题。

基于多电平的思想,我们继续扩展到控制纬度,电池最核心的三个问题就是电压密度问题、能量纬度问题和温度温度问题,电压纬度包括模组的电压、模组之间的电压差、单体电压、单体电压差。能量纬度有一些关键的参数,比如说SOC、SOT、SOH。温度纬度决定系统的安全我们需要考虑得更多一些,有模组的温度、单体的温度、模组以及单体温度的差值以及环境纬度。

三个纬度汇总三个基本纬度,三个基本纬度通过模糊控制的思想,最终得到的结论是接入系统的电池模组当前哪个状态好一些、哪个状态差一些。由于这种多电平的调制方式,每个模组瞬时的充放电能量是有差异的,是独立可控的。因此我们可以实现在充电的时候让亏电比较严重、状态比较差的模组多补充能量,放电的时候让状态比较好的模组多出力,这就实现了智能调控模组间的能量,实现能者多劳、自然均衡。这个调控的速度非常快,运算以及控制速度大约2000次/秒,调控的周期尺度在毫秒以下,因此对于电池侧看来完全是连续的。有点像武侠里讲的“天下武功,为快不破”。

基于三个核心技术我们可以做到什么?

1、低成本,这种技术根本上解决了梯次电池的异构问题,储能系统不再依赖电池梯次或B品参数的离散性,因此可以大规模的商用梯次电池,与合作企业共建的储能项目,集装箱方案包括所有的系统。

2、异构兼容,由于异构兼容的优势我们可以兼容各种类型的电池,储能系统不挑电池,我们解决了梯次电池寿命难以评估的问题,如果你是采购梯次电池,你的梯次电池使用多久,卖的人也不知道,由于更换电池模组不用计较匹配的问题,因此可以完成支持梯次电池模组的租赁模式、按次付费,实现利益的共享。

3、由于模组间的能量是完全可控的,不同模组之间的能量是完全主动控制的,理论上是百分之百或是零,相当于叠加模组级的BMS,模组间的均衡是由PCS完成,模组内部只有十几串的电池单体,通常建议客户按照电池保护板节省成本,或是按照廉价的BMS降低BMS部分的系统车本。

4、高电能质量,传统PCS的THD=24%,MMHC的理论THD是1.9%,我们实测1.96%,这个电能质量可以为核磁共振的高精度设备供电。

5、延长电池寿命,从100到200串降低至于12到24串,这种技术应用以后电池侧的寿命更接近于单体,还不能达到,但是更接近于单体。

6、主动系温控,主动温控是非常重要的性能,由于每个模组输出的功率是以过频次快速控制的,即使某个模组当前的能量状态很好,SOC很满,如果他的温度比较好,或者他比周围模组的温差较大,系统会自动系降额,防止出现局部热失控和因空间布局不合理导致的热集聚,通过主动温控提升的储能系统的安全性和集装箱内部温场的均匀性。

这是我们合作企业开发的设备,他们今天也参展了,有兴趣可以看一下,这是设备的主要技术指标,效率在97%以上,而且基本上半载以上全部是高效区,可以看一下产品手册。 

这是现场实测的照片,首先我们看到黄绿色是当地的电网电压,我们找一个完美电压没意义,我们找了一个工业园区,工业园区电压比较差,紫色和蓝色是并网电流,100千瓦的系统这是150安的并网电流,大家可以看到阶梯电压非常明显,每级48伏的模组,十级共同构成了交流电压直接并网。 

MMHC作为核心组成的储能系统还包括空调系统、温控、BMS、EMS、PCS,可以嵌入现有的集装箱体系,MMHC的接线端子多一些,需要多预留一些接线端子,希望和今天参展各位厂商和企业能够实现合作共赢,为打造一款高性价比的储能系统而努力,非常感谢大家。

关键字:MMHC 分布式储能

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