先进的高压级联型电化学储能技术简介

级联型储能技术简介广州智光储能科技有限公司2019年01月1目录1.传统电池储能的技术痛点.....................................................................................................................32.级联型储能方案减少电池堆电芯数量.................................................................................................43.级联型储能系统关键技术指标.............................................................................................................44.级联型储能方案提升电池利用率.........................................................................................................55.级联型储能方案降低电池一致性要求.................................................................................................86.级联型储能方案无滤波即保持高电能质量.........................................................................................97.级联型储能方案毫秒级全功率切换...................................................................................................98.级联型储能方案安全保护设计...........................................................................................................139.储能系统布局.......................................................................................................................................1510.关于智光储能.....................................................................................................................................1621.传统电池储能的技术痛点传统电池储能电站常以500kW/1000kWh（电池安装容量1200kWh左右）为最小储能单元。每个储能单元配置一台500kW的PCS和一个安装电量1200kWh的电池堆（通过硬导线串/并联连接在一起，共用AC/DC转换设备的电池单体集合），一般设计直流电压为700V左右，交流电压不到400V，须采用变压器升压以后接入大电网。传统储能技术具有技术门槛低，配置灵活等优点，但是同时也存在供应商技术水平参差不齐，电池系统安全问题突出，电池并联数量过多，单套系统容量小等缺点。图1-1典型的传统电池储能系统拓扑结构从在电网侧已经实施的大规模储能项目应用情况看，传统的电池储能方案主要存在以下技术痛点：1）电池堆内电池单体数量庞大（数千电池单体），单体并联数量多，单体间耦合性强，单体异常时切除电量1MWh以上；2）电池堆内单体SOC离散程度高，电池容量利用率偏低（1MWh使用容量实际需要1.2MWh以上安装容量）；3）电池堆体积大（常规40尺集装箱体积约75m），堆内温度难以保持一致，电池单体衰减速度差异大，SOH离散速度快；4）堆内电池数量庞大，簇间SOH离散后，“短板效应”突出，电池系统可利用容量衰减快；5）单系统输出电压低、功率小，变压器和高压开关柜多，系统效率偏低、占地面积较大；6）电站内储能系统数量大，系统间协调困难，调度响应时间过长，难以满足电网紧急调度使用需求；深入分析以上痛点可知：电池堆电池单体数量庞大是造成电池问题的根本原因；单系统输出电压低、功率小是造成设备数量庞大，调度响应速度慢的主要原因。因此，需要研究既可以减少电池堆电池单体数量，又可以提高单系统电压和功率的储能技术。332.级联型储能方案减少电池堆电芯数量级联型储能系统采用“能量裂解”技术，可以将大电量电池堆和大功率PCS裂解为小电量电池堆和小功率AC/DC功率单元，有效解决传统储能技术存在的技术痛点，更适用于大规模储能应用场景和电池梯次利用的场景。级联型储能系统采用三相星形连接的级联H桥拓扑结构，可直接输出0.4-35kV三相交流电压，无变压器接入交流电网，单系统输出功率可达10MW以上。10kV级联型储能系统典型拓扑结构如图2-1所示。图2-1级联型高压储能系级单元拓扑结构图由图2-1可知，级联型储能系统由多个储能单元构成，每个储能单元包括1个AC/DC功率单元和1个独立小电池堆。每个储能单元输出几十至几百伏的交流电压，根据电压叠加原理，理论上足够数量的储能单元串联即可满足任何电压等级的输出要求。众多小功率、小电量的储能单元共同构成一套系统，可满足大功率、大电量的储能应用要求。以满足5MW/10MWh储能应用为例，对比两种储能技术方案：采用传统储能技术，单套系统容量为500kW/1MWh，电池堆安装容量约1.2MWh，需要10套系统并联（直接并联或经变压器并联）；采用54个储能单元组成的级联型储能系统，可无变压器接入10kV电网，电池堆安装电量约200kWh（电池堆内单体数量约传统方案的16%），单套系统容量达到5MW/10MWh，无需系统并联。通过以上分析可知：级联型储能技术既大幅度降低了电池堆电量，减少了电池堆内电池单体数量，又大幅度提高了单套系统容量。3.级联型储能系统关键技术指标表3-1级联型储能系统主要技术指标4项目电网侧额定电压额定频率正常工作频率范围10KV50Hz参数备注48-51.5Hz2-10MW115-600A2-10MWhH桥级联式550-1051V电气技术指标额定功率电网侧额定电流额定电量拓扑结构直流侧电压范围总电流波形畸变率（THDi）＜1%总电压波形畸变率（THDv）＜3%功率响应时间PCS最佳转换效率10ms97.5%有功/无功独立可控有功/无功独立可控功率变化率可设置控制模式结构特征环境条件就地调度模式远程调度模式自主运行模式通信类型防护等级颜色冷却方式安装方式环境温度相对湿度海拔高度P/f，Q/V曲线可配置自主支撑电压/频率RS232/RS485IP54RAL7035空调户外集装箱-10℃～+45℃10%～90%，无凝露1000米以内预设电力规约转换器可定制可定制可定制高原型系统4.级联型储能方案提升电池利用率传统设计方案下，单电池堆实际运行能力由堆内可用容量最小的电芯决定。表4-1对传统方案进行分析的结果表明：簇内SOC偏差不超过5.5%，簇间SOC偏差变化不超过3%的情况下，全系统有17.5%的电池容量不可利用，即实际利用容量仅82.5%，电芯间耦合5性非常强。传统设计方案下，电池安装容量一般均为使用容量的1.2倍以上，因此以上假定情况接近实际情况。表4-1共电池堆设计方案利用容量分析表级联型储能系统在保持系统总输出电压和功率不变的情况下，各功率单元输出电压和功率可独立调节，因此可根据各电池堆SOC值灵活分配系统内各电池堆的运行功率。级联型储能系统各电池堆（簇）的运行功率不同，虽然电池堆（簇）实际运行能力仍由堆（簇）内可用空间最差的电芯决定，但是由于电池簇不再并联，各电池簇运行功率独立调节，整个系统的不可利用容量为各簇不可利用容量的平均值。表4-2对级联型设计方案进行分析的结果表明：簇内SOC偏差不超过5.5%，簇间SOC偏差变化不超过3%的情况下，有5.5%的电池容量闲置，即实际利用容量提升至94.5%，比传统方案高出12%。表4-2级联型设计方案利用容量分析表由于电池寿命周期内，SOH发生离散是必然的。与以上电池SOC发生离散时类似，当电池SOH发生离散时，根据各电池堆的SOH调节其运行功率，同样可以大幅提升电池的利6用容量。级联型储能系统根据电池堆SOC（SOH）调节电池堆运行功率的策略为：在充电过程中，增大SOC低的电池簇的充电功率，减小SOC高的电池簇充电功率；在放电过程中，减小SOC低的电池簇的放电功率，增大SOC高的电池簇放电功率。与以上策略相对应：在充电过程中，SOC低的电池簇运行电流大，SOC高的电池簇运行电流小；在放电过程中，SOC低的电池簇运行电流小，SOC高的电池簇运行电流大。图4-1储能系统充电时B相SOC与电流关系曲线智光储能电站投入以上功能前后，电池系统SOC值的变化趋势说明PCS主动均衡可以使离散的簇间SOC迅速收敛。2月25日充满电后簇间SOC偏差最大值26%左右，充放两个循环以后，SOC偏差最大值收敛至5%左右。同时，随着功能投入，系统充电电量也大幅度提升。图2-9充电结束后3相SOC极值差变化趋势7图4-2储能装置充电电度数据曲线通过设置多组控制参数试运行，如图4-3，截至2019年1月26日，智光站5MW/3MWh储能系统单次充电交流侧电量已经突破3MWh，全系统电池容量利用率已超过95%，簇间SOC偏差最大值已缩小到2%。图4-31月26日智光站充电后数据5.级联型储能方案降低电池一致性要求从提高电池利用容量、安全性等角度考虑，同一电池堆内的电池单体应该在全生命周期内保持良好的一致性。然而，电池堆内电池数量越多，所占空间越大，温度一致性越难保持，寿命期内电池的一致性越容易破坏。实际运行过程中，电池一致性变差是必然的，应该从系统设计上降低对电池一致性的要求。8减少电池堆内电池单体数量，是降低电池一致性要求的有效手段。采用级联储能方案，堆内电单体数量较传统方案大幅度减少（一般可降低到传统方案的15%左右），大3幅度缩小了电池堆占用的物理空间（电池堆体积通常小于3m）。毫无疑问，空间越小，温度一致性越容易保证，单体衰减一致性越好，利于保持堆内一致性。采用级联储能方案，各电池堆输出功率独立可调，因此无需苛求不同堆电池单体的一致性，也就无需追求不同堆间温度的高度一致性。由以上分析可知：级联型储能方案大幅减少电池堆内占用空间，利于保持堆内一致性；电池堆输出功率独立调节，降低了对全系统电池一致性的要求。6.级联型储能方案无滤波即保持高电能质量智光级联型储能系统利用输出移相多重化技术消除谐波，无需增加滤波装置即可满足电网谐波指标要求。并网状态下，输出电流的畸变率低于3%，近似于完美无谐波状态；孤网状态下，输出电压的畸变率低于0.5%，电压偏差低于1%，可与低压UPS相媲美，具体测试数据如表2-5所示。表6-1并网电能质量测试数据7.级联型储能方案毫秒级全功率切换9图7-1PCS解耦控制图级联型储能系统采用如图7-1所示有功无功解耦控制算法，实现并网点功率因数自动控制。PCS主控制器接收上级传来的有功/无功指令，经dq变换后，通过对dq轴电流的解耦控制实现网侧有功无功的解耦控制。储能单元PCS主控制器与H-Cell功率单元间通过光纤进行通信，减少了通信协调的延迟，提高响应速度。储能单元通过实时四象限解耦与控制技术，有效解决了并网运行过程中有功功率和无功功率的独立控制与快速调节问题，能够快速在不同工况之间实现毫秒级切换，测试结果如表7-1和图7-2所示。表7-1某已投运项目储能系统工况转换时间测试数据序号123456789101112工