2022電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)電池本體和管理系統(tǒng)的需求

電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)電池本體和管理系統(tǒng)的需求目 錄CONTENTS儲(chǔ)能電池綜述1234電池本體產(chǎn)品需求電池管理系統(tǒng)需求合作展望設(shè)計(jì)靈活、配置方便模塊化設(shè)計(jì)，通過并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)20MW以上級(jí)別系統(tǒng)規(guī)模，不受地理?xiàng)l件限制響應(yīng)速度快毫秒級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)額定功率范圍內(nèi)的有功無功的輸入和輸出精確控制能夠在可調(diào)范圍內(nèi)的任何功率點(diǎn)保持穩(wěn)定輸出雙向調(diào)節(jié)能力充電為用電負(fù)荷，放電為發(fā)電電源，額定功率雙倍的調(diào)節(jié)能力綠色環(huán)保，促進(jìn)環(huán)境友好集約用地，減少資源消耗科學(xué)安全，建設(shè)周期短技術(shù)成熟其他優(yōu)勢(shì)1 儲(chǔ)能電池綜述1-1

電化學(xué)儲(chǔ)能綜述相比較其它儲(chǔ)能方式，電化學(xué)儲(chǔ)能電站（系統(tǒng)）主要優(yōu)勢(shì)包括：動(dòng)態(tài)無功支撐斷面功率控制新能源儲(chǔ)能互補(bǔ)010307 大電網(wǎng)緊急控制移峰填谷 0502 調(diào)頻服務(wù)+“虛擬同步機(jī)”0604 微網(wǎng)/冷熱綜合能源黑啟動(dòng)/熱備用081 儲(chǔ)能電池綜述1-1電化學(xué)儲(chǔ)能綜述儲(chǔ)能電站面向電網(wǎng)側(cè)及新能源消納實(shí)際運(yùn)行需求，在以下方面開展應(yīng)用示范：儲(chǔ)能容量選擇，需綜合考慮系統(tǒng)潮流、調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓及緊急控制等各方面需求；目前，儲(chǔ)能容量選擇主要受限于建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本約束。調(diào)峰、調(diào)頻、緊急控制：主要是面向解決全網(wǎng)性問題，客觀上儲(chǔ)能配置越大越有效。調(diào)峰需求能量型儲(chǔ)能，一般不小于2h，調(diào)頻和緊急控制需求功率型儲(chǔ)能，持續(xù)時(shí)間一般小于0.5h即可。調(diào)壓：主要考慮電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功需求，功率型儲(chǔ)能，容量越大，動(dòng)態(tài)無功支撐能力越強(qiáng)。48.848.94949.149.249.349.449.549.6系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)/Hz0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000儲(chǔ)能配置容量/MW華東電網(wǎng)典型小負(fù)荷方式下雁淮直流雙極閉鎖下儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)的改善效果1 儲(chǔ)能電池綜述1-2

儲(chǔ)能容量選擇目 錄CONTENTS儲(chǔ)能電池綜述1234電池本體需求電池管理系統(tǒng)需求合作展望滿足電網(wǎng)調(diào)頻的持續(xù)高倍率充放電滿足電網(wǎng)調(diào)頻，調(diào)峰需求的充放電循環(huán)次數(shù)滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求的滿充放轉(zhuǎn)換的快速響應(yīng)滿足電網(wǎng)要求的穩(wěn)定運(yùn)行以及安全性滿足收益要求的成本及系統(tǒng)效率滿足電池易維護(hù)，電站無人值守的設(shè)計(jì)要求滿足電池高效使用的SOC運(yùn)行范圍滿足環(huán)境要求的寬工作范圍123456782 電池本體需求2-1

電池選型：選型原則電池類型鉛炭電池鋰離子電池（磷酸鐵鋰）鋰離子電池（三元鋰）全釩液流電池工作電壓（V）22.8-3.73.2-4.21.5能量密度(Wh/kg)25-50130-160200-2207-15功率密度（W/kg）150-500500-10001000-150010-40倍率性能0.25C長(zhǎng)期2C/瞬時(shí)5C長(zhǎng)期2C/瞬時(shí)5C2～5CSOC推薦使用范圍30%~80%10%～90％10%～85％30%~90%電池組循環(huán)次數(shù)1000-30003000-50002500-4000＞10000工作溫度-20~60℃充電-10~45℃/放電-20~55℃充電-30~55℃/放電-30~60℃-5~60℃響應(yīng)速度<10ms毫秒級(jí)毫秒級(jí)毫秒級(jí)安全性析氫等弱風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施得當(dāng)燃燒風(fēng)險(xiǎn)較低燃點(diǎn)低，燃燒等風(fēng)險(xiǎn)較高五氧化二釩等毒性弱風(fēng)險(xiǎn)環(huán)保性存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境友好環(huán)境友好環(huán)境友好能量成本(元/kWh)800-13001300-16001500-20002200-2300電池效率80~90%98%@0.1C/90%@1C98%@0.1C/90%@1C60%~75%2-2

電池參數(shù)對(duì)比2 電池本體需求儲(chǔ)能系統(tǒng)類型鉛炭電池鋰離子電池（磷酸鐵鋰）鋰離子電池（三元鋰）全釩液流電池集裝箱規(guī)格40呎40呎40呎20呎集裝箱數(shù)量100個(gè)100個(gè)50個(gè)400個(gè)（另需配置電解液儲(chǔ)罐）BMS設(shè)計(jì)難度簡(jiǎn)單，主要以監(jiān)控為主復(fù)雜，需要考慮SOC估算精度以及均衡算法十分復(fù)雜，電壓抖動(dòng)劇烈，SOC估算難度較大，一致性需要精準(zhǔn)的均衡算法一般系統(tǒng)集成可行性可行可行，國(guó)內(nèi)主流技術(shù)路線，方案相對(duì)成熟待驗(yàn)證，日韓為代表的國(guó)外技術(shù)路線，尚未掌握核心技術(shù)，一致性問題較為嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一待驗(yàn)證運(yùn)維特點(diǎn)電池壽命短，運(yùn)維差別化服務(wù)難可實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)維難實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)維，安全因素是制約可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，但增添電解液作業(yè)繁瑣，工程浩大初始投資相對(duì)少適中較大較大2-3

電池選型：成組方案對(duì)比2 電池本體需求2-4

選型建議綜合比較各電池技術(shù)參數(shù)：鉛炭電池成本較低，但倍率特性低、循環(huán)壽命短、響應(yīng)速度慢及存在環(huán)保問題；全釩液流電池具有較高的倍率特性、循環(huán)次數(shù)高，但其功率及能量密度低、占地面積大，且高成本；鋰離子電池具有較高的能量和功率密度，較高的倍率特性、寬SOC運(yùn)行范圍、循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，其中三元鋰離子電池具有更高的能量及功率密度，但存在安全性及成本問題。根據(jù)總體需求，兼顧電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰等其他應(yīng)用場(chǎng)景。2 電池本體需求2 電池本體需求鋰離子電池的風(fēng)險(xiǎn)國(guó)內(nèi)外近期發(fā)生多起鋰離子電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故。7月2日，韓國(guó)靈巖一風(fēng)力發(fā)電園區(qū)內(nèi)ESS儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)生重大火災(zāi)事故，造成706㎡規(guī)模電池建筑和3500塊以上鋰電池全部燒毀。鎮(zhèn)江揚(yáng)中某用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目，8月初項(xiàng)目中的磷酸鐵鋰電池集裝箱起火并燒毀。事故一旦發(fā)生就會(huì)造成嚴(yán)重后果，對(duì)鋰離子電池?zé)崾鹿侍卣鲄?shù)識(shí)別、熱失控早期預(yù)警、安全聯(lián)動(dòng)和消防防護(hù)顯得尤為重要。2-6

鋅溴液流電池的探索2 電池本體需求合適的電化學(xué)儲(chǔ)能體系特征1、價(jià)格合適2、安全可控3、易于部署4、資源豐富2-6

鋅溴液流電池的探索2 電池本體需求傳統(tǒng)液流電池單液流鋅溴電池安全性高、不存在燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)的化學(xué)體系1電解液為水體系，利于散熱，不會(huì)燃燒2 單液流體系管路簡(jiǎn)單3體系封閉、環(huán)境壓力小4原料易得、價(jià)格適中5目 錄CONTENTS1234合作展望儲(chǔ)能電池綜述電池本體需求電池管理系統(tǒng)需求3 BMS需求3-1

儲(chǔ)能電站BMS系統(tǒng)概述大型儲(chǔ)能系統(tǒng)電站可應(yīng)用于發(fā)電側(cè)或電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻調(diào)峰或削峰填谷，其中儲(chǔ)能電站BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)量（電壓、電流、溫度、絕緣等）的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)剩余電量（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）的分析和評(píng)估，對(duì)電池組（堆）實(shí)現(xiàn)均衡管理、控制、故障告警、保護(hù)及通訊管理的系統(tǒng)裝置，其目的是實(shí)現(xiàn)電池組的安全、穩(wěn)定、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的使用。3-1

儲(chǔ)能電站BMS系統(tǒng)概述3 BMS需求儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS采用三層典型架構(gòu)：從控模塊（電池?cái)?shù)據(jù)采集單元）第一層主要采集單體電池電壓、溫度等信息，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，作均衡、熱管理執(zhí)行控制。主控模塊（電池簇控制模塊）第二層主要負(fù)責(zé)電池組端電壓采集、電流采集、絕緣檢測(cè)、電池狀態(tài)計(jì)算、繼電器控制、均衡策略、數(shù)據(jù)通信等。總控模塊（電池堆控制模塊）第三層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、查詢、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)計(jì)算、通訊、數(shù)據(jù)保存等。3-2

功能需求3 BMS需求電池模型采用增強(qiáng)型自校正(ESC)鋰離子電池等效電路模型，考慮溫度、滯回電壓、歐姆電阻、RC階數(shù)等影響因素，并能夠?yàn)镾OC估計(jì)算法提供模型基礎(chǔ)。模型考慮開路電壓與溫度、SOC的關(guān)系，以及其它參數(shù)與溫度的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確描述鋰離子電池工作的外特性。圖中是ESC鋰離子電池在simulink中的模型，采用非線性系統(tǒng)辨識(shí)方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得模型預(yù)測(cè)電壓與測(cè)量電壓的均方根誤差最小。3-2

功能需求3 BMS需求電池模型采用增強(qiáng)型自校正(ESC)鋰離子電池等效電路模型，考慮溫度、滯回電壓、歐姆電阻、RC階數(shù)等影響因素，并能夠?yàn)镾OC估計(jì)算法提供模型基礎(chǔ)。3-2

功能需求3 BMS需求電池儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)（SOC）采用高精度的安時(shí)積分+開路電壓校正方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)磷酸鐵鋰電池SOC進(jìn)行估算，將估算誤差控制在5%范圍內(nèi)，具有較高的估算精度。以3.2V/40Ah的磷酸鐵鋰電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，電池測(cè)試儀選用新威CT-4008電池充放電測(cè)試儀，進(jìn)行電池充放電實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。仿真結(jié)果表明，訓(xùn)練以后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好地跟隨性，估算誤差在5%以內(nèi)。采用“三輸入一輸出”結(jié)構(gòu)，將影響電池特性的主要因素：電壓、電流、電池表面溫度作為輸入量，SOC為輸出。3-2

功能需求3 BMS需求基于電池單體電壓、單體SOC、單體SOH以及歷史數(shù)據(jù)等綜合均衡判據(jù)，采用被動(dòng)均衡+主動(dòng)均衡控制策略，大幅改善成組電池的一致性、可用容量、電池壽命。3-2

功能需求3 BMS需求支持雙網(wǎng)冗余連接模式，通信協(xié)議采用IEC-104、IEC-61850系列等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，提升信息傳輸速率。61850server解析模型及配置文件組成了服務(wù)端，服務(wù)端從數(shù)據(jù)庫取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過MMS網(wǎng)絡(luò)（ISO七層模型的應(yīng)用層）映射到BMS主站客戶端。IEC61850面向?qū)ο蠼?，把?shí)際設(shè)備按功能劃分成單個(gè)的功能點(diǎn)，確定每個(gè)功能點(diǎn)需要包含的、可以擁有的數(shù)據(jù)和屬性，以及可以提供的訪問服務(wù)然后在把這些邏輯節(jié)點(diǎn)按照需要，進(jìn)行組織到相同的邏輯設(shè)備中。3-2

功能需求3 BMS需求采用ASIL-B級(jí)保護(hù)策略，具備先進(jìn)的自我故障診斷和容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)模塊自身軟硬件具備自我檢測(cè)功能，硬件保護(hù)措施不會(huì)因?yàn)锽MS故障造成儲(chǔ)能系統(tǒng)安全問題；具備完善的軟硬件保護(hù)設(shè)計(jì)，采用分級(jí)預(yù)警、告警以及保護(hù)動(dòng)作等分級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，電壓、溫度等具備變化率保護(hù)、多級(jí)閾值保護(hù)等。具備完善的SOE以及故障錄波功能，豐富的本地與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)記錄功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及事后分析的要求，做到歷史事件可追溯、故障問題可分析，做到歷史事件可追溯、故障問題可分析，有效解決儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)責(zé)任不清問題；3-2

功能需求3 BMS需求具備多層級(jí)消防聯(lián)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備pack級(jí)的消防，采用多傳感器融合技術(shù)（特征氣體、煙霧、溫度），結(jié)合非標(biāo)鋰電池?zé)崾Э嘏袛嗨惴?，?shí)時(shí)監(jiān)控電池?zé)崾Э仉A段，實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э卦缙诜旨?jí)預(yù)警，并在鋰電池發(fā)生火情第一時(shí)間進(jìn)行滅火最小單元干預(yù)控制。熱失控分析：外因--過充電觸發(fā)熱失控、外力導(dǎo)致熱失控、過熱觸發(fā)熱失控；內(nèi)因--電池內(nèi)部短路觸發(fā)熱失控。3-2

功能需求3 BMS需求防護(hù)措施1內(nèi)部安全1、添加對(duì)電池電化學(xué)性能影響小的阻燃添加劑。2、熱失控阻隔設(shè)計(jì)發(fā)展的“三明治”式結(jié)構(gòu)阻隔方法能夠有效阻隔電池組內(nèi)的熱失控傳播。防護(hù)技術(shù)及控制1、電池系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)和防護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)控制策略。2、PACK箱體的熱擴(kuò)展防護(hù)撲滅初期電池火災(zāi)，延遲熱失控傳播時(shí)間。防護(hù)措施4防護(hù)措施5防護(hù)措施3早期熱失控預(yù)警1、根據(jù)電池?zé)崾Э厍氨碚鲄?shù)體系體系，進(jìn)行早期的熱失控探測(cè)。2、系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制（BMS、PCS、空調(diào)等）防護(hù)措施2外部安全設(shè)計(jì)1、電氣系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)。2、BMS在線熱管理及干預(yù)（干預(yù)包括：切斷充電電源、降低功率等）。3、電解液泄漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn)早期隱患。4、綜合熱管理系統(tǒng)保證電池工作在正常溫度。外部消防接口1、對(duì)接消防車全淹沒式消防設(shè)計(jì)

。目 錄CONTENTS1234合作展望儲(chǔ)能電池綜述電池本體需求電池管理系統(tǒng)需求4 合作展望貴州興義儲(chǔ)能電站天津中新生態(tài)城示范項(xiàng)目黃上共和儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)沙電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目4-1

儲(chǔ)能相關(guān)業(yè)績(jī)4 合作展望4-2

技術(shù)合作4 合作展望4-2

技術(shù)合作根據(jù)儲(chǔ)能電站在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及電池本征參數(shù)進(jìn)行鋰離子電池精細(xì)建模，表征電芯最大容量及內(nèi)阻變化情況，進(jìn)而對(duì)電芯實(shí)際狀態(tài)、老化程度、剩余壽命等進(jìn)行評(píng)估電芯狀態(tài)評(píng)估技術(shù)電池壽命評(píng)估是核心問題！4 合作展望4-2

技術(shù)合作基于物理模型的電芯狀態(tài)評(píng)估技術(shù)模擬電池實(shí)際運(yùn)行過程電池整體參數(shù)正負(fù)電極參數(shù)正負(fù)極層間參數(shù)正負(fù)極材料 化學(xué)反應(yīng)參顆粒特性 數(shù)電壓數(shù)據(jù)電流數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)技術(shù)特點(diǎn)電池健康狀態(tài)的準(zhǔn)確描述和老化機(jī)理最直接的證據(jù)電池性能退化因素的定量分析模型復(fù)雜，參數(shù)眾多，計(jì)算量大鋰電池內(nèi)部物理、化學(xué)參數(shù)讀取所需工作量大4 合作展望4-2

技術(shù)合作基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電芯狀態(tài)評(píng)估技術(shù)技術(shù)特點(diǎn)鋰電池外部參數(shù)便于測(cè)量分析時(shí)效性好易受數(shù)據(jù)不確定性和不完整性的影響需要龐大數(shù)據(jù)量以提升評(píng)估精度在線數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)電池實(shí)際狀態(tài)4 合作展望4-2

技術(shù)合作特點(diǎn)：不區(qū)分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和詳細(xì)數(shù)據(jù)，集中上送。通訊協(xié)議不統(tǒng)一，需要規(guī)約轉(zhuǎn)換器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。監(jiān)控主機(jī)資源消耗大。網(wǎng)絡(luò)擁堵，全站控制速率較慢，效率低。儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析——常見電站架構(gòu)4 合作展望4-2

技術(shù)合作儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析——某電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池?cái)?shù)據(jù)分析存在問題電站監(jiān)控主機(jī)性能要求高，負(fù)荷大，可靠性差。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁擠，上、下行關(guān)鍵數(shù)據(jù)堵塞，電站控制響應(yīng)緩慢。大量非關(guān)鍵數(shù)據(jù)與關(guān)鍵數(shù)據(jù)一起配置，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、低效?，F(xiàn)狀總結(jié)目前，主流儲(chǔ)能電站基本采取了數(shù)據(jù)集中式上送方式。而儲(chǔ)能站的大量遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)中，大部分不是實(shí)時(shí)監(jiān)控必須的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。造成了監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的擁堵和浪費(fèi)，使整個(gè)系統(tǒng)效率和可靠性降低。即便配置了本地監(jiān)控，也沒有起到分流計(jì)算和數(shù)據(jù)通道負(fù)擔(dān)的作用。這種集中式控制方式，網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，成本較低，在小數(shù)據(jù)量?jī)?chǔ)能站有其優(yōu)勢(shì)；但是在大容量?jī)?chǔ)能電站中這種架構(gòu)是存在一定的隱患。4 合作展望4-2

技術(shù)合作特點(diǎn)：1.在保證網(wǎng)絡(luò)承載力和主機(jī)性能的前提，數(shù)據(jù)集中上送。2.統(tǒng)一協(xié)議（61850），全站無規(guī)約轉(zhuǎn)換器。架構(gòu)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本較低。全站控制速率較高。推薦應(yīng)用于總數(shù)據(jù)量≤10萬的中小儲(chǔ)能電站。解決方案——集中式方案4 合作展望4-2

技術(shù)合作解決方案——分層式方案特點(diǎn)：1.關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上送；詳細(xì)數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)，按需調(diào)閱(SOA)。2.統(tǒng)一協(xié)議（61850），全站無規(guī)約轉(zhuǎn)換器。上、下行數(shù)據(jù)分流，全站控制速率快，效率高。本地監(jiān)控按需配置。推薦應(yīng)用于總數(shù)據(jù)量＞10萬的中大儲(chǔ)能電站。4 合作展望354-3

項(xiàng)目合作綜合考慮分布式發(fā)電站分布和容量、地區(qū)負(fù)荷特征、主變及配網(wǎng)架構(gòu)，制定科學(xué)合理的儲(chǔ)能配置方案和商業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能資源的優(yōu)化配置和全局共享；采用儲(chǔ)