大規(guī)模儲(chǔ)能電站多電池簇儲(chǔ)能單元的分析與優(yōu)化

魏照中 葉冬挺 許 飛

1.上海電氣電站工程公司 上海 2011002.上海電氣國軒新能源科技有限公司 上海 201100

1 研究背景

隨著分布式能源、可再生能源、能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,全球正經(jīng)歷一場史無前例的能源變革。根據(jù)國際能源署的預(yù)測,2040年全球可再生能源發(fā)電量占比將達(dá)到34%。全球大部分國家和地區(qū)都提出了清潔能源的目標(biāo),可以預(yù)見,清潔能源將逐步替代傳統(tǒng)能源,并最終占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著可再生能源發(fā)電占比的提高,電網(wǎng)的可調(diào)節(jié)性和穩(wěn)定性將受到影響。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù),在電力系統(tǒng)中增加存儲(chǔ)環(huán)節(jié),可以平抑大規(guī)模可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)所帶來的波動(dòng)性,提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。儲(chǔ)能能夠在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)壓、調(diào)峰、調(diào)頻等多種作用,大容量電力儲(chǔ)能技術(shù)具有調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、跟蹤精確、可雙向調(diào)節(jié)的特點(diǎn),根據(jù)不同的接入位置可以分為電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能。

鋰電池儲(chǔ)能效率高,能量密度大,循環(huán)壽命長,是現(xiàn)階段適合進(jìn)行工程應(yīng)用的技術(shù)路線。根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫不完全統(tǒng)計(jì),截至2019年底,全球已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到184.6 GW,電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量為9 520.5 MW,其中,鋰離子電池儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量最大,達(dá)到8 453.9 MW。由此可見,鋰離子電池裝機(jī)規(guī)模占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先。而電池系統(tǒng)如果不配備先進(jìn)的電池管理系統(tǒng),則可能導(dǎo)致電池單體或電池組的性能變差,過早老化。

光伏電站、風(fēng)電場等的出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性,無法滿足全天候電網(wǎng)側(cè)調(diào)度需求和用戶側(cè)需求響應(yīng),因此需要引入長時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng)來彌補(bǔ)電力缺口。儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能測試評(píng)價(jià)方法為功率-能量法,儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定能量為額定功率與額定充放電時(shí)間的乘積。在儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率和電池簇參數(shù)一定的情況下,儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定充放電時(shí)間越長,儲(chǔ)能系統(tǒng)或儲(chǔ)能單元的額定能量越大,儲(chǔ)能系統(tǒng)或儲(chǔ)能單元下掛的電池簇?cái)?shù)量就越多。現(xiàn)有儲(chǔ)能電站的常見額定充放電時(shí)間為1～4 h,大規(guī)模儲(chǔ)能電站中鮮有額定充放電時(shí)間長于4 h的儲(chǔ)能系統(tǒng)。額定充放電時(shí)間長于4 h的多電池簇儲(chǔ)能單元,具有很大的市場應(yīng)用潛力,其系統(tǒng)可靠性和安全性值得研究。

在電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種故障中,對(duì)系統(tǒng)危害最大且發(fā)生概率最高的是短路故障。筆者針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電站多電池簇儲(chǔ)能單元進(jìn)行系統(tǒng)短路電流分析,在Etap軟件中建立仿真模型,對(duì)系統(tǒng)集成方案提出優(yōu)化建議,同時(shí)討論精細(xì)化電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性。

2 多電池簇儲(chǔ)能單元原方案

某百兆瓦級(jí)大容量磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目要求儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定充放電時(shí)間為6.5 h,每套儲(chǔ)能單元的功率為2 MW,能量為13.356 MWh。單套儲(chǔ)能單元中包含兩套1 MW功率變換系統(tǒng),每套功率變換系統(tǒng)下掛6.678 MWh電池堆。每個(gè)電池堆由28個(gè)電池簇組成,每個(gè)電池簇能量為238.5 kWh,額定電壓為1 192.3 V。多電池簇儲(chǔ)能單元原方案如圖1所示。

圖1 多電池簇儲(chǔ)能單元原方案

某品牌儲(chǔ)能電池供應(yīng)商提供的電池簇短路試驗(yàn)曲線如圖2所示,短路故障發(fā)生時(shí),每個(gè)電池簇在0.741 ms時(shí)提供的短路電流達(dá)到最大值6.27 kA,且?guī)缀跏窃谝凰查g達(dá)到最大值。當(dāng)電池簇的并聯(lián)數(shù)量較多時(shí),直流系統(tǒng)的短路電流水平也會(huì)達(dá)到一個(gè)較大值,這將對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成很大沖擊,給系統(tǒng)的運(yùn)行操作及保護(hù)元器件的選擇提出了更高的要求。

3 原方案短路電流分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備選型需要,考慮三個(gè)可能的短路故障點(diǎn),分別位于電池簇出口處、電池簇匯流母線處、功率變換系統(tǒng)輸入口處。在Etap軟件中建立多電池簇儲(chǔ)能單元原方案仿真模型,如圖3所示。

圖2 電池簇短路試驗(yàn)曲線

仿真得到多電池簇儲(chǔ)能單元原方案短路電流,見表1。

從三方面對(duì)表1進(jìn)行分析。

圖3 多電池簇儲(chǔ)能單元原方案仿真模型

表1 多電池簇儲(chǔ)能單元原方案短路電流

(1) 當(dāng)某電池簇出口處發(fā)生短路故障時(shí),該電池簇出口處短路電流由其它并聯(lián)的27個(gè)電池簇的短路電流決定,此時(shí)電池簇出口處的短路電流高達(dá)169.35 kA,導(dǎo)致該電池簇所在匯流柜分支回路無法選擇合適的開關(guān)設(shè)備,短路故障通過分支回路的熔斷器分?jǐn)唷?/p>

(2) 當(dāng)電池簇匯流母線處發(fā)生短路故障時(shí),匯流母線處的短路電流由所接的28個(gè)電池簇共同決定,此時(shí)匯流母線處的短路電流為175.63 kA,導(dǎo)致匯流柜出線回路無法選擇合適的開關(guān)設(shè)備。

(3) 當(dāng)功率變換系統(tǒng)輸入口處發(fā)生短路故障時(shí),短路電流同樣由所接的28個(gè)電池簇共同決定,此時(shí)功率變換系統(tǒng)輸入口處的短路電流為175.63 kA,導(dǎo)致功率變換系統(tǒng)輸入口同樣無法選擇合適的開關(guān)設(shè)備,短路電流由入口處熔斷器分?jǐn)唷?/p>

多電池簇儲(chǔ)能單元原方案直流系統(tǒng)近200 kA的短路電流遠(yuǎn)高于合理范圍,給開關(guān)產(chǎn)品的制造和選型帶來極大困難。據(jù)了解,當(dāng)今市場并未出現(xiàn)符合200 kA級(jí)動(dòng)熱穩(wěn)定電流的開關(guān)設(shè)備,導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)中無法設(shè)置開關(guān)設(shè)備,系統(tǒng)運(yùn)行、操作、檢修的靈活性大大降低。由此可見,多電池簇儲(chǔ)能單元原方案存在明顯設(shè)計(jì)缺陷及安全隱患。

4 多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案

為了解決多電池簇儲(chǔ)能單元原方案直流系統(tǒng)中短路電流引起的問題,對(duì)多電池簇儲(chǔ)能單元原方案進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化思路如下:功率變換系統(tǒng)輸入口分為兩個(gè)分支回路,儲(chǔ)能單元的28個(gè)電池簇分別接入功率變換系統(tǒng)的兩個(gè)分支回路,分支回路可能流過的短路電流由14個(gè)電池簇提供,功率變換系統(tǒng)輸入口處的短路電流減小為多電池簇儲(chǔ)能單元原方案的1/2,大大降低了開關(guān)設(shè)備的選擇難度。

5 優(yōu)化方案短路電流分析

在Etap軟件中建立多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案仿真模型,同樣考慮三個(gè)可能的短路故障點(diǎn)——電池簇出口處、電池簇匯流母線處、功率變換系統(tǒng)輸入口處,如圖4所示。

仿真得到多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案短路電流,見表2。

圖4 多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案仿真模型

表2 多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案短路電流

從三方面對(duì)表2進(jìn)行分析。

(1) 當(dāng)某電池簇出口處發(fā)生短路故障時(shí),該電池簇出口處短路電流由所在功率變換系統(tǒng)分支回路并聯(lián)的13個(gè)電池簇和另一個(gè)功率變換系統(tǒng)分支回路所接的14個(gè)電池簇共同決定,此時(shí)電池簇出口處的短路電流高達(dá)169.35 kA,導(dǎo)致該電池簇所在匯流柜分支回路無法選擇合適的開關(guān)設(shè)備,短路故障通過分支回路的熔斷器分?jǐn)唷?/p>

(2) 當(dāng)電池簇匯流母線處發(fā)生短路故障時(shí),匯流母線處短路電流由所在功率變換系統(tǒng)分支回路并聯(lián)的14個(gè)電池簇和另一個(gè)功率變換系統(tǒng)分支回路所接的14個(gè)電池簇共同決定,此時(shí)匯流母線處的短路電流為175.63 kA。

(3) 當(dāng)功率變換系統(tǒng)輸入口處發(fā)生短路故障時(shí),兩個(gè)分支回路分別提供87.82 kA短路電流,功率變換系統(tǒng)輸入口處匯總母線的短路電流為175.63 kA,短路電流由功率變換系統(tǒng)分支回路熔斷器分?jǐn)唷?/p>

通過以上分析可知,多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案中,功率變換系統(tǒng)輸入口兩個(gè)分支回路可能流過的最大短路電流為87.82 kA,為多電池簇儲(chǔ)能單元原方案功率變換系統(tǒng)單一輸入口處短路電流的1/2,使在該處設(shè)置開關(guān)設(shè)備成為可能。經(jīng)過調(diào)研,直流負(fù)荷開關(guān)廣泛應(yīng)用于不間斷電源、光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)中,國內(nèi)外市場上短路短時(shí)耐受能力最強(qiáng)的負(fù)荷開關(guān),其短路耐受電流為100 kA/1 s,最大關(guān)合電流為100 kA,匹配多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案中直流系統(tǒng)短路電流。儲(chǔ)能單元中設(shè)置負(fù)荷開關(guān),方便電池組投運(yùn)和退出,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

6 多電池簇儲(chǔ)能單元系統(tǒng)集成

筆者從短路電流的角度對(duì)多電池簇儲(chǔ)能單元的方案進(jìn)行了分析和優(yōu)化,需要注意的是,多電池簇并聯(lián)容易加重電池和電池簇的不一致性,進(jìn)而降低電池組的整體性能,導(dǎo)致電池壽命縮短。

6.1 精細(xì)化電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用

鋰電池具有明顯的非線性、時(shí)變特性和不一致性,在應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行管理。當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于動(dòng)力設(shè)備中時(shí),由于各單節(jié)鋰電池內(nèi)部特性不一致,會(huì)導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充放電不一致,形成木桶效應(yīng)。一節(jié)鋰電池性能惡化時(shí),整個(gè)電池組的行為特征都會(huì)受到限制,電池組整體性能降低。另一方面,鋰電池對(duì)充放電的要求很高,當(dāng)出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時(shí),鋰電池溫度會(huì)上升,導(dǎo)致電池壽命縮短。

精細(xì)化電池管理系統(tǒng)具有電池檢測、保護(hù)、狀態(tài)預(yù)測、充放電控制、均衡、通信等功能,通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電池使用過程中的各狀態(tài)量,保證電池的使用安全,提高電池的使用效率,從而延長電池的使用壽命。通過精細(xì)化電池管理系統(tǒng)精確評(píng)估電池組中電池的使用狀態(tài),并將電池信息準(zhǔn)確提供給儲(chǔ)能系統(tǒng)控制中心,進(jìn)行科學(xué)合理的決策、控制、保護(hù)。

電池均衡方式分為主動(dòng)式均衡、被動(dòng)式均衡、主動(dòng)被動(dòng)相結(jié)合混合式均衡三種。主動(dòng)式均衡能夠?qū)㈦娏肯鄬?duì)充足的電池的能量向電量相對(duì)較低的電池轉(zhuǎn)移,能量利用率高,在充放電階段都可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,主動(dòng)式均衡控制原理復(fù)雜,成本高,相關(guān)技術(shù)并不成熟,目前應(yīng)用較廣的還是被動(dòng)式均衡。被動(dòng)式均衡一般采用并聯(lián)電阻方式,將多余的電池能量以熱能方式耗散掉。當(dāng)某節(jié)電池需要均衡時(shí),為電池提供一條放電通路。被動(dòng)式均衡通常用于充電階段,當(dāng)電池電壓達(dá)到充電上限電壓時(shí),可以避免電池電壓繼續(xù)上升。

作為整個(gè)儲(chǔ)能單元中監(jiān)測和判斷電池工作狀態(tài)的設(shè)備,精細(xì)化電池管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行而言至關(guān)重要。

6.2 雙向DC-DC變換器的應(yīng)用

雙向DC-DC變換器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用,可以起到電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離的作用。當(dāng)儲(chǔ)能單元能量較高時(shí),為避免多電池組并聯(lián),可以采用兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖5所示。雙向DC-DC變換器主要進(jìn)行升降壓變換,提供穩(wěn)定的直流電壓。需要注意的是,由于存在DC-DC變換器,功率變換系統(tǒng)效率降低。

圖5 兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案,在每個(gè)電池簇出口或兩個(gè)電池簇并聯(lián)的出口設(shè)置DC-DC變換器,可以有效限制電池簇提供給匯流母線的短路電流,減小儲(chǔ)能單元直流系統(tǒng)的短路電流,并且可以通過電壓變換提高電池簇之間的一致性。

雖然應(yīng)用DC-DC變換器可以有效減小儲(chǔ)能單元的短路電流,提高電池簇的一致性,但是當(dāng)前雙向DC-DC變換器的價(jià)格與儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)設(shè)備的售價(jià)相當(dāng),因此會(huì)在較大程度上影響儲(chǔ)能單元的經(jīng)濟(jì)性。另外,市場上雙向DC-DC變換器的最高效率為99%,會(huì)使儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體循環(huán)效率降低至少2%,給儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能帶來不利影響。

7 結(jié)束語

某百兆瓦級(jí)大容量磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目中,多電池簇儲(chǔ)能單元原方案中直流系統(tǒng)短路電流超過合理值,直流系統(tǒng)中無法設(shè)置開關(guān)設(shè)備控制電池簇的投運(yùn)和退出,設(shè)計(jì)不合理,會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行安全。對(duì)此,筆者提出多電池簇儲(chǔ)能單元優(yōu)化方案,通過在Etap軟件中建立仿真模型,驗(yàn)證優(yōu)化方案可以有效減小功率變換系統(tǒng)分支回路的短路電流,使在儲(chǔ)能單元中設(shè)置開關(guān)設(shè)備成為可能,提高了儲(chǔ)能單元的運(yùn)行靈活性和檢修便利性。筆者所做分析與優(yōu)化為儲(chǔ)能電站的高效、安全運(yùn)行,以及多電池簇儲(chǔ)能單元的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。