付金建-级联型高压大容量储能技术研究进展.pdf

1 级联型高压大容量储能技术研究进展 广州智光储能科技有限公司 付金建 2019.04 杭州 三、级联型高压储能系统运行数据 四、关于智光储能 二、构建安全高效的级联型储能系统 目录 ？ 一、大容量储能系统的特殊性 手机电池事故率远低于储能系统 一 大容量储能系统的特殊性一 一 大容量储能系统的特殊性一 大型储能系统的特殊性 一 大容量储能系统的特殊性一 三、级联型高压储能系统运行数据 四、关于智光储能 二、构建安全高效的级联型储能系统 目录 ？ 一、大容量储能系统的特殊性 电池系统架构 一 构建安全高效的级联型储能系统二 P1 Pa1 N P2 P3 Pn 簇 1 簇 2 簇 7 P 1 Pa P N = N ia PP 1 )( N N pppp PNpppP a =•••=== =+•••++= 210 0211 * 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性 一 电芯安装容量利用率 ：假定储能电站损耗为零的情况下 ， 储能电站实际能输出的最大电量与电芯 安装容量之和的比值 （ 百分值 ） 被定义为电芯安装容量利用率 。 由于实际能输出的最大电量在每 个循环周期都有所不同 ， 可以取一定循环次数的平均值 。 1） 电芯安装容量利用率随电芯个数增多而降低 ， 电芯一致性越差 ， 容量利用率越低； 2） 电芯安装容量利用率随电芯保护电压设定值 （ 放电深度 DOD） 不同而变化； 3） 一般而言同一个储能电站 ， 初始运行时安装容量利用率相对较高 ， 随着循环次数增加利用率逐步下降 ； 4） 由于电芯随循环次数的增加自身容量逐步下降 ， 容量利用率也受此影响 。 输出电量 =电芯安装容量 *允许的放电深度 DOD*电芯安装容量利用率 *储能系统效率 *电芯衰减系数 构建安全高效的级联型储能系统二 一 P1 Pa1 N N pppp PNpppPa =•••=== =+•••++= 210 0211 * N P2 P3 Pn 电芯一致性理想 条件下的运行 通过扩充 I来扩 充储能容量 P1 Pa2 012 )( PNPP N ia =N P2 P3 Pn 电芯并联实际运行情况：内 部环流，损失容量。 并联组数越 多，短板效 应越明显， 电芯容量利 用率越低。 ——电池并联引起“短板效应” 容量下降 一 构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性 一 电芯并联后，为避免在充电末端 及放电末端电芯端电压差距较大 引起的电池安全使用问题，必须 降低并联电芯充放电深度 DOD DOD DOD K1 K2 ——电池并联“短板效应”引起 DOD下降 一 构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性 由于输出功率恒定控制，内 阻大的电芯出力不够，其余 电芯超倍率运行，严重影响 其余电芯性能与寿命。 + - Z1 E1 + - + - Z2 E2 Zn En Po 716.8V ◆ 由于整组电池在物理上直接硬连 接 ， 且都是能量体 ， 因此在单电 池芯出现短路问题的时候造成电 压不均衡 ， 导致其余电芯向被该 短路的电芯泄放能量 ， 也就是单 电芯故障后的连锁反应 ， 放大了 事故状态 ， 严重时就是我们看到 的集装箱冒火现象； ◆ 电芯并联加大了 BMS对电芯状态 的判断难度 ， 电芯被滥用的概率 升高 ——电池并联加剧良品劣化，扩大事故范围 一 构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 6~35kV 并网电抗 A相 B相 C相 一个电池簇 构建安全高效的级联型储能系统二 2、小电量的电池包级联组成大容量的储能系统 ——电量 0.2MWh的储能单元组成一套 12MWh储能系统（直接 10kV输出） 构建安全高效的级联型储能系统二 电力电子装置交流串联技术成熟度高 此项技术来源于成熟的高压变频调速技术及高压静止无功发生器 （ SVG） 技 术 ， 相关设备在全球已有几十万台套的运行经验 。 簇 1 簇 2 簇 7 224 被动均衡，通过控制能耗电阻的 通断实现能量均衡，简单，均衡 能力一般 主动均衡，实现能量在不同电芯 之间传递，复杂，均衡能力较高 一 构建安全高效的级联型储能系统二 3、电池簇功率控制技术 ——PCS与 BMS互补，提升电池均衡控制能力和容量利用率，均衡老化速度 级 1 级 2 级 3 级 4 级联模式 簇 1 簇 2 簇 7 224 低压模式 构建安全高效的级联型储能系统二 3、电池簇功率控制技术 ——PCS与 BMS互补，提升电池均衡控制能力和容量利用率，均衡老化速度 ◆由于整组电池在物理上直接硬连接成一个整体使用 ， 为保持各 电芯特性基本相同 ， 要求环境温度接近 ， 对空调布局 、 风道布 局提出高要求 ， 理论上各电芯温差越低越好 ， 但在实际运行中 很难保障 。 由于工作温度不同导致电池差异增大 ， 会显著降低 整组电池出力水平； ◆对系统电池堆安装布线提出了要求 。 簇 1 簇 2 簇 7 224 一 构建安全高效的级联型储能系统二 4、电池温度分区管理，设计可靠的散热系统 ——提高散热可靠性，缩小电池温差 高压直接输出型储能系统 ， 各电池簇直流端相互独立 ， 只需要保证每个电池簇内的 电池工作温度均衡 。 构建安全高效的级联型储能系统二 4、电池温度分区管理，设计可靠的散热系统 ——提高散热可靠性，缩小电池温差 级 1 级 2 级 3 级 4 5、省去变压器，提高单机容量 ——提高效率、节省开关、变压器等配电系统投资 高压级联式转换效率高的原因有以下三点： ➢没有变压器，至少减少 1个百分点的变压器自身损耗； ➢等效开关频率很高，功率变换单元的开关频率降低，有效降低 器件开关损耗； ➢直接输出高压，每相电流减小，线路损耗降低。 构建安全高效的级联型储能系统二 无需滤波设备 ， 输出电压 、 电流 THD3%以下 ， 避免滤波电感 、 电容回路耦合振荡问题 ， 也不存 在滤波参数漂移问题 。 单元输出 PWM 级联后输出高压 PWM波形 构建安全高效的级联型储能系统二 6、移相 PWM控制，省去滤波环节 ——提高系统电能质量，降低谐波 序号 工作项目 工况转换时间 1 0功率运行转 4.5MW充电 2ms 2 4.5MW充电转 4.5MW放电 1.5ms 3 4.5MW放电转 4.5MW充电 2.5ms 4 4.5MW充电转 0功率运行 2ms 5 0功率运行转 4.5MW放电 1ms 6 4.5MW放电转 0功率运行 1.5ms 7 0功率运行转 4.5Mvar吸无功 1ms 8 4.5Mvar吸无功转 2Mvar发无功 2.5ms 9 4.5Mvar发无功转 2Mvar吸无功 1ms 10 4.5Mvar吸无功转 2Mvar发无功 2ms 11 0功率运行转 4.5Mvar发无功 1ms 12 4.5Mvar发无功转 0功率运行 2ms EMS PCS控制器 调度指令下达 无需协同处理 机构。 或者直调 构建安全高效的级联型储能系统二 7、单机响应速度快，少量系统并联即可满足大容量建站需求 ——简化储能站协调控制，提升调度响应速度 构建安全高效的级联型储能系统二 8、功率冗余设计，储能单元自动旁路 ——电芯故障切除容量小，可在线更换电芯 构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站 ——高压方案将 10套 5MW/10MWh的储能系统接入两条 10kV母线 构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站 ——10套 5MW/10MWh的储能系统接入两条 10kV母线 17m 构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站 ——高低压两种方案对比 高压级联方案一次回路 低压方案一次回路 构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站 ——高低压两种方案一次设备对比 低压方案 级联高压方案 储能系统台数 84～ 100 10 10kV变压器台数 25 0 10kV开关数量 25 10 400V开关数量 100 0 每包安装电芯容量 ＞ 1200kWh ＜ 200kWh 直流侧电流 ≈700A ≈140A 直流侧电压 ≈ 700V ≈ 700V 故障切除容量 ≥500kW/1000kWh ＜ 100KW/200kWh 需调控一次设备台数 234～ 250 20 关注储能电站投运中后期运行情况 1） 电芯循环到一定次数之后 ， 电芯本体的差异化逐步体现出来 ， 再加上运行期间各电芯实际工作环境温度 差异进一步加剧电芯差异化进程 ， 储能系统设计方案须考虑应对办法； 2） 电芯一致性变差之后 ， 对储能电站的安全管理带来了挑战 ， 这时候需要进一步降低电池 DOD， 控制电 池特性差异区域的使用 ， 并对特性极差的电芯予以更换； 3） 由于一致性问题加剧 ， 中后期储能电站输出电量将逐年下降 ， 这取决于电芯的一致性特性变化趋势及电 芯的使用模式 、 电芯本体容量的衰减程度； 4） 电芯一致性显著变差后 ， 对 BMS的管理造成巨大的压力 ， 实际均衡效果变差或无法起到均衡作用 ----高 度关注中后期 BMS的实效； 5） 尽早发现并处理特性差的电芯 ， 对于整个储能电站的安全及使用效率有积极的意义 。 综上： 为保证储能电站的安全及使用效率 ， 不建议电池的 大规模化并联使用 为适应电池参数离散 ， 须对电池簇功率进行控制 一 构建安全高效的级联型储能系统二 三、级联型高压储能系统运行数据 四、关于智光储能 二、构建安全高效的级联型储能系统 目录 ？ 一、大容量储能系统的特殊性 企业基本情况一 级联型高压储能系统运行数据三 采用 PCS层级的大功率主动均衡控制，均衡能力强，有效避免了由于电池模块“木桶效应” 对整体储能系统的制约，同时提高了电池的利用率和使用寿命。 1、电池簇的运行功率控制能力 1、电池簇的运行功率控制能力 ——广州某电站储能系统簇间 SOC收敛趋势 级联型高压储能系统运行数据三 2、电池系统容量利用率 ——广州某电站储能系统电量变化趋势 级联型高压储能系统运行数据三