您好!歡迎訪問中國儲能網!
您的位置: 首頁  > 首屏 > 儲能市場4 > 分布式能源

清華大學許烈:MMHC技術在分布式儲能中應用

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國儲能網 發布時間:2019-10-15 瀏覽:
分享到:

中國儲能網訊:2019年10月11-12日,第六屆儲能技術在分布式能源與微電網中應用高層研討會”在深圳召開。來自科研機構、設計院、新能源發電企業、電力公司、系統集成商、電池制造企業、電氣元器件企業、新能源制造企業、項目承包商、投融資機構等500余人參加了本次會議。

在會上,清華大學副教授許烈分享了主題報告《MMHC技術在分布式儲能中應用》,以下為報告實錄:

許烈:大家好,我來自清華大學電機系的許烈。今天我匯報的題目是:基于MMHC拓撲的異購兼容的儲能產品。

關于儲能有很多的文章進行相關的介紹,我只說一點,本質上儲能就是打破電力的供應需求,在時間和空間上的不對稱。應用領域發電側儲能現在比較現實的應用就是結合新能源領域,大量應用在電網的調峰、調頻,結合今天的主題微電網系統。

儲能最有潛力的是用戶側,用戶側目前可見的商業模式就是基于峰谷電價差經濟性的電費管理,也有人稱為峰谷電價套利。大規模的商用儲能面臨三個最根本的問題才能普及:一是成本問題,客觀的說主要是電池成本問題;二是精準問題;三是安全問題。

首先我們要思考第一點,未來電池行業是否能長時間持續保持大幅度降價,對于這一點我個人相對來說偏保守不那么樂觀,梯次利用是解決成本問題最有效的解決方案。關于精準,早期的儲能系統大量采用的基于電池單體串并聯、粗放式的重組方式,未來將向模塊化和精準邁進。

關于安全,主流的電池熱管理系統都是被動式的,通過空調系統以及檢測進行被動的溫控。后續會通過技術的迭代實現主動溫控,當然同時還有安全感知技術,比如說精準的模型、傳感器、大數據等等,但這不在我個人的研究范圍內,今天也不會在PPT中涉及。

如果說梯次利用,我們先看一下梯次利用的市場容量,這是一個粗放的統計,電動汽車的統計來自于汽車工業協會和百人會。我們可以看到從2014年開始到2018年,因為2019年的數據還沒有統計出來。基本上電動汽車行業每年的增長率都接近200%,增長率最低的一年是168%,2017年查騙補。即使是對行業有沖擊,增長率依然保持在160%以上。電池保有量按照每輛車50度電估計,這個與真實的有些出入,早期以大巴車為主。梯次利用的好處是市場的物料來源基本上不需要預測,只需要看五、六年前的電動汽車數據就是非常精準的。因此我們可以得到的結論是,大量的退役電池以每年倍增的模式向市場上堆積。

梯次利用到底行還是不行的問題,如果它不可用,量再大也無法為我所用。這是某個公司的電池產品手冊,數據來源是臺達電子,電池手冊的右上角這張圖(見PPT),右邊是電池利用期溫度,影響電芯溫度,電芯內部造成的溫升是非常大的。眾所周知,充放電倍率影響溫度的主要原因,溫度是影響電池壽命和安全性最主要的原因。不同溫度下我們可以看到,電池的循環壽命是有巨大差異的,車用階段使用到80%左右,基本上單體循環在2500次,重組之后的循環壽命會大幅下降,這是由于木桶效應問題,后面會談到。

如果電芯溫度控制在非常良好的25度,也就是儲能行業普遍工作的溫度,可以看到的是,它的循環壽命會大幅度延長。所謂梯次利用就是在車用的基礎上用到80%SOC退役,沿著對生命良好的曲線進行梯次利用,差不多可以把梯次利用用到60%,可以預見到壽命還有幾千次。

二是電池本身的誤差,電池在制造過程中本身就存在A品和B品的問題,好的企業B品率在3%到4%,平均水平在6%到7%。當然可能每年這個數據都在減小,隨著技術的進步。即使是A品,我們在車用階段也需要通過分選保證其一致性,分選保證出廠一致,卻不能保證全壽命周期一致。核心的問題是我們對它進行大規模的串并聯。大量的串聯會導致電池模組的木桶效應非常明顯,也就是說整組的壽命以及基本參數受限于串聯一串中最差的單體,大量的并聯由于必然存在雜殘的分布電鏟和電容的繼生效應,多支路的并聯也能做到絕對的經流。

我們進入到梯次利用的階段,首先要分選、拆解,如果拆解到單體已經有非常多的科研機構、學者、高校證明是不經濟的,基本上拆解的單體可能比我們直接買新的電池還要貴。這個方案從經濟上直接被Pass掉。剩下就是或者整包利用,或是拿包內的模組進行應用,但是整包應用需要更為嚴格的循環測試,目前輕微的故障和漏液,依靠循環測試是無法判斷的,整包應用串聯的數量比較多,循環測試需要更加嚴格。

梯次利用在儲能方面面臨的問題是儲能系統通常電池使用量是比較大的,基本上多少在兆瓦時,也就是在1000度電以上。參數的離散性和來源的多樣化和品類繁雜必須是我們在儲能系統中需要考慮的問題,我們在學術上統稱其為異構。同時充放電倍率必須嚴格控制,比如說峰谷電價利用是非常典型的自利用好的場景,大部分省份峰谷電價時間都是8小時,使用梯次電池,一充一放倍率是1.025C到1C,倍率是非常低的。

我們再來看一下作為核心設備的PCS目前發展到什么階段?目前市場上主流的PCS都是兩電平和三電平,三電平分為MPC和TMPC型的,他們的技術瓶頸、電池串聯數量比較大,滿足380伏的工業電網條件,直流測電價高于540伏,這是放電的最低電價,額定電價選擇在650伏,需要200多支的串聯。當然優點是成本比較低、控制比較簡單。第二種方案是很多企業做的組串式,核心是DC/DC升壓,是一個兩電平,前端是整包利用的梯次電池,串聯在100串左右,優點是木桶效應200支減到100支,雖然沒有根本解決問題,畢竟得到了減緩。另外可以兼容整包的梯次利用,缺點是它經歷了兩次的功率變換,效率通常比較低。儲能和光伏一樣是效率高度敏感型的行業,我們考核儲能的效率是考慮充放電效率,一充一放效率只有94%的話,一充一放的平放只有88%。

清華團隊經過七年的研發,我們提出三個關鍵的核心技術,第一個就是MMHC的拓撲技術,MMHC是采用低壓模組,通常是12到24串,模組間完全異構兼容。采用多電平級聯并網技術的PCS,可以實現模組的獨立控制、模組間的任意替換,并且保持非常高的效率,基本上在97%以上。同時同一套設備可以兼容不同廠家、不同品牌、不同類型、不同壽命的電池。

對比兩電平、電平PCS,MMHC異構兼容優勢明顯,對電池一致性要求大幅降低,可規模配套B品、梯次電池。對比組串式PCS只有一次功率變換,效率有明顯的提高,木桶效應非常弱。可以通過電力電子手段實施主動熱管理,保持電網最喜歡的極高的電能品質。

導致我們必須大規模串聯,傳統的儲能系統串聯是在直流側,MMHC為了回避大規模串聯解決木桶效應,我們把串聯點挪到交流側,由于每個模組都是低壓的,自然產生的電壓也是比較低的,不足以直接并380伏高壓電網。每個模組通過空間位移、側向的方式,只輸出交流電的一部分,再在交流側進行串聯,就可以得到我們想要的、完全的階梯波,這個階梯波可以直接并網,同時既可以充電也可以放電。

基于這種思路,采用了多電平技術,電池側完全回避了串聯,因此這些模組之間是完全可以異構可以有鉛酸、鉛碳、三元、磷酸鐵鋰,模組出現故障、壽命終止,替換新的模組也完全不需要考慮其他模組與它的匹配性問題。

基于多電平的思想,我們繼續擴展到控制緯度,電池最核心的三個問題就是電壓密度問題、能量緯度問題和溫度溫度問題,電壓緯度包括模組的電壓、模組之間的電壓差、單體電壓、單體電壓差。能量緯度有一些關鍵的參數,比如說SOC、SOT、SOH。溫度緯度決定系統的安全我們需要考慮得更多一些,有模組的溫度、單體的溫度、模組以及單體溫度的差值以及環境緯度。

三個緯度匯總三個基本緯度,三個基本緯度通過模糊控制的思想,最終得到的結論是接入系統的電池模組當前哪個狀態好一些、哪個狀態差一些。由于這種多電平的調制方式,每個模組瞬時的充放電能量是有差異的,是獨立可控的。因此我們可以實現在充電的時候讓虧電比較嚴重、狀態比較差的模組多補充能量,放電的時候讓狀態比較好的模組多出力,這就實現了智能調控模組間的能量,實現能者多勞、自然均衡。這個調控的速度非常快,運算以及控制速度大約2000次/秒,調控的周期尺度在毫秒以下,因此對于電池側看來完全是連續的。有點像武俠里講的“天下武功,為快不破”。

基于三個核心技術我們可以做到什么?

1、低成本,這種技術根本上解決了梯次電池的異構問題,儲能系統不再依賴電池梯次或B品參數的離散性,因此可以大規模的商用梯次電池,與合作企業共建的儲能項目,集裝箱方案包括所有的系統。

2、異構兼容,由于異構兼容的優勢我們可以兼容各種類型的電池,儲能系統不挑電池,我們解決了梯次電池壽命難以評估的問題,如果你是采購梯次電池,你的梯次電池使用多久,賣的人也不知道,由于更換電池模組不用計較匹配的問題,因此可以完成支持梯次電池模組的租賃模式、按次付費,實現利益的共享。

3、由于模組間的能量是完全可控的,不同模組之間的能量是完全主動控制的,理論上是百分之百或是零,相當于疊加模組級的BMS,模組間的均衡是由PCS完成,模組內部只有十幾串的電池單體,通常建議客戶按照電池保護板節省成本,或是按照廉價的BMS降低BMS部分的系統車本。

4、高電能質量,傳統PCS的THD=24%,MMHC的理論THD是1.9%,我們實測1.96%,這個電能質量可以為核磁共振的高精度設備供電。

5、延長電池壽命,從100到200串降低至于12到24串,這種技術應用以后電池側的壽命更接近于單體,還不能達到,但是更接近于單體。

6、主動系溫控,主動溫控是非常重要的性能,由于每個模組輸出的功率是以過頻次快速控制的,即使某個模組當前的能量狀態很好,SOC很滿,如果他的溫度比較好,或者他比周圍模組的溫差較大,系統會自動系降額,防止出現局部熱失控和因空間布局不合理導致的熱集聚,通過主動溫控提升的儲能系統的安全性和集裝箱內部溫場的均勻性。

這是我們合作企業開發的設備,他們今天也參展了,有興趣可以看一下,這是設備的主要技術指標,效率在97%以上,而且基本上半載以上全部是高效區,可以看一下產品手冊。 

這是現場實測的照片,首先我們看到黃綠色是當地的電網電壓,我們找一個完美電壓沒意義,我們找了一個工業園區,工業園區電壓比較差,紫色和藍色是并網電流,100千瓦的系統這是150安的并網電流,大家可以看到階梯電壓非常明顯,每級48伏的模組,十級共同構成了交流電壓直接并網。 

MMHC作為核心組成的儲能系統還包括空調系統、溫控、BMS、EMS、PCS,可以嵌入現有的集裝箱體系,MMHC的接線端子多一些,需要多預留一些接線端子,希望和今天參展各位廠商和企業能夠實現合作共贏,為打造一款高性價比的儲能系統而努力,非常感謝大家。

關鍵字:MMHC 分布式儲能

中國儲能網版權聲明:凡注明來源為“中國儲能網:xxx(署名)”,除與中國儲能網簽署內容授權協議的網站外,其他任何網站或者單位如需轉載需注明來源(中國儲能網)。凡本網注明“來源:xxx(非中國儲能網)”的作品,均轉載與其他媒體,目的在于傳播更多信息,但并不意味著中國儲能網贊同其觀點或證實其描述,文章以及引用的圖片(或配圖)內容僅供參考,如有涉及版權問題,可聯系我們直接刪除處理。其他媒體如需轉載,請與稿件來源方聯系,如產生任何版權問題與本網無關,想了解更多內容,請登錄網站:http://www.mulykf.live

相關報道

篮彩分析