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面向智能微网的锂电池储能系统总成技术研究陈蓓 李劲 上海电气集团股份有限公司中央研究院（200070）陈蓓（1985年11月），女，博士，工程师。主要从事可再生能源领域，例如能源转换与储存技术，能源系统管理、优化与控制技术研究。摘要：本文首先根据储能技术在电力系统中的应用情况，分析了锂电池储能技术的优势应用领域，列举了国内外较具代表性的锂电池储能示范工程。接着结合某智能微网的应用，对锂电池储能系统总成技术的研究现状进行了重点阐述。综合考虑规模等级、设备形态、技术水平和经济成本，锂电池储能技术具备大力推广的潜力，但还需克服技术难点，朝着高安全、长寿命、低成本的目标努力发展。关键词：锂电池；储能技术；智能微网中图分类号：TM 911.14On lithium battery energy storage technology in smart microgridAbstract: In this paper, the development of the energy storage industry and the research of the lithium battery energy storage technology are discussed. By analyzing the applications of the energy storage technologies in power system, the domain application of lithium battery energy storage technology are investigated, and some representative lithium battery energy storage demonstration projects are given. Considering the scale level, the device forms, technology and economic cost, lithium battery energy storage technology has the potential to promote, but also need to overcome technical difficulties toward high safety, long life, and low-cost development goal.Key Words: lithium battery; energy storage technology; smart microgrid引言日益突出的环境问题和资源问题促进了新能源的迅猛发展，目前，这些可再生能源的发展面临电力品质差和并网难的瓶颈问题。同时，现阶段用户对电能质量和电力品质要求越来越高，传统的电力系统已经不能很好地满足用户的需求，智能电网和微电网等电网新技术应运而生。储能技术是解决新能源发电并网、建设智能电网和微电网的关键技术，将迎来巨大的市场机遇。根据市场调查公司Pike Research的报告数据，全球储能市场将在未来十年实现100倍的增长，此间将吸引投资额1220亿美元。本文首先对储能产业在分布式发电及微网领域的发展应用现状进行总结，然后结合某智能微网的具体应用，重点分析锂电池储能系统总成技术的研究现状。1. 储能产业发展应用概况在中国，截至2013年10月底，累计运行、在建及规划的储能项目总量近60个，装机规模超过75MW，其中分布式发电及微网型储能项目是最多的，如东福山岛风光储柴项目、南麂岛微网项目、西藏阿里光伏储能项目、青海玉树分布式光水蓄互补系统等。储能在该领域的迅速发展，既是偏远地区无电人口用电问题亟需解决的迫切市场需求，也是中国政府产业政策推动的结果。下表对国内外共12个装机容量在千瓦级以上的项目进行了统计1。从表中看到，锂电池储能技术在千瓦级以上的微网和分布式发电项目中占有比例远高于其他类型的储能技术。表1 储能技术应用于分布式发电和微网的装机情况储能技术装机容量/KW所占比例/%锂电池704880.94液流电池800.92先进铅酸电池158018.14国内外，锂电池储能技术在电力系统中的示范项目不断增加，图1列举了较具代表性的3个示范项目（其中南方电网和国家电网的示范工程均为一期的情况）。图1 国内外锂电池储能示范项目储能系统能否以设备形态应用于电力系统是决定其能否得到大规模推广应用的重要因素，也就是说，投入应用的储能系统应易于批量化和标准化生产，便于控制与维护，可以作为电力系统中的一类设备，而不是以工程形态出现。在众多储能方式中，电池储能是契合设备形态需求较好的一种储能技术2。下面就结合某智能微网的应用为例，对锂电池储能系统总成的关键技术及产业现状进行阐述。2 面向智能微网的锂电池储能系统总成图2所示为根据某智能微网的需求而研发的一套100kWh锂电池储能系统。关键设备主要包括储能电池、电池管理系统（Battery Management System, BMS）、能量转换系统（Power Conversion System，PCS）和监控系统四部分，系统拓扑结构如图3所示。电池管理系统通过对电池的全方位信息采集、准确的容量估算、科学的均衡管理以及快速响应的保护策略，实现电池成组后的智能化管理，确保系统安全可靠运行。触摸屏界面可以显示系统运行及状态信息，并实现控制。图2 面向智能微网的100kWh锂电池储能系统PCS电池堆图3 锂电池储能系统拓扑结构图2.1 储能电池近年来，锂电池技术发展迅速，在材料制备、制造工艺和电池性能上和国际水平差距不大。目前，国内作为动力电池使用的单体锂电池技术已较为成熟，包括比亚迪、微宏、力神在内的多个电池厂家能提供现成产品，对于储能用的电池，关键技术为大规模电池成组技术以及成组后的科学管理。成组示意图如下所示：图4 电池成组示意图电池在生产和使用过程中，会造成电池的自放电率、内阻、电压、容量等参数的不一致，这种差异表现为电池组充满或放完时串联电池之间的电压、容量的不相同。如图5所示。 图5 锂电池容量不一致示意图电池不均衡时，使用时易发生过充和过放现象，放电时电压过低的电芯会被过放，充电时会过充，电池组的离散性增加，从而导致电池容量加速衰减，最终使电池组提前失效，甚至可能引发安全问题。如何利用简单、可靠的分选方法，筛选出性能尽可能一致的电池用来成组，对锂电池在大规模储能中的推广应用具有重要的科学与实践意义。解决电池之间的不一致性问题需要从多个方面进行考虑。首先，各单体电池之间的初始性能参数应一致；其次，要求单体的性能在使用中应该保持一致；最后，在电池组或电池模块的设计、制作、组合、管理及维护过程中也需要特别注意。现阶段缓解电池性能不一致的方法主要有：在设计阶段，合理的热管理系统设计；在组装阶段，有效的单体电池分选；在使用阶段，配备单体电压检测、电池均衡等电气保护。针对电池组装阶段的电池一致性，分选方法可分为两类：静态一致性和动态一致性。需要结合具体需求、成本要素等综合考虑，选择合适的分选方法。2.2 电池管理系统电池管理系统通过监控和管理储能电池，实现电池成组后的智能化管理，确保系统安全可靠运行，也最大限度延长电池寿命，并将电池信息传输给相关子系统，为系统整体决策提供判断依据。图6 100kWh储能系统配套电池管理系统拓扑结构图国内包括高特、钜威新能源、海博思创等公司已经能提供基于较高采样精度的BMS产品，关键技术是高精度电池荷电状态（State of Charge，SOC）估算技术、电池模块热管理技术和电池电量一致性均衡技术。其中，均衡技术是指通过调整单节电池充电电流方式，保证系统内所有电池的电池端电压时刻具有良好的一致性。SOC估算技术是指通过在充放电过程中在线实时监测电池容量，随时给出电池系统的剩余容量，将电池SOC的工作范围控制在合理范围内。目前主要采用的SOC估算方法有开路电压法、安时积分法、内阻法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。难点1：电池荷电状态高精度估算方法电池的荷电状态体现了电池当前所存储的电量，是BMS实现控制策略调整的评判标准。所以SOC估算是BMS的主要任务和技术难点。影响SOC的因素很多，如环境温度、充放电效率、循环寿命、自放电等，它们彼此耦合，因此根据这些参数来精确估测SOC并不容易。传统的电池SOC估算方法缺点较明显，适用范围也有限。目前在实际应用中，使用较多的是开路电压法与安时积分法相结合的方法。需要注意的是，安时积分法存在较大的累积误差，必须定期进行修正，而开路电压法只有在电池长时间静置稳定后方可获得精确的结果，即离线修正，这在实际应用中较难实现。因此，兼具离线和在线修正能力的SOC估算方法是解决方法之一。难点2：电池模块热管理技术模块热管理的目的是保证电池工作温度的均匀性，避免因温度场差异造成的电池性能不一致性，延长电池组使用寿命；避免电池组内局部热积累造成的热失控等安全事故。目前研究重点有：电池及电池模块热效应模型的建立，电池箱温度场建模及仿真模拟分析，电池箱温场控制系统设计及构建。图7-9是针对电池模块温升做的实测实验与仿真实验。 图7 模块温升实测实验 图8 模块温升对比实验 图9 模块温升仿真实验难点3：电池组均衡技术由于电池不可避免的存在不一致性，这种不一致性将导致充放电不均衡现象，长期运行会大大降低电池寿命。因此提出对电池进行均衡控制，以期提高电池使用寿命，降低系统成本。目前均衡技术主要分为被动和主动均衡两种。相对于能量消耗型的被动均衡技术，主动均衡技术属于能量转移型，实际应用时更有利于进行电池组热管理，更环保。根据北京海博思创科技有限公司的实际路测对比数据，采用主动均衡长时间使用后电池剩余电量差异在5%以内，行驶里程提高30%。图10 北京海博思创科技有限公司的实际路测对比考虑到主动均衡电路结构复杂、可靠性有待提高，控制难度大，需要高精度的电压采集等原因，具体采取何种均衡方式，要视用户具体需求而定。2.3 能量转换系统能量转换系统是储能系统中的关键设备，起到电池储能系统直流电流与交流电网之间的双向能量传递作用。用于储能系统的能量转换系统不同于光伏逆变器和风电变流器，光伏逆变器是电能从电池板到电网的单向流动，风电变流器只保证输入输出功率平衡。用于储能系统的能量转换系统既要与电池接口完成充放电管理，又要与电网接口实现并网功能。目前，面向大容量储能系统的PCS拓扑结构尚未统一，为了适应不同的电压等级和满足不同的应用需求，PCS的主电路拓扑结构各不相同。典型的可分为以下两种：（1） 仅含DC/AC环节的PCS这种结构如图5所示，PWM 变换器的输出部分接有升压变压器，以便其电压与所并联的交流网络电压相匹配，同时起到将电池储能系统与外部系统的电气隔离作用。蓄电池系统充电时，PWM 变换器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量储存在蓄电池中；放电时 PWM 变换器工作在逆变器状态，将蓄电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统3。这种仅含 DC/AC 环节的 PCS 拓扑结构的优点是适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，PCS环节能耗相对较低。该结构的主要缺点是系统体积大、造价高；储能系统的容量选择缺乏灵活性；电网侧发生短路故障有可能在PCS直流侧产生短时大电流，对电池系统产生较大冲击等。图11 仅含DC/AC环节的PCS（2） 包含DC/DC和DC/AC环节的PCS该结构的 DC/DC 环节主要是进行升、降压变换，从而避免变压器的使用。电池充电时，PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向 DC/DC 变换器降压得到电池充电电压；放电时，PWM 变换器工作在逆变状态，双向 DC/DC 变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。这种含 DC/DC 和 DC/AC 环节拓扑结构的 PCS的主要优点是适应性强，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理；由于 DC/DC 环节可实现直流电压的升、降，使得电池的容量配置更加灵活；适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入配合，抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是多了 DC/DC 环节，整个 PCS 系统的能量转换效率有所降低；大容量 PCS 的 DC/DC 与 DC/AC 环节的开关频率、容量及协调配合关系还有待研究。图12 包含DC/DC和DC/AC环节的PCS国内专门从事面向储能系统PCS的生产厂商并不多，比亚迪基于其先进的大功率逆变技术，现已成功开发出应用于储能系统的100kW、250kW、500kW等各规格的PCS，国内知名厂家还有合肥阳光电源、北京索英电气等。2.4 监控系统监控系统目前在电力系统应用广泛，技术已经比较成熟，但对于储能系统，还需实现对电池堆的有效管理以及承担储能系统的高级应用控制功能，市场上已有的产品难以满足上述技术需求，需要在现有的监控平台上进行二次深化开发。2.5 系统集成储能系统集成方面，比亚迪公司、宁德时代新能源有限公司提出可根据客户需要定制移动储能系统产品方案，中航锂电已成功开发出2.5kWh、50kWh的储能电源模块，以及200kWh一体化移动电源系统。系统的集成主要包括完整的集成方案与关键设备的集成，大容量储能系统的完整集成方案可以分为以下三步：（1）首先考虑储能系统的综合效率和荷电状态限制，并综合考虑不同应用模式以及不确定因素（包括电网故障和负荷增长），当配合分布式能源时还要考虑输出功率的波动特性等，在此基础上，结合经济性分析，对储能系统的容量进行优化设计；（2）根据储能容量开展电池成组设计，从可靠性的角度出发，设计串并联连接方式，特别要注意散热结构的设计；根据储能容量和应用模式，对关键设备（主要是能量转换系统）进行选型和设计，这里涉及到大容量PCS的技术规范要求和多台PCS并联技术；（3）整体设计完成后，通过仿真软件或者实际工程数据对系统进行总体评估，评估内容可以从技术和经济两方面展开，比如寿命评估、效率评估、补偿效果评估、技术性总体评估、单位投资成本评估等。关键设备间的集成主要包括大容量能量转换系统与电池及电池管理系统的接口技术。由于电池模块众多，串并联拓扑结构复杂，匹配不当会导致电池系统出现环流/对充等问题，检修更换也易产生安全事故。需要综合考虑可靠性、维护检修等多方面因素，在保证大容量锂电池的使用寿命和安全性的条件下，合理地进行集成设计。3 大容量电池储能系统技术难点综合分析发现，目前整个市场的研究侧重点还在电池技术和单一装置上，对系统应用和集成的研究不够，技术路线尚不清晰，还没有完整、成熟的针对整个储能产业的解决方案。开展大容量锂电池储能系统存在以下技术难点：1）大量单体电池构成的大容量储能系统，成组技术、SOC及SOH状态估计与监