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储能技术丨动力电池梯次利用的异构储能电站设计与实践(2)

北极星储能网  来源:晓说浙电论文    2020/7/2 10:29:28  我要投稿  

随着制造技术和信息化技术的提高与普及,工业领域的零件材料成本大幅度下降,而人工成本大幅度上涨,减少对退役电池的筛选则是降低梯次利用成本的主要措施之一,其方案就是对退役电池包的整包应用。

电池包退役时是以总成的形式,具有完整的充放电接口和

BMS,只需测试其好坏,便是一套现成的电池系统,显然电池包的整包利用是最经济的梯次利用方案。

原电池包的BMS 用于汽车上,所采用的是适用于汽车的CAN 总线和汽车专用协议,而电力行业与汽车行业所采用的通信总线不同,电力行业一般采用Modbus RTU 或IEC 103,IEC 104等协议,若要不拆解电池包直接用于电力储能系统,就必须解决通信不兼容的问题[10]。

为此需要专门开发出一款通信桥接器,实现了原电池包BMS 的CAN 协议与电力系统专用协议之间的转换。

桥接器是一个以微处理器为核心的“智能通信管理器”,设置5 个通信口:1 个CAN 接口,2 个RS485 接口,1 个LAN,1 个WIFI;CAN 接电池包,其他4 个可接储能系统不同形式的通信接口。在软件上可对电池包BMS 的信息进行管理,可任意调整参数的数据域,可把不同电池包的不同数据域重新调整为完全相同的数据域,供储能系统不同硬件接口的设备标准化访问。形成一个虚拟的“桥”,这个“桥”一头接电池包,另一头接储能系统,以解决通信硬件、软件不兼容的问题,为整包梯次利用建立数据通信。图1 中第4 或5回路即是电池包桥接器的应用框图。

通信桥接管理器内嵌Linux 实时多任务操作系统和多种通信规约,如:SC-1801,部颁CDT,IEC 101,IEC 103,IEC 104,Modbus RTU,Modbus TCP,DL/T 645—2007 等,采用动态库动态调用。根据不同的PCS 调用不同的通信协议,这些协议可以任意组态,针对不同类型的电池包,形成一种梯次利用的专用“桥接管理器”,完全利用电池原有的BMS,即可达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的,几乎没有拆解与重组成本,更无需额外配置BMS。

2 储能电站运行实践

2.1 充放电能力

动力电池安全隐患本质是电池热失控,而对电池过充、快充、低温充电等导致的析锂是诱发电池热失控的主要原因[11]。本电站储能载体为不同类型、结构、时期的退役动力电池,通过控制充放电倍率,降低退役动力电池内部的热失控风险,提高退役动力电池应用的安全性。结合表2及配合电站功率均衡的控制策略,将储能电站各回路充放电功率分别设置为各回路标称容量0.1倍、0.1 倍、0.2 倍、0.25 倍、0.25 倍,目的是防止对退役动力电池过充过放,测试工作环境为室温。图9—13 分别是各回路充放电电流及容量变化曲线。

图9 第1 回路充放电电流及容量曲线

图10 第2 回路充放电电流及容量曲线

图11 第3 回路充放电电流及容量曲线

图12 第4 回路充放电电流及容量曲线

图13 第5 回路充放电电流及容量曲线

电站各回路按照恒功率的控制方式,各回路充放电的功率分别是6.4 kW,5.7 kW,5 kW,10 kW 和8 kW。在充放电过程中,各回路配置BMS 进行保护,为了安全起见,电芯间压差过大或过温等情况下,BMS 将进行保护,因此,各回路电池容量并没有完全充满或放空。各回路充放电设定的功率是恒定的,电压则不断变化,根据公式I=P/U,PCS 不断地调节电流以达到恒功率充放电的目的。依照图9—13 可知,在初始和结束阶段会以一个较小的电流进行充放,起到激活和保护电池的作用;整个充放电过程中,各回路的退役电池不会出现“一充就饱,一放就了”的情况,放电功率不会随电池的容量降低而下降。

2.2 运行效果

电站从2017 年投入运行至今,运行基本稳定,在电网用电谷时段,对储能电站进行充电,电网用电峰时段,储能电站对电网进行放电,图14 为典型代表日储能电站削峰填谷运行曲线,∑P 是5 个回路功率的累加,因电池容量的差异只能在短时间内达到最大功率的输入与输出,表3 所示为典型代表日储能电站削峰填谷运行数据,是图14 的说明。结合图14 和表3 数据,表4为典型代表日的储能电站各回路实际充放电电量及效率。

图14 典型代表日储能电站削峰填谷运行曲线

表3 典型代表日储能电站削峰填谷运行数据

表4 典型代表日储能电站各回路实际充放电电量及效率

GB/T 36549—2018《电化学储能电站运行指标及评价》规定,储能单元充放电能量效率是衡量储能电站能效指标之一,依据表4 数据,磷酸铁锂的数据优于三元锂,铅酸电池效果最差,第1和2 回路充放电效率在55%左右,其电芯生产日期为2010 年,早期动力电池梯次利用价值不大,近几年来我国动力电池技术进步迅速,无论是性能还是能量密度都有了很大提升,也有效延长了电池使用寿命。但目前已经退役的动力电池多为早期投入市场,这批电池使用能量密度低、性能稳定性差,进行梯次利用价值并不大,因此其充放电效率也在合理范围之内;第4 和5 回路充放电效率值比较为理想,主要由于现阶段制造动力电池工艺水平的进步,电池能量密度、性能稳定性都有所提升。

2.3 充放电切换时间

调度响应成功率主要包含电站自动化系统响应时间及设备响应时间,电站自动化系统数据采用Modbus TCP 通信协议传输,通信介质为超6类屏蔽双绞线,通信响应时间小于1 ms。检测方式在每回路直流侧增设电流分配器,对储能变流器进行等功率充放电切换,通过采集电流分配器电压信号判断储能变流器充放电切换时间,充放电功率以5 kW 为一个递增量,一般在80 ms 以内,其数值在国标规定的范围内。第1 回路30 kW 充放电切换波形如图15 所示。

2.4 电能质量

电能质量是评价某个电网或某个供电点电能质量优劣的主要方法[12]。储能电站运行期间,利用电能质量分析仪对储能变流器交流侧充放电时的电能质量进行检测,检测项为电流电压的有效值、电流电压峰值、谐波、不平衡等。经实测,各回路充放电时的电能质量均在国家标准规定范围内,储能电站各回路25 kW 放电电能质量测试数据(部分)见表5。

图15 第1 回路30 kW 恒功率充放电切换波形

表5 储能电站各回路25 kW 恒功率放电电能质量测试数据(部分)

3 结论

储能电站运行效果评价包括充放电能力、能效水平和设备运行状态3 个方面[13],其中,充放电能力评价包括储能电站实际可充放电功率、实际可放电量以及储能单元能量保持率指标。经过对电站各回路的充放电能力、运行效果、切换时间和电能质量的数据分析,得出以不同类型、结构、时期的退役动力电池为储能载体的异构兼容电站符合储能电站的技术要求。

动力电池梯次利用异构兼容储能电站已正式投运,达到了对退役动力电池梯次利用过程中的技术路线探索的目的,经运行情况分析,得到以下结论:

(1)退役动力电池类型各异,回收筛选工作量大,异构兼容能够有效解决类型各异的动力电池不兼容问题。

(2)退役动力电池整包利用是成本最低的一种方式,充分利用了原BMS 资源,又无需拆解电池包,既省时、省力,又减少工业固体废物的排放,符合国家对工业固体废弃物的政策导向要求。

随着电力市场改革的深入推进,储能电站存在着多场景的复合运行模式,可以为市场参与者提供调频、调峰等辅助服务[14]。发展梯次利用动力电池储能产业具有高度的战略意义和强烈的能源与环境诉求,同时也有着广阔的市场前景[15-20]。退役动力电池的梯次利用具备应用潜能,异构兼容、整包利用等理念的设计和实现为退役动力电池的梯次利用寻找新的应用点,将不同类型、结构、时期的退役动力电池进行梯次利用,应用于电力储能,既可实现能源调节,也为社会承担起责任。

参考文献:(略)

DOI:10.19585/j.zjdl.202005007

 

原标题:储能技术 | 动力电池梯次利用的异构储能电站设计与实践

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