大容量锂电池储能系统容量测试方法研究-论文

华 北 电 力 技 术 NO RT H C HI NA E L EC T RI C P OWE R 41 新 能 源技 术 大容量锂电池储能系统容量测试方法研究 文玲锋 李 娜 白 恺 陈 豪 李 智 1 国网冀北 电力有限公 司信息通信分公 司 北京 1 0 0 0 5 3 2 华北电力科 学研 究院有限责任公 司 北京 1 0 0 0 4 5 摘要 近年电力储能技术处 于高速发展 阶段 我 国大容量储 能项 目逐年 增加 但 运行数据积 累少 运维手段 缺乏 文章通过 文献标 准调研 和现 场试验 提 出了一种适用于大容量锂 电池储 能 系统的容量 测试 方法 并使 用该方 法对 实际储 能 系统进行 了试验 试验结果证明该方法能够 准确测量储 能单元容量 定位储 能单元异 常 单体 为储 能单元维护提供指 导 关键词 储能单元 容量测试 一致 性 中图分类号 T M 9 1 2 9 文献标识码 B D O I 1 0 1 6 3 0 8 j c n k i i s s n l O 0 3 9 1 7 1 2 0 1 5 O 1 0 1 0 S t u d y o n t h e M e t h o d o f Te s t i n g Ca p a c i t y o f La r g e S c a l e Ba t t e r y En e r g y S t o r a g e S y s t e ms W e n Li n g f e n g L i Na Ba i Ka i Ch e n Ha o L i Z h i 1 S t a t e G r i d J i b e i I n f o r ma t i o n T e 1 e c 0 mmu n i c a t i o n C o mp a n y B e i j i n g 1 0 0 0 5 3 C h i n a 2 No r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r Re s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 C h i n a Ab s t r a c t El e c t r i c e n e r g y s t o r a g e t e c h n o l o g y i s i n a s t a g e o f r a p i d d e v e l o p me n t i n r e c e n t y e a r s l a r g e c a p a c i t y s t o r a g e p r o j e c t s h a v e i n c r e a s e d y e a r b y y e a r i n C h i n a h o w e v e r t h e o p e r a t i o n d a t a a n d ma i n t e n a n c e me t h o d a r e s t i l l l a c k i n g I n t h i s a r t i c l e t h r o u g h t h e l i t e r a t u r e i n v e s t i g a t i o n a n d f i e l d t e s t c a p a c i t y t e s t me t h o d i s p r o p o s e d f o r a l a r g e c a p a c i t y l i t h i um b a t t e r y e n e r g y s t o r a g e s y s t e m a n d u s e d i n t he a c t u a l e n e r g y s t o r a g e s y s t e m t e s t T he r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d c a n a c c u r a t e l y me a s u r e t h e e n e r g y s t o r a g e u n i t c a pa c i t y l o c a t e a b n o r ma l e l e me n t s p r o v i d e g u i d a n c e f o r t h e e ne r gy s t o r a g e uni t ma i nt ena nc e Ke y wo r d s e n e r g y s t o r a g e u n i t c a p a c i t y t e s t c o n f o r mi t y 0 引言 由于风力 发 电 和光 伏 发 电装 机 的迅 猛 发展 大容量储能系统 以其可以平滑风光波动 调节风 光输 出功率 曲线 等 优 势 得 到 了 关 注 与发 展 截 止 2 0 1 3年底 除抽水蓄能 压缩空气储能及储 热 外 全球 储 能项 目总装 机 容 量达 7 3 6 MW 中 国在 运行 的储 能项 目装机 规模 达 到 5 1 5 MW 较 2 0 1 2 年增 长 3 9 但 目前 所 投运 的储 能 电站 运 行 时 间均 较 短 运 行 数 据 积 累 少 运 行 人 员 对 设 备 性能掌握不 足 运维手段 缺乏 不利 于保 障新 能 源 电站 的安 全经 济运 行 而在诸多维护 人员关注 的储 能电站性 能参 数 中 最能直接体现储能系统发电性能 的参数是 储 能 系统 的可 用 容 量 储 能 系 统 是 否 有 足 够 的 容量 关 系到 储能 系 统 是否 能 按 照 初始 设 计 完 成 各 项功 能 储 能 电站 的运行 人 员 根 据 可用 容 量 的 大 小来 对运行 方 式 进行 决 策 同时 容量 是 对 电池 进行 维 护 的重要 依据 直接 指导 现场 维护 工作 电池 的容 量 是 指 在 一 定 的放 电条 件 下 可 以 从 蓄 电池 中获 得 的 电量 锂 电池 容 量 不 是 恒 定 不 变 的参 数 其 变 化 规 律 非 线 性 其 会 随 循 环 次 数 的增 加而 衰减 同 时受 到 多 重 因素 的影 响 储 能系统 的 容 量 的 衰 减 程 度 不 仅 与 电 池 单 体 性 能 相 关 也 与 成组性 能相 关 其 影 响 因素从 电池 单 体来说 主要是锂 电池充放 电 电压 电流 使用方 法 和环 境 因素 从 成 组 后 的 系 统 来 说 性 能 退 化 速率与成组方式 环境 使用方式等 相关 另一 方面 容 量 的大 小 又 与测 试 方 法 相关 对 于 同一 个锂电池单体或储能系统 在同一时刻容量的测 4 2 华北 电力技术 N O R T H C H I N A E L E C T R I C P O WE R 试方法 不 同 其 容量 大小 也有 差异 针 对 以上 问题 本 文 以大 容 量 锂 电 池储 能 系 统 为研 究对 象 研 究 适 用 于现 场 测 试 的通 用 容 量 测试方 法 在 现 场 开 展 试 验 并 对 试 验 数 据 进 行 分析 1 容量测试方法研究现状 目前 国 内外 已形 成 较 为 完 备 的 针 对 锂 电池 单体 锂 电池模 组 的 容量 测 试 标 准 例 如 国 际 上 电动道路 车辆 锂 离子 动力 电池 包 和 电池 系统 测 试规 范 I S O 1 2 4 0 5 2 0 1 2 I E C在 2 0 1 2年 通 过 的标准 电气公路用车 的驱动用辅助锂离子 电池 第一部分 性能试验 I E C 6 2 6 6 0 1 等等 国内主 要有 电动汽 车用 锂离子蓄 电池 Q C T 7 4 3 2 0 0 6 锂 离 子 电 池 总 规 范 Q B T 2 5 0 2 2 0 0 0 国家标准 电动汽 车用锂离子 动力蓄 电池 系 统 等等 此类标准 的容 量测试方法在 文献 2 中已 经详细讨论 针对 储 能系统 容 量 测试 的标 准 目前 国 内主 要 有两个 系 列标 准 一 是 国家 电网 企业 标 准 储 能 系 统接入 配 电 网系列 标准 中的 储 能 系 统接 入 配 电网测试规范 Q G D W 6 7 6 2 0 l 1 二是大容 量储 能 电 站 系 列 行 业 标 准 目前 还 处 于 送 审 阶 段 这 两个 标 准 对 于储 能 系 统 容 量 测 试 方 法 的 规 定为 1 储 能 系统 以额定 功率 1 倍 率 电流 额 定 功率 一 恒 电压 组 合 或 1 倍 率 电流 一 恒 电压 组 合 4 种 模式 之 一 放 电 达 到放 电 终 止 条 件 怠 机 运 行 至 稳定 状态 2 储 能 系 统 以额 定 功 率 l倍 率 电 流 额 定 功 率 一 恒 电压 组 合 或 1倍 率 电流 一 恒 电 压 组合 4种 模 式 之 一 充 电 达 到 充 电终 止 条 件 怠 机运 行 至稳 定状 态 3 以同 一 种 充 放 电模 式 重 复测 试步 骤 1 2 当 3个连 续循 环 内的 放 电 容量 相差 在 2 范 围 内时 终 止 测 试 由 于标 准 的适 用范 围包 括 各 类 电 化 学 电磁 等 储 能 形 式 考 虑到 系统特 性差 异 标 准 并 没有 给 出容 量 测 试 截止 条件 和 确定 的充 放 电模 式 因此 在 工 程 应 用 时还 有一 定 的局 限性 目前 国内 主 流 锂 电池 储 能 厂 家 所 规 定 的 容 量试 验 方法 也有 所差 异 表 1列 举 了 4个 储 能 厂 家 在 进 行 储 能 系 统 维 护 时 使 用 的 容 量 测 试 的 方 法 针 对 以上 问题 本 文重 点 研 究 适用 于大 容 量 锂 电池 储 能 系 统 的容 量 测 试 方 法 包 括 预 处 理 充放电模式及截止调节等 为其交接验 收 运行 维 护提 供参 考 2容量试验流程设计 本 文通 过 对 国 内外 储 能 系 统 测 试 标 准 的深 入 研究 对 国 内主 流储 能 厂 家容 量 测 试 方法 的调 研 结合多 次在风 光储示 范 电站进行 的 容量试 验 反 复修 正 提 出 了适 合 各 种 结 构 储 能 系 统 容 量 测试 方法 2 1预 处 理 预处 理 的 目的 是 将 荷 电状 态 参 差 不 齐 的各 电池 组 串调 整 基 本 一 致 并 整体 放 电 至 S O C 为 0 充 分 静 置 使 得 被 试 机 组 性 能 处 于 稳 定 状 态 为后 续容 量试 验 做 准备 预 处 理 的方 法 为 将 表 2所列 步骤 重复 两遍 表 1 国 内部分锂 电池厂家容量 测试 方法 充 电 停 机 静 置 放 电 停机静置 储能变流器额定功率 0 k W 储能变流器额定功率 O k W 组 内任一 电池单体达到最高 电压或某一组串达到电压上限 大 于 3 0 mi n 组内任 一电池单体达到最低 电压或某一组 串达到电压下限 大 于 3 0 rai n 华 北 电 力技 术 N ORT H CHI NA E L EC T RI C P OWE R 43 2 2容量 试 验 在容 量试 验 流程 的 设 计 上 本 文 主 要 针对 充 放电策略和截止条件做出了改进 1 截 止条 件 的设计 用 于大 容 量 锂 电池 储 能 系 统 的 变 流 器 有 多 种拓 扑结 构 从 电力 电子 电路 的拓 扑 结 构 上 分 为 单级 式 和两 级式 单级 式 变流器 由一个 A C D C电 路组成 这种结构从 电池 组 串的控 制角度来说 其 最主要 的 特 点 是 直 流 侧 所 有 电 池 组 串必 须 统 一 控制 而 两级 式 变流 器 由 A C D C和 D C D C电 路共 同构成 当有 多 个 D C D C电流 并 联 时 可 以 分 别控 制直 流侧 电池 组 串 某 一 组 串达 到 截 止 条 件 即可 停 止 工 作 其 他 组 串继 续 充 放 直 至所 有 组 串达 到 截 止 条 件 因此 当充 放 电功 率 较 大 并 且 电池 组 串一致 性 差 异 较 大 时 两 级 式 变 流 器 储 能 单元 的各 电池组 串会 逐 一退 出运 行 最 后 退 出 的组 串承受 的电流 显 著 增 大 这对 于保 证 电池 寿 命 是不 利 的 因此本 文 为 了最 大 限度 保 障 电池 安 全 将 各 种 拓 扑结 构 的截止 条件 统 一 定 为整 个 P C S下 任 意一个电池单体 达到截止 电压或任 意一组 电池 组 串达 到截止 电压 一 般储 能 系 统 中 电压 上 下 限 有 两 种 划 定 方 式 一是从 电 池 正 常 工 作 的 角 度 给 出 单 体 电池 工作 电压范围 一般 国内主流锂 电池厂家电压下 限为 2 5 2 8 V左右 电压上 限为 3 6 3 8 V 左右 二 是 电池管 理 系 统 电池 电压 超 限 报 警保 护 值 该值的设定各厂 家有所 不 同 有 的与 电池 正 常工 作 范 围相 同 有 的厂 家 范 围大 于 电池 正 常 工 作 范 围 0 1 V左 右 出于 对 电池 的保 护 及 现 场 生 产运 行 要求 将 截止 条 件 设 置 为 电池 正 常 工 作 范 围 不应 高 于 电池 电压超 限报 警保 护值 2 充放 电策 略 相 关标 准 中对 于 容 量 测 试 时 的 充 放 电 策 略 规 定基 本 均为 同一 模 式 充 放 本 文在 多 次 试 验 中 发 现 对 于 已经 运 行 了一 段 时 间 的 储 能 系 统 一 致 性 有所 劣化 如果 以一种 方 式 如额 定 功 率 进 行 充 放 则 在充 放 电末 期 S O C大 于 9 0 或 小 于 1 0 会很 快 达 到 截 止 条 件 而 在 充 放 电末 期 性 能异 常 的单体 会 更加 凸显 如 果 充 放 电 末期 时 间 短数据少 则不利于在后期进行数据分析时查找 异 常单体 因此本 文设 计 了在 充 放 电末 期 进 行 降功 率 运行 的充 放 电策 略 充 放 电 电流 越 少 越 有 利 于 电池 充分 的充 满 或 放空 充放 电时 间也 越 长 因 此综 合考 虑各 方 面 因素 设 计 了以 2 0 额定 功 率 作 为步 长 在 充 放 电末 期 进 行 降 功 率 运 行 以风 光储 储 能系统 为 例 可 以将 一 个 充放 电循 环 控 制 在 8 h以内 以变流器 额 定功率 2 5 0 k W 电池正 常工 作 电 压 范 围为 2 5 3 6 V 的储 能 单 元 为 例 步 骤 如 表 3所示 表 3 第 二 次 容 量 试 验 流 程 步骤 工作方式 功率参数 截止条件 按 照表 3步 骤做 3次 循 环测 试 检 查 3次 放 电容量 差值 如 果大 于 2 则 进行 第 4次 容量 试 验 直 至放 电容 量差 值在 2 以 内 如果 3次放 电 容 量差 值在 2 以内 结 束试 验 3 容量试 验数据分析 本文对标称能量容量为 7 5 0 k Wh的某储能 单 元进 行 多次容 量 试 验 取 两次 较 为 典 型 的数 据 进行分析 两次试验 中环境温度相似 试验过程 中最 高温 度 2 5 最 低温 度 2 2 3 1第 一次试 验 第一 次试 验条 件 为储 能 单 元 停 电检 修数 月 电池 长期 静 置 后 进 行 容 量 测 试 连 续 3次 放 电 容量 分 别为 4 9 2 8 5 A h 4 9 2 3 2 A h 4 9 1 9 7 A h 被 试机 组 可用容 量 为标称 容量 的 6 5 从 3次循环中任选 1次循环作为分析样本 在充放 电平台区 电压差异最大值为 1 0 0 8 m V 最小 值 为 5 5 5 m V 在充 放初期 及放 电末 期 电压 4 4 华 北 电 力技 术 N ORT H CHI NA E L E C TR I C P O WER N o 1 2 01 5 差 异最大 值 为 6 9 9 2 m V 在 充 电末 期 及 放 电初 期 电压差 异最 大 值 为 2 7 9 m V 图 1为最 高最 低 单体 电压 曲线和储 能单 元最大单 体电压极差 曲线 出 警 缸 叵 磊 器荨昌 器 暑 等 n r 呈 图 1 第一 次容 量试 验电压一致性 曲线 由于 电压 一致 性 较差 进 一 步分 析 被 测 机 组 各组串电压 差异 储能单元 电压 最小值全程 均 出 现在第 5组 电池 中 横 向对 比 发 现 大 多 数 情 况 下整组 电压最小 值 均为单 体 6 9 4 电池管 理 系 统 中编 号 的 电压 值 如 图 2所 示 除第 5组 外 电压一致 性 良好 图 2第一次容量试验各组 电压极差 温 度一 致性 方 面 整个 充 放 电过 程 温度 极 差 均 为 4 7 q C 环 境 温 度 造 成 的 柜 体 上 下 温 差 为 3 4 C 图 3为 最 高 最 低 单 体 温 度 曲线 和 储 能 单元 最大 单体 温度 极差 曲线 图 3第一次容量试验温度一致性 曲线 3 2第 二次试 验 在进 行第 二次 试 验之 前 针对 第 一 次 试 验 发 现 的 问题 进行 维护 重点 关 注 第 5组 方法 如下 1 将所 有 电 池 放 电 至 截 止 电 压 对 率 先 达 到 截 止电压的 电池组拆卸下来使用外接充放 电仪进 行单独充电 至其余电池的平均水平 2 将所有 电池 充 电 至 截 止 电压 对 率 先 达 到 截 止 电 压 的 电 池组 拆 卸 下 来 使 用 外 接 充 放 电仪 进 行 单 独 放 电 至其 余 电池 的 平 均 水 平 3 观 测 充 放 电 过 程 将过 程 中 电压 变化 过 快 的 电池 拆 卸 更 换 备 件 电池 再次 进行 容量 测试 连续 3次 放 电容量 分别 为 6 8 6 6 5 A h 6 7 3 5 1 A h 6 8 0 1 5 A h 被 试机 组 可 用容 量为 标称 容量 的 9 1 5 电压 一 致 性 方 面 在 充 放 电平 台 区 电压 差 异最 大值 为 7 4 5 m V 最小 值为 2 7 m V 在充 放初 期及 放 电末期 电压 差 异 最 大值 为 6 4 1 3 m V 在 充 电末期及放 电初期 电压差异最大值为 2 5 2 8 m V 如 图 4所 示 经过 维 护 后 电压 开始 快 速 上 升 的 拐 点 出现 比较 一 致 没 有 提 前 开 始 上 升 的 电 池 组 电压 极 差 有所 减 小 电压 一 致 性 曲 线如 图 5 所 示 可 以看 出 第 5组 电池在 经 过 维 护 后 一 致 性明显变好 而组 1电池维护效果较差 暑 图 4第二次容量试 验电压一致性曲线 图 5第二次容量试验各组 电压一致性 曲线 下转 第 6 4页 华 北 电 力 技 术 NOR T H C HI NA E L EC T RI C P OWER NO 1 2 O l 5 增 强火 力 发 电机 组 参 与 电 网考 核 的经 济 效 益 和 社 会 效益 参考 文献 1 国家 电 力 监 管 委 员 会 华 北 监 管 局 华 北 电监 市 场 2 0 0 8 1 6号 实施 华北 区域发 电厂并 网运行管理实施 细 则 和 华北 区域并 网发电厂辅助 服务 管理 实施细 则 的 通知 s 2 国家 电 力 监 管 委 员 会 华 北 监 管 局 华 北 电监 市 场 2 0 0 9 1 1 0号 关于 印发 华 北 区域 发 电厂 辅助 服务及 并 网运行管理实施细则的有关修改条款 的通知 S 3 国家 电力监管委员会华北监管局文件 华北 电监市场 2 0 1 1 3号 关于印发 华北 区域发 电厂辅 助服务及 并 网 运行管 理实施 细则的有关修改条款 的通知 s 4 李丹 梁吉 孙 荣富 等 并 网 电 厂管 理 考 核 系 统 中 A G C调节性 能补 偿措 施 J 电力 系统 自动 化 2 0 1 0 3 4 1 0 1 4 2 1 7 5 曾德 良 赵征 陈彦桥 等 5 0 0 MW 机组 锅炉模 型及实 验分析 J 中国电机工 程学 报 2 0 0 3 2 3 5 6 谷俊杰 任公伶 杨 智 等 多 目标机炉 协调 控制 中控 制变量阈值范 围的确定 J 华北 电力大学 学报 2 0 1 1 3 8 4 6 8 7 5 收 稿 日期 2 0 1 4 7 1 6 作者简介 康静秋 1 9 7 8 一 硕 士 高级 工程师 主要研究方 向为 电厂热工控制的系统辨识 仿真优化等 本文编辑徐伟婷 业业夸 j 夸 业 j jk 韭业坐毒 业 妊j I 9 9 业业宣I j 夸 j 窜 夸 业 k j j jl 业夸 业业业 上 接第 4 4页 温 度一 致性 方 面 如 图 6所 示 最 大 单 体 温 度 差 为 8 最小 单体 温度差 为 4 一 r 一 总 体 最 南 单 体 电 压 温 度 总 体最低单体电压温度 ll 一 l l l l l 霸 图 6第二次容量试验温度 一致 性曲线 4 结论 本 文通 过大 量标 准 调 研 及 现场 试 验 提 出 了 适 用于 大容 量锂 电池储 能 系 统 的 容量 测 试 方 法 其要 点 为 1 对 于 直 流 侧 D C D