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北交大童亦斌:基于低壓電池模組的分布式儲能技術

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:
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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,北京交通大學副教授、國家能源主動配電網技術研發中心副主任童亦斌分享了主題報告《基于低壓電池模組的分布式儲能技術》,以下為演講實錄:

童亦斌:我來自北京交通大學、國家能源主動配電網研究所,鋰電池在消費電子和電動汽車行業得到廣泛應用,應該說這個獎也是實至名歸。鋰電池還有一些技術上的困難,我們的研究也是主要針對這些難點開展研究,所以今天很高興有機會跟大家一起分享我們在這方面的研究心得,希望通過交流獲得一些靈感。

電力儲能一般分成三個:電源側、電網側、用戶側,我們自身定位的角度來講,我們主要關心電網側、用戶側儲能技術,特別是用戶側儲能技術的應用。用戶側儲能的特點主要是規模普遍都比較小,幾十度電到一百多度電;二是位置、管理、投資都非常分散;三是場景非常多,各種各樣不同的場景,包括商業模式、管理模式都非常復雜;投資、應用、調控的手段比較靈活。它是屬于比較散、比較小的細分市場。

從儲能的形式上來講,我們可以看到各種各樣的形式,包括集裝箱式的、室內安裝等。總的來講,都是越往電源側走儲能的規模越大、偏向于大規模、集中式,越往用戶側走規模越來越小、偏向小型分散式的裝置。

當我們聚焦到用戶側儲能場景的時候我們會發現,除了常規的電池技術之外,還有一些特殊的東西需要我們注意,比如說場地條件,很多用戶場地受約束,安裝儲能的場地非常緊張,包括成本上的問題。去年開始,安全問題成為了鋰電池應用非常大的瓶頸。我每天進出住宅樓都會面對電動自行車奪命100秒的安全警示。這種宣傳也讓公眾對于鋰電池的安全產生非常大的擔憂,目前來講,我們接觸到的很多咨詢、項目,大家對這個問題都表現得非常關注。

接下來還有關于經濟效益方面的考量、運維方面的考量等,這些形成了用戶側儲能很多自身的特點,我可以總結成:場地非常緊張、安全方面的要求比較高、需求、商業模式多變,最后是經濟效益目前由于各種原因有待于進一步提高,當然這不是我們單方面技術解決的,還需要電池制造企業、商業金融等方面共同努力才能得到解決。

用戶側儲能從結構上來講沒有特別的特點,無非是電池單體、電池模組、電池租串、功率管理、開關柜等,電池存儲方面、電器控制和布置方面也可以區分一下,電池存儲有低壓方式和高壓方式,電池控制主要是指變換器,有分散變換和集中變換。布置方式有集中布置和分散布置,大概是這些類型,不同的企業采取不同的技術方案。

我們重點關注的是電池存儲方面,我們研發中心研究最多的是電池的成組技術。電池成組最簡單的就是直接串并聯,它的優點就是結構非常簡單、成本比較低。直接成組采用電氣硬連接,所以對于電池不一致性沒有主動防御能力,當出現一些故障的情況下,比如熱失控、熱蔓延,直接串并聯對故障的阻隔能力也比較差。因此有些研究開始想,能不能在串并聯的結構中插入一些開關,利用這些開關對電池進行切換,一開始人們想到的是機械開關、電器開關,出現故障時進行切換,但這仍然是硬連接。在火災等極端事故的情況下很難把電池解開,雖然可以采用一些類似快插拔的技術,實際運行下來發現速度還是不能很好地滿足要求。因此有人開始提出利用電力電子的方法,我們稱之為柔性成組,用電力電子開關替代原來的機械開關或電器開關。這種方法的好處,是可以利用電力電子開關實現非常靈活的調控功能,等會兒我們會重點介紹。

從模組的電壓角度來講也分兩種:一是高壓;二是低壓。小于60V的電壓,安全性來講可以顯著提高,如果電壓大于120V,各種安全規范包括研究上來講,對人體、對火災事故的風險都會大大提高。

我們對基于低壓電池模組的分布式儲能技術,已經研究了大概三四年的時間,它的主要特征是電池模組的電壓限制在48V或60V,采用隔離的DC/DC變換器升壓到375V或750V,然后利用多個儲能單元并聯,達到所需要的容量。

按照目前常用的電池安時容量算下來,一個電池模組的容量大概在5度電左右,按照0.5C的倍率算,需要2.5千瓦的變換器,這就是我們開發過的一個樣機的示意圖(見PPT),底下是電池模組,上面配一個DC/DC變換器,構成一個標準模塊。采用多個模塊,最后集中通過DC/AC并網。采用集中式DC/AC,可以更好地滿足并網要求,接受調度也比較方便。

采用低壓電池模組最大的好處,首先是提高了安全性。雖然我們現在都在追求更加安全的電池,但到目前為止,本質安全的電池距離真正的產業化應用還有一定的距離,在短時間內我們還不得不面對鋰電池既有一定的危險性,同時我們要用它的局面。在這種情況下,很多公司和科研機構研究的鋰電池消防技術,我們認為是非常有前景的。而從另一個角度,通過控制發生熱失控或火災的鋰電池數量,也可以有效控制和降低火災事故的危險。沿著這條思路,我們把電池模組的電壓和容量限制下來。在發生極端安全消防事故的時候,目前最有效的滅火方法還是水噴淋,而采用比較低電壓的模組,對于保障消防人員的安全是非常有好處的。

其次,鋰電池都需要配BMS系統,電力電子變換器也有自己的控制系統,在設計低壓電池模組的時候,將電池管理和電力電子控制集成,不僅是結構上融合,進而實現檢測和控制融合,就可以做成電池和電力電子裝置融合在一起的獨立模組,利用電力電子裝置更加智能的功能,實現對電池更好的保護。比如說我們做實驗過程中發現的一個情況,運行過程中判斷有一個電池可能存在內短路的風險,當時立即通知后臺,并對電池模組連同上面的隔離變換器一起進行了更換。新的電池模組,它的SOC比其它電池模組的SOC低很多,如果按照常規成組方式,需要額外的均衡策略才能把這些電池模組的SOC狀態調節成一樣。而利用電力電子裝置的下垂控制,經過一段的運行,就可以自己把SOC調整到完全均衡的狀態。大大簡化了系統控制,對于檢修非常方便。

最后,采用低壓電池模組進行儲能系統設計更加靈活。把電池模組和DC/DC進行整合以后,電池單元可以根據現場的需要,比如說現場場地的要求、容量的要求進行相對靈活的配置。我們當時為了兩個示范項目分別做了機架、機柜式的設計方案,可以看出這種模塊集成在應用上帶來的好處。

另外,由于每個電池模組都通過隔離DC/DC解耦,相互之間沒有影響,在同一個系統中可以選擇不同的電池,極端情況下甚至是不同類型的電池、不同容量的電池都可以在一個系統里混合使用。由于儲能系統一般都是按照電池5到8年的使用壽命進行設計,在這么長的時間過程中,很難保證電池不損壞,而一旦損壞,要更換成同樣型號、同樣容量的電池,無疑會增加用戶側儲能運行維護的困難。采用低壓電池模組的柔性成組方案,基本不用考慮和原來電池的匹配,更換起來更加方便靈活。把這個思路進一步延展,類似的方法非常適合電池的梯次利用,我們在一個項目里就是采取了這樣的方案設計梯次利用電池儲能系統。

低壓電池模組儲能系統的關鍵技術包括安全檢測、變換器控制以及系統

安全檢測方面,現在對鋰電池的安全檢測、安全預警重視非常高,鋰電池的安全檢測最終是要依靠BMS實現。傳統的BMS主要針對高壓組串結構,結構比較復雜。如果把BMS的功能和變換器的控制功能進行集成,可以簡化硬件,同時也有助于降低成本、提高產品的可靠性。

變換器本身也會有各種復雜的通信功能、聯網功能,可以開展智能的電池狀態監測:利用變換器進行前端電池狀態的收集和簡單的處理,把數據傳回到后臺,在后臺做更加復雜的電池狀態分析和處理,把分析的結果傳回到前端的變換器,指揮變換器技術充放電控制,異常的狀況下提供一些保護。

隨著這個拓撲的應用,對隔離變換器的效率、體積和成本都提出了更高的要求。因為這里的隔離DC/DC變換器的量大大增加,如果成本沒有降下來、效率沒有提上去,應用一定是會受到限制的。另一個問題涉及到變換器的控制,在剛才的拓撲圖里,了大量DC/DC變換器并聯,需要采取有效的措施,包括直流側的虛擬直流電機、下垂特性等變換器的控制技術,才能保證系統的穩定運行。交流側和傳統方式相似,主要是虛擬同步電機控制,以及支持離網運行等。

最后是關于系統集成和智能應用方面,這是用戶側儲能大家最頭疼的地方。用戶側儲能雖然說得非常好,遠期前景非常廣闊,但到底能給用戶帶來什么,到底有什么樣的應用場景和商業模式,大家都在苦苦探索,我們也在做一些探索。把儲能技術和低壓直流配電結合在一起,也就是說把分布式和光伏發電、民用建筑結合在一起,從這個角度探索應用的價值。由于可以非常靈活地在直流系統里增加儲能裝置,也可以非常靈活的對它進行調控,更衣更好地滿足建筑對儲能的應用要求。目前我們正在做的項目就是在深圳的未來大廈,準備建一個5000平米的全直流建筑,這個建筑里我們也是準備采取類似這種方式,把低壓電池模組升壓成正負375V或750V,接入到整個建筑內部的直流母線上,提供分布式儲能的支持。

非常高興和大家介紹我們的研究成果,謝謝大家。

關鍵字:分布式儲能 低壓電池模組

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