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北交大童亦斌:基于低压电池模组的分布式储能技术

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,北京交通大学副教授、国家能源主动配电网技术研发中心副主任童亦斌分享了主题报告《基于低压电池模组的分布式储能技术》,以下为演讲实录:

童亦斌:我来自北京交通大学、国家能源主动配电网研究所,锂电池在消费电子和电动汽车行业得到广泛应用,应该说这个奖也是实至名归。锂电池还有一些技术上的困难,我们的研究也是主要针对这些难点开展研究,所以今天很高兴有机会跟大家一起分享我们在这方面的研究心得,希望通过交流获得一些灵感。

电力储能一般分成三个:电源侧、电网侧、用户侧,我们自身定位的角度来讲,我们主要关心电网侧、用户侧储能技术,特别是用户侧储能技术的应用。用户侧储能的特点主要是规模普遍都比较小,几十度电到一百多度电;二是位置、管理、投资都非常分散;三是场景非常多,各种各样不同的场景,包括商业模式、管理模式都非常复杂;投资、应用、调控的手段比较灵活。它是属于比较散、比较小的细分市场。

从储能的形式上来讲,我们可以看到各种各样的形式,包括集装箱式的、室内安装等。总的来讲,都是越往电源侧走储能的规模越大、偏向于大规模、集中式,越往用户侧走规模越来越小、偏向小型分散式的装置。

当我们聚焦到用户侧储能场景的时候我们会发现,除了常规的电池技术之外,还有一些特殊的东西需要我们注意,比如说场地条件,很多用户场地受约束,安装储能的场地非常紧张,包括成本上的问题。去年开始,安全问题成为了锂电池应用非常大的瓶颈。我每天进出住宅楼都会面对电动自行车夺命100秒的安全警示。这种宣传也让公众对于锂电池的安全产生非常大的担忧,目前来讲,我们接触到的很多咨询、项目,大家对这个问题都表现得非常关注。

接下来还有关于经济效益方面的考量、运维方面的考量等,这些形成了用户侧储能很多自身的特点,我可以总结成:场地非常紧张、安全方面的要求比较高、需求、商业模式多变,最后是经济效益目前由于各种原因有待于进一步提高,当然这不是我们单方面技术解决的,还需要电池制造企业、商业金融等方面共同努力才能得到解决。

用户侧储能从结构上来讲没有特别的特点,无非是电池单体、电池模组、电池租串、功率管理、开关柜等,电池存储方面、电器控制和布置方面也可以区分一下,电池存储有低压方式和高压方式,电池控制主要是指变换器,有分散变换和集中变换。布置方式有集中布置和分散布置,大概是这些类型,不同的企业采取不同的技术方案。

我们重点关注的是电池存储方面,我们研发中心研究最多的是电池的成组技术。电池成组最简单的就是直接串并联,它的优点就是结构非常简单、成本比较低。直接成组采用电气硬连接,所以对于电池不一致性没有主动防御能力,当出现一些故障的情况下,比如热失控、热蔓延,直接串并联对故障的阻隔能力也比较差。因此有些研究开始想,能不能在串并联的结构中插入一些开关,利用这些开关对电池进行切换,一开始人们想到的是机械开关、电器开关,出现故障时进行切换,但这仍然是硬连接。在火灾等极端事故的情况下很难把电池解开,虽然可以采用一些类似快插拔的技术,实际运行下来发现速度还是不能很好地满足要求。因此有人开始提出利用电力电子的方法,我们称之为柔性成组,用电力电子开关替代原来的机械开关或电器开关。这种方法的好处,是可以利用电力电子开关实现非常灵活的调控功能,等会儿我们会重点介绍。

从模组的电压角度来讲也分两种:一是高压;二是低压。小于60V的电压,安全性来讲可以显著提高,如果电压大于120V,各种安全规范包括研究上来讲,对人体、对火灾事故的风险都会大大提高。

我们对基于低压电池模组的分布式储能技术,已经研究了大概三四年的时间,它的主要特征是电池模组的电压限制在48V或60V,采用隔离的DC/DC变换器升压到375V或750V,然后利用多个储能单元并联,达到所需要的容量。

按照目前常用的电池安时容量算下来,一个电池模组的容量大概在5度电左右,按照0.5C的倍率算,需要2.5千瓦的变换器,这就是我们开发过的一个样机的示意图(见PPT),底下是电池模组,上面配一个DC/DC变换器,构成一个标准模块。采用多个模块,最后集中通过DC/AC并网。采用集中式DC/AC,可以更好地满足并网要求,接受调度也比较方便。

采用低压电池模组最大的好处,首先是提高了安全性。虽然我们现在都在追求更加安全的电池,但到目前为止,本质安全的电池距离真正的产业化应用还有一定的距离,在短时间内我们还不得不面对锂电池既有一定的危险性,同时我们要用它的局面。在这种情况下,很多公司和科研机构研究的锂电池消防技术,我们认为是非常有前景的。而从另一个角度,通过控制发生热失控或火灾的锂电池数量,也可以有效控制和降低火灾事故的危险。沿着这条思路,我们把电池模组的电压和容量限制下来。在发生极端安全消防事故的时候,目前最有效的灭火方法还是水喷淋,而采用比较低电压的模组,对于保障消防人员的安全是非常有好处的。

其次,锂电池都需要配BMS系统,电力电子变换器也有自己的控制系统,在设计低压电池模组的时候,将电池管理和电力电子控制集成,不仅是结构上融合,进而实现检测和控制融合,就可以做成电池和电力电子装置融合在一起的独立模组,利用电力电子装置更加智能的功能,实现对电池更好的保护。比如说我们做实验过程中发现的一个情况,运行过程中判断有一个电池可能存在内短路的风险,当时立即通知后台,并对电池模组连同上面的隔离变换器一起进行了更换。新的电池模组,它的SOC比其它电池模组的SOC低很多,如果按照常规成组方式,需要额外的均衡策略才能把这些电池模组的SOC状态调节成一样。而利用电力电子装置的下垂控制,经过一段的运行,就可以自己把SOC调整到完全均衡的状态。大大简化了系统控制,对于检修非常方便。

最后,采用低压电池模组进行储能系统设计更加灵活。把电池模组和DC/DC进行整合以后,电池单元可以根据现场的需要,比如说现场场地的要求、容量的要求进行相对灵活的配置。我们当时为了两个示范项目分别做了机架、机柜式的设计方案,可以看出这种模块集成在应用上带来的好处。

另外,由于每个电池模组都通过隔离DC/DC解耦,相互之间没有影响,在同一个系统中可以选择不同的电池,极端情况下甚至是不同类型的电池、不同容量的电池都可以在一个系统里混合使用。由于储能系统一般都是按照电池5到8年的使用寿命进行设计,在这么长的时间过程中,很难保证电池不损坏,而一旦损坏,要更换成同样型号、同样容量的电池,无疑会增加用户侧储能运行维护的困难。采用低压电池模组的柔性成组方案,基本不用考虑和原来电池的匹配,更换起来更加方便灵活。把这个思路进一步延展,类似的方法非常适合电池的梯次利用,我们在一个项目里就是采取了这样的方案设计梯次利用电池储能系统。

低压电池模组储能系统的关键技术包括安全检测、变换器控制以及系统

安全检测方面,现在对锂电池的安全检测、安全预警重视非常高,锂电池的安全检测最终是要依靠BMS实现。传统的BMS主要针对高压组串结构,结构比较复杂。如果把BMS的功能和变换器的控制功能进行集成,可以简化硬件,同时也有助于降低成本、提高产品的可靠性。

变换器本身也会有各种复杂的通信功能、联网功能,可以开展智能的电池状态监测:利用变换器进行前端电池状态的收集和简单的处理,把数据传回到后台,在后台做更加复杂的电池状态分析和处理,把分析的结果传回到前端的变换器,指挥变换器技术充放电控制,异常的状况下提供一些保护。

随着这个拓扑的应用,对隔离变换器的效率、体积和成本都提出了更高的要求。因为这里的隔离DC/DC变换器的量大大增加,如果成本没有降下来、效率没有提上去,应用一定是会受到限制的。另一个问题涉及到变换器的控制,在刚才的拓扑图里,了大量DC/DC变换器并联,需要采取有效的措施,包括直流侧的虚拟直流电机、下垂特性等变换器的控制技术,才能保证系统的稳定运行。交流侧和传统方式相似,主要是虚拟同步电机控制,以及支持离网运行等。

最后是关于系统集成和智能应用方面,这是用户侧储能大家最头疼的地方。用户侧储能虽然说得非常好,远期前景非常广阔,但到底能给用户带来什么,到底有什么样的应用场景和商业模式,大家都在苦苦探索,我们也在做一些探索。把储能技术和低压直流配电结合在一起,也就是说把分布式和光伏发电、民用建筑结合在一起,从这个角度探索应用的价值。由于可以非常灵活地在直流系统里增加储能装置,也可以非常灵活的对它进行调控,更衣更好地满足建筑对储能的应用要求。目前我们正在做的项目就是在深圳的未来大厦,准备建一个5000平米的全直流建筑,这个建筑里我们也是准备采取类似这种方式,把低压电池模组升压成正负375V或750V,接入到整个建筑内部的直流母线上,提供分布式储能的支持。

非常高兴和大家介绍我们的研究成果,谢谢大家。

关键字:分布式储能 低压电池模组

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