基于新型功率架構的退役動力電池儲能系統在配網中的應用

譚志龍，劉濤，劉俊峰

（云南電力技術有限責任公司，昆明 650217）

0 前言

隨著全世界石油資源的逐漸枯竭和電池技術的進步，電動汽車開始在全國乃至全世界范圍內逐漸推廣應用，然而應用于電動汽車的動力電池的性能隨充放電次數的增加而衰減，當動力電池SOC 下降到原來的80%時，將無法滿足電動汽車嚴苛的使用要求。隨著電動汽車保有量的持續增加，在未來幾年將有大批車用動力電池達到使用壽命而退役，現有的拆解回收無法充分利用其殘余價值。然而應用于配電網中的電化學儲能系統應用場景較為溫和，對電池的性能要求較低，將退役電池梯次利用于配網的儲能系統是充分挖掘其殘值的好方法，國內外也展開相關的研究，國際上的儲能技術以特斯拉的Powerpack 最為熱門，我國的比亞迪新能源、陽光三星電源、中行鋰電等也進行儲能電站系統的研發，推出多種類型的電化學儲能產品[1-6]，但是現有的技術方案對退役電池一致性要求高，測試和篩選成本高，存在整體轉換效率較低和BMS 系統技術復雜的問題，無法實現真正意義上的梯次利用，因此如何實現退役電池真正的梯次利用是亟待解決的關鍵問題。

1 梯次利用退役電池的現狀

電化學儲能系統在配電網中可以對配變削峰填谷、作為應急電源緊急供電，保障配網供電可靠性，同時可以解決配網中配變三相不平衡、低電壓和諧波污染等電能質量問題，但是鋰電池高昂的價格是該技術推廣應用的瓶頸，梯次利用退役動力鋰電池是打破價格瓶頸的方法，國內外學者對該領域爭相研究。

美國能源部阿貢國家實驗室（ANL）研究量化評估了退役電池的儲能容量衰減規律；美國Sandia 國家實驗室（SNL）分析了退役動力電池的再應用成本，并構建了相應的經濟性分析模型，發現決定其應用效果的關鍵因素包括電池模組的標準化、重組電池模塊的人力成本、電動汽車用戶參與電池二次利用的激勵機制和電池容量保持率狀態預測精度。2016 年9 月特斯拉推出了其第二代Powerpack 儲能解決方案，并在18 個國家布署了近300 MWh 的特斯拉電池。特斯拉的儲能功率變換架構中電池均由小容量的18650 電池單體組成，其單個電池模組的額定電壓僅為48V，需要通過一級隔離型DC/DC 變換器將電壓升至儲能變流器的直流側幾百伏的直流電壓電壓，由于DC/DC 模塊變比較大，導致損耗嚴重，整個系統的能量循環效率大為降低。此外特斯拉第二代Powerpack 儲能系統電池的串并聯規模較大增大，使得BMS結構復雜并且在電池模組的成本當中占據了相當的比重。

我國科研技術人員也緊跟國際形式和國內需求，進行儲能電站系統的研發，比如比亞迪新能源公司等陸陸續續研發出各種類型的電化學儲能產品，形成光伏、儲能等智能微網一體化的產品，并有很多實用化的應用案例，國網河南電力公司和南瑞集團于2014 年8 月在河南建成退役動力電池儲能示范工程，該工程位于鄭州市尖山真型輸電線路試驗基地，是國內首個真正意義上的基于退役動力電池的混合微電網系統。當前國內主流的儲能系統解決方案如圖1 所示，其直流母線的電池均由多個電池單體串聯，以得到較高的直流母線電壓，電池組串進行大規模并聯得到較大的等效電池容量，通過大功率AC/DC 變流器并網。這種架構中單個電池串有數百個電芯組成，對電池的一致性要求較高。而當前市面上的電動汽車型號繁多，不同車型的動力電池標準與容量不一，即使是同一車型，退役的動力電池也會擁有不同的健康狀況與剩余容量。當前一種解決方案是將電池單體進行拆解、篩選與重組，測出電池的容量、歐姆內阻、極化內阻、自放電值等數據，并利用加權k-means 聚類方法，將整體一致的電池編為一組，但是該方法測試和篩選工作量較大，淘汰率大，整體成本已接近購置新電池，實際中無法實施。另一方案是依靠昂貴的主動均衡電路來保持電池的一致性，以省去電池成組時測試和篩選的繁雜工序。但對于混搭儲能的退役電池模組而言，其容量等特性的差異遠遠超過主動均衡電路的輸出能力，在實際應用中無法實現。

綜上所述，目前退役動力電池梯次利用過程中存在轉換效率低、測試篩選成本高和BMS系統復雜的問題，無法實現退役電池組的自由混搭，導致梯次利用缺乏實際可操作性。

圖1 國內主流廠商的儲能系統拓撲圖

2 新架構的退役電池儲能系統

對于當前退役電池梯次利用中存在的問題，提出一種能夠減小退役電池顆粒度、提高整體轉換效率和簡化BMS 系統的一種新型儲能系統架構，新架構能實現不同廠家不同狀態的退役動力電池的真正意義上的梯次利用。

2.1 儲能系統新架構拓撲

新型儲能系統拓撲如圖2 所示。統包括交流配電網、配電網變壓器、配電網斷路器、本地負荷、控制調度中心和儲能系統，儲能系統包括斷路器、變壓器、儲能變流器（PCS）、AC/DC 變換器和儲能電池組。該架構采用多個AC/DC 變換器采用共交流母線的結構，每個AC/DC 變換器下面接一組特性基本一致的儲能電池，但是每個AC/DC 變換器所接的儲能電池組之間可以存在SOC 或者容量上的差別。該儲能系統架構與國外技術相比，僅有一級AC/DC 功率變換，轉換效率高于特斯拉等公司的二級功率變換。與國內主流的儲能系統相比，從結構上將1 個大功率PCS 變成在每個電池串和交流母線之間多個AC/DC 模塊，具有以下優點：①即使每串電池端電壓不同，也可通過調節AC/DC 模塊，讓每串電池組并聯在交流母線上運行，即性能和容量不同的電池串可以混合使用；②可通過控制系統調節每個AC/DC 模塊變比，保證每串電池組輸出到交流母線電壓基本一致，本質上消除各串之間的環流，不依賴BMS 中復雜的能量均衡系統，大大簡化BMS。但是此種架構也有自身的局限性，要求直流側電池組的電壓應至少高于600 V，與國內主流的電池組端電壓相當。

在整個系統運行時，一般由交流配電網給本地負荷供電，儲能系統可以根據主動配電網中控調度系統的指令輸出或吸收有功功率和無功功率，實現無功補償或者削峰填谷的功能；當交流配電網發生故障時，配電網斷路器斷開，儲能系統可以運行在應急電源模式，為本地負荷緊急供電。

圖2 新型儲能系統拓撲圖

2.2 新型儲能系統硬件電路

新型儲能系統硬件電路如圖3 所示。儲能系統通過交流斷路器與本地負荷相連，d/Yn11型號的升壓變壓器低壓側與交流母線相連，每串電池組通過AC/DC 變換器與交流母線相連，AC/DC 變換器采用三相三橋臂兩電平（或三電平）拓撲結構，其中AC/DC 的交流濾波器部分可以采用LCL 型濾波器可將變流器開關頻率成分的高頻諧波濾除[7]，AC/DC 經過濾波后與交流緩沖電路相連，緩沖電路可以在合閘時抑制浪涌的沖擊。配電網通過靜態開關為本地負荷供電，根據配電網運行需要，通過并網斷路器向配網中注入有功、發出（或吸收）無功功率進行無功補償，改變三相輸出電流治理三相不平衡或作為諧波源治理配網諧波污染，當配網發生故障時，靜態開關可以快速斷開為配網應急供電。

圖3 新型儲能系統硬件電路

2.3 新型儲能系統削峰填谷控制策略

梯次利用退役動力電池的儲能系統的重要的功能之一就是削峰填谷，平滑配網中配電變壓器負荷曲線，PCS 具有雙向潮流控制能力，當配變負載過大時，PCS 作為逆變器將退役電池電能上傳到電網，減小配變負載率，當配變輕載時，PCS 作為整流器將電網富裕電能存儲到退役電池中，使配變始終運行在經濟容量。在緊急的情況下，它也可以為局域配網提供緊急功率和峰荷的電力支持，并作為智能電網一個堅強的支撐節點，有效地保障智能電網的穩定運行。新型儲能系統削峰填谷控制流程如圖4 所示。削峰控制策略的原則是“待機電池組優先，剩余電量多的電池組優先”，填谷控制策略的原則是“待機電池組優先，剩余電量少的電池組優先”。

圖4 新型儲能系統削峰填谷控制流程

圖4 中，S 為配變當前負載；S0為配變滿載定值；S1為配變空載定值；S2（i）為第i 串電池組當前容量；S3（i）為第i 串電池組剩余容量定值；S4（i）為第i 串電池組滿容量定值。

當配變當前負荷高于S0 時，判定配變峰值出現，首先將待機的PCS 按照容量從大到小排序并對電池組編號1，2，.......，m，優先釋放剩余容量較多的電池組電能，若1 號PCS 電池組容量超過該串電池組剩余容量定值，則發出放電指令，隨后循環到下一PCS 放電，當每個電池組實際容量小于等于該串電池組剩余容量定值時，停止放電。

充電過程與放電過程控制策略類似，當配變當前負荷低于S1 時，判定配變谷值出現，首先將待機的PCS 按照容量從小到大排序并對電池組編號1，2，.......，m，優先充剩余容量較少的電池組電能，若1 號PCS 電池組容量低于該串電池組滿容量定值，則發出充電指令，隨后循環到下一PCS 充電，當每個電池組實際容量大于等于該串電池組滿容量定值時，停止放電。

3 結束語

本文對國內外梯次利用退役電池的儲能系統現狀進行分析，總結現有技術存在的不足，提出一種小顆粒度、高轉換效率的新型功率架構的退役動力電池儲能系統，對系統拓撲結構、硬件電路和控制策略等進行分析，為退役動力電池真正意義上梯次利用提供技術參考。