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大容量电池储能系统技术及拓扑结构设计研究

北极星储能网  来源:供用电杂志    2018/9/10 10:30:18  我要投稿  

北极星储能网讯: 在大规模电池储能系统的工程设计和应用中,选择何种技术路线,除了考虑技术的先进性以外,整体成本和技术的成熟度也是至关重要的因素。针对目前电池储能系统应用在装备层面的主要限制问题,研究了大规模电池储能系统的关键技术,主要包括长寿命低成本电池技术、高性能的电池管理技术、电池组合应用技术、电池储能系统的多种拓扑结构。其中,针对电池储能系统的不同拓扑结构,分析了研究现状、应用情况以及优劣势,并进行了较为全面的归纳与总结。

(本文来源:供用电杂志 微信)

0引言

储能是智能电网的重要组成部分。储能技术包括抽水蓄能、电池储能、超级电容储能、压缩空气储能、飞轮储能和储热等多种形式。电池储能技术不受地理环境限制,兆瓦级储能示范工程中电池储能项目占据优势,这其中又以锂电池储能项目居多。

美国电池储能的研究和应用占据世界领先地位,其在储能示范应用的工程数量、装机容量与应用领域上均位居前列,应用主要集中在保障电力可靠性和为电网提供辅助调频服务方面。近年我国储能产业发展迅速,建立了许多示范工程,涉及可再生能源并网、分布式发电及微电网、电力输配、辅助服务、电动汽车充换电等领域。

电池成本与电池储能技术限制了电池储能在电网中的进一步大规模应用。在技术方面,电池的不一致性和“短板效应”限制了电池串并联的规模,导致无法通过简单的电气联接实现电池储能的规模化应用。另一方面,在规模化电池储能的场景中,大量的储能电池必然因批次不同、老化特性不同、使用时间、运行环境、甚至厂家(工艺)不同等因素导致的一致性差异更加显著。这反向给电池储能系统(battery energy storage system,BESS)的集成设计提出了要求和挑战。

当前,电池储能应用在装备层面受限于3个因素:①长循环寿命低成本的电池技术;②高精度高性能的电池管理技术;③电池组合应用技术。这3个因素相互影响、相互制约。

1 长寿命低成本电池技术

长寿命低成本的储能电池技术一直是电池厂商努力追求的目标,目前应用规模较大的储能电池有钠硫电池、钒液流电池、铅酸电池和锂电池。

钠硫电池和钒液流电池是典型的液态储能电池。日本在钠硫电池的开发与应用上处于领先地位。比较而言,钒液流储能电池容量密度和能量转换效率较低。

铅酸电池和锂电池属于固态电池,对场地无特殊要求,使用灵活。近年出现的铅碳电池在寿命和性能方面得到了较大地提升。锂电池是目前应用最广的储能电池,我国在锂电池上具有一定的产业优势。近年来随着工艺的不断改进和产量的增加,其单位价格不断下降。

电池储能中,电池成本占比偏高,限制了其推广应用。电池的梯次利用技术为降低电池全寿命成本提供了有价值的思路和手段。文献[3]研究指出,电网储能工况容量衰减较常规行驶工况缓慢,同时也均遵循着线性的衰减关系。退役车用动力电池用于电网储能工况,可增加约3年使用时间,大幅延长动力电池的全寿命周期。

在电池成本和循环寿命短期无法取得革命性突破的情况下,电池梯次利用技术从另外的角度延长了电池的使用寿命,降低了其价格/寿命比,充分挖掘了电池的价值。2018年国家重点研发计划“梯次利用动力电池规模化工程应用关键技术”对退役动力电池在电网中的梯次利用的研究进行了支持。

2 高性能的电池管理技术

由电池单体参数的离散性、工作温度差异造成的短板效应是限制电池储能规模化应用的关键问题。电池单体差异越大,串并联数量越多,短板效应越严重。因此在所有运行的储能系统中,每个储能功率转换系统(power conversion system,PCS)的直流侧均采用单一厂商的电池串并联,电池整体运行性能通过电池厂商对电池一致性的严格筛选和配组来保证。通常PCS的直流侧电压较高,需要数百节单体电池串联,短板效应严重。

具有电池均衡能力的电池管理系统(battery management system ,BMS)可有效减弱短板效应的影响。对储能系统而言,其对能量的管理和控制从下到上分为4个层次:电池单体、电池模块、电池串和储能系统。

对电池单体的管理负责监视和解决电池模块内的单体不一致性问题;对电池模块的管理负责监视和解决电池串内电池模块的不一致性问题;对电池串的管理则负责监视和解决并联的电池串之间的不一致性问题。这3个层次中,被管理的对象均为电池,对这3个层次的监控、均衡及SOC估算等均属于电池管理系统的范畴。

电池单体进行串并联构成电池模块。很多芯片厂商提供电池模块管理的专用芯片,这些芯片基本可以实现数据采集、均衡控制和数据通信的功能。电池模块之间多采用简单的串并联构成电池串。目前,对电池模块的有效监测和均衡等管理手段较为缺乏。一个电池串或者数个并联的电池串配以储能功率转换系统(PCS)构成储能系统。列出了电池管理的层次和需求。

3 电池组合应用技术

由于电池单体电压低,单体容量有限,出于电路成本和效率的原因,将电池串联到较高的电压、并联扩大容量后进行整体管理和控制是通常采用的最为简单经济的方案。但简单串并联电路不具备对电池的管理和控制能力,无法避免电池的短板效应带来的不利影响。电池整体寿命下降明显的同时,串联后电压提高、并联后内阻降低,使电池系统的安全性也大大降低。所以简单的串并联的组合方式并不适用于电池的规模化应用。

将多个或多组电池经DC/DC后并联、储能PCS交流侧并联、储能PCS交流侧串联(即级联)都是实现电池组合应用的形式。实际使用中也可能存在上述几种形式的组合。原理上讲,只有利用电力电子拓扑结构实现的对电池的组合应用才具有对电池的控制能力,才使得对电池的区别化控制、管理和消弱短板效应成为可能。从这个意义上讲,储能系统PCS拓扑结构在一定程度上决定了电池的组合应用方式。

4 电池储能系统拓扑结构

在BESS中,PCS实现储能系统和电网间能量双向流动,其性能直接影响着储能系统电气性能。PCS的拓扑结构就是电池储能系统的拓扑结构,直接决定了BESS的电气结构和集成方式。在当前功率器件性能和电池特性的约束条件下,不同的拓扑结构可以实现的电池储能系统容量等级范围各不相同。电池储能应用中,利用电路拓扑结构的模块化来降低电池直接串并联的规模,从而细化电池管理和功率控制的粒度,这样一方面可以降低电池筛选和组配的难度,另一方面也增加了对电池管理和控制的手段。

从功率级数来看,PCS有单级和双级之分;从拓扑来讲,当前主流的应用和研究集中在两电平、三电平和多电平结构。

单级式PCS将电池组直接接于功率变换器直流母线端、再经功率变换器逆变后接入电网,该结构优点是结构简单、效率较高,缺点是电池组出口电压较高导致必须数百节电池串联,电压范围较宽导致变换器调制比优化设计较为困难。双级式PCS采用DC/DC+DC/AC双级结构,其优点是直流侧电压降低、串联电池数减少、变换器调制比设计简化、电池利用率高,缺点是效率较低。

目前PCS拓扑结构有多种形式,适合不同的功率等级和应用场合。

4.1 两电平PCS

目前两电平单级式和双级式PCS在示范工程中都有应用(结构见图1和图2),其中以单级式为主。


图1 DC/AC 单级结构


图2 DC/DC+DC/AC 双极式结构

受电池串联规模的制约,两电平储能PCS直流侧电压600~800 V,均采用低压并网,多用于低压220/380 V场合。因此单机容量较小,从几千瓦到兆瓦,其中绝大多数不超过500 kW。在需要大容量的场合采用多PCS并联提高储能系统容量,利用升压变压器并入中压电网。两电平储能PCS多采用LCL滤波以改善并网电流质量同时降低成本和减小体积,其控制环路阶数高,控制复杂,在弱电网下多机并联容易产生稳定性问题。

4.2 三电平PCS

为提高储能单机容量和改善电能质量,学者对三电平变流器在电池储能方面的应用展开了研究。三电平储能变流器需要对注入直流中性点的平均直流电流进行控制以取得对上下电池组的均衡。在相同的器件条件下,三电平储能变流器可以得到比两电平储能变流器更高的输出电压和更高的容量,直接输出电压可以达到数千伏,单机容量可达数兆瓦,适合单机容量需求较大的场合。

目前三电平储能PCS尚处于研究阶段,未见实际应用的报道。

4.3 级联H桥多电平PCS

多电平PCS又分为级联H桥(cascaded H bridge,CHB)和模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)2种。CHB和MMC结构具有高度模块化的特点、优良的输出特性和简单的电压扩展方式。基于上述2种结构的PCS对功率的控制粒度为一个子模块,可从电路控制的角度促进电池的梯次利用。在某一子模块故障时将其旁路可实现冗余容错运行。通过对不同子模块的差别化控制,该结构还可以现实BESS的相内均衡和相间均衡。

日本学者于2008年对CHB拓扑结构应用于电池储能进行了研究,搭建了200 V/10 kW/3.6 kWh的实验室验证系统,验证了功率控制和相内、相间的均衡控制。CHB-BESS拓扑结构见图3。


图3 CHB-BESS拓扑结构图

在此基础上,2014年进一步实现了500 kW/1.5 kV的级联H桥电池储能系统(cascaded H bridge based battery energy storage system,CHB-BESS),该CHB-BESS三相星形连接,每相6个子模块,通过1.5 kV/6.6 kV升压变压器并网。其CHB-BESS采用PCS和储能电池分别集中布置,其CHB结构的PCS见图4。


图4 日本500kW/1.5kV CHB结构PCS

CHB-BESS无公共直流母线,故只能应用于交流电网。国内外众多学者对CHB-BESS展开了研究。

中国南方电网公司2014年在深圳宝清电池储能站建设了2 MW/10 kV无变压器直接中压并网的CHB-BESS,效率达98.3%。文献[15-18]对其主电路设计、功率控制、冗余控制和SOC均衡进行了研究,同时指出:不经过工频变压器而把储能系统直接接入中压电网,减小了损耗并降低了成本,该结构单机容量可达10 MW以上,易于实现储能系统的大容量化。文献[19]对该CHB-BESS可能的接地故障、影响范围及其保护进行了初步分析。

与日本CHB-BESS不同,宝清储能站的CHB-BESS采用电池分散布置的方式,其储能电池与对应的PCS功率模块就近布置在一起,以尽可能减小直流侧分布参数及其影响。宝清电池储能站见图5。


图5 深圳宝清电池储能站CHB-BESS

从研究与应用情况看,对CHB-BESS的研究比较多,工程上也有应用,但仍有一些不足。目前,CHB-BESS的相内均衡控制和相间均衡控制均是在输入/输出参考功率的基础上产生偏差功率来实现,即均衡必须在输入输出功率的过程中完成,这决定了CHB-BESS只能运行时均衡,而不能离线均衡,故均衡控制的灵活性受到一定的限制。

另一方面,CHB-BESS的特点和潜力尚未得到充分挖掘。利用其模块化结构的特点进行不同批次电池、不同类型电池混用的电池梯次利用的研究尚未深入展开。

4.4 模块化多电平PCS

模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system,MMC-BESS)在规模化电池储能中是非常有前景的拓扑结构,目前相关研究包括配合光伏发电接入、作为电动汽车充电站能量缓冲器和牵引系统等。

MMC-BESS有2种布置电池的形式:在公共直流母线集中布置和子模块中分散布置。文献[20]将MMC-BESS与光伏结合,在MMC子模块的直流侧接入分布式光伏,在公共直流母线上集中储能。文献[23-24]分析对比了MMC公共直流母线直接集中布置储能电池、MMC分散布置储能电池以及CHB-BESS的性能,仿真结果显示MMC分散布置储能电池效率最优,CHB-BESS效率次之,MMC公共直流母线上直接集中布置储能电池效率最低。

根据功率流向,MMC-BESS有着12种不同的运行方式,较MMC-HVDC复杂很多,其控制策略需要进行深入细致地研究。

图6为储能电池分散接入的MMC-BESS拓扑结构图。由于MMC结构中每个子模块均是可控的,因此MMC-BESS对电池的功率控制粒度为一个子模块。


图6 储能电池分散布置的MMC-BESS拓扑结构图

MMC-BESS作为MMC与电池储能的结合,虽然与柔性直流输电同为模块化多电平的结构,在技术方面与MMC有很多相同之处,但其子模块电路结构不同,模块数量差异大,在调制方法、子模块均衡、子模块控制、主电路电压等级与参数设计等方面有其特殊之处。

文献[26]对MMC-BESS的功率控制、模块均衡、桥臂均衡、相间均衡以及均衡增益的限制进行了理论分析和仿真,其采用的均衡控制原理与CHB-BESS的均衡思路相同。文献[27]对两级式MMC-BESS的调制、功率控制、电池均衡和冗余控制进行了研究。其均衡功能利用子模块的冗余功能来实现,具体为:对SOC最大的子模块冗余退出充电,对SOC最小的子模块冗余退出放电,从而实现SOC的均衡。文献[28]对MMC-BESS的调制,相间均衡,功率控制策略进行了研究,其相间均衡利用公共直流母线的环流控制实现。

将光伏组件接到MMC-BESS直流端,直流端口采用变电压运行实现光伏发电的最大功率跟踪,通过一级功率变换即可实现光伏发电和电池充放电控制功能,提高了光伏发电和储能的综合效率。

与基于H桥级联的储能系统一样,MMC结构储能系统PCS控制粒度为一个储能模块。应用于中低压微网/配电网时,通过增加每相模块的数量,可以使得单个模块的电压等级降低到100 V以内,甚至48 V、36 V或24 V。模块电压的降低增加了对电池管理的细粒度,降低了电池管理系统的压力。在模块内部这种低电压场合,功率MOSFET较IGBT在效率上更具优势。由于单个模块电压的降低,模块功率的减小,可以采用软开关技术进一步提高储能系统的效率。

因避免了电池的直接串并联,以模块的形式隔离了电池特性的差异,即使各个模块中采用不同类型的电池,只要辅以合适、完善的电池管理系统,甚至电池容量不同也可以在MMC结构的储能系统中混合使用。

5 结语

大规模电池储能系统的工程设计和应用中,选择何种技术路线,除了考虑技术的先进性,整体成本和技术的成熟度也是至关重要的因素。合理的电池梯次利用可以有效降低电池全寿命周期成本,有利于电池储能的推广应用。

电池储能系统的拓扑结构决定了电池储能应用的电气规模和性能。两电平PCS技术单机成熟度最高,但单机容量小,大规模并联时PCS之间相互影响造成的稳定性问题短时难以解决。

从拓扑结构特点和级联H桥在相关领域的应用来看,CHB结构PCS单机容量在并网电压为10 kV时可以达到10~20 MW,在并网电压为35 kV时,单机容量可达40~50 MW,因此构成大规模电池储能系统所需机组少。且由于CHB-BESS仅需采用电感并网,单机控制模型的阶数低,并联运行时储能站控制环路模型与耦合也远远低于小容量电池储能系统的低压并联时的情况,不易发生稳定性问题。

基于MMC的PCS构成的MMC-BESS尚处于研究起步阶段,多数研究是参照对MMC-HVDC的研究移植而来。鉴于MMC-BESS的运行和控制有其特殊性且其运行模式远较MMC-HVDC复杂,目前对MMC-BESS 的研究尚不全面。

无论是CHB-BESS,还是MMC-BESS,其共同的特点是以模块的形式隔离了电池特性的差异。实现相同容量时,MMC-BESS和CHB-BESS比两电平BESS的电池串并联规模要低一个数量级,这在细化电池管理的同时,极大地降低了电池均衡的压力。反之,在相同的电池串并联规模下,MMC-BESS和CHB-BESS可实现比两电平BESS高出一个数量级的容量。得益于模块化拓扑具有对各个子模块相对独立的功率控制能力,使得在各子模块中采用不同梯次和不同类型的电池成为可能。

作者简介:

凌志斌,男,博士,副教授,从事电池储能系统和新能源发电技术方面研究工作。

黄中,男,硕士研究生,从事电池储能技术方面研究。

田凯,男,硕士研究生,从事电池储能技术方面研究。

引文信息

凌志斌,黄中,田凯.大容量电池储能系统技术现状与发展[J].供用电,2018,35(9):3-8,21.

LING Zhibin,HUANG Zhong,TIAN Kai,et al. The state of art and trend of large scale battery energy storage system technology[ J]. Distribution & Utilization,2018,35(9):3-8,21.

原标题:分布式发电与车联网 | 凌志斌,等:大容量电池储能系统技术现状与发展

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