中國儲能網(wǎng)訊：9月10-11日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會、南方科技大學碳中和能源研究院、南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院聯(lián)合100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在深圳召開。此次大會主題是“綠色、經(jīng)濟、安全、發(fā)展”。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的600余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1317位嘉賓參加了本屆大會。
11日上午，長沙理工大學電氣與信息工程學院教授、博士生導師夏向陽受邀在“新能源動力系統(tǒng)控制技術專場”分享了主題報告，主題為《電化學儲能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
夏向陽：大家下午好，我是來自長沙理工大學的夏向陽！我匯報的題目是《電化學儲能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
我將從以下五個部分向各位專家做匯報，首先看背景，大家都很清楚，從風光可再生能源在能源消費結構中的比重逐漸增大，2020年化石占比是81.7%，到2050年預計化石能源只占到40%，這也是“雙碳目標”。而可再生能源發(fā)電從2020年的14%到2050年要占到50.3%，這也是我們2050年的目標，說明到2050年以后，我們的新能源占比已經(jīng)超過了一半以上。這么多新能源，大家都清楚，它的不穩(wěn)定性會直接影響到電力系統(tǒng)的安全，而儲能技術作為支撐新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定最重要的技術和基礎裝備之一。
右下圖可以看到，這是大型量的儲能電站，鋰電池在作為一個密閉空間，在外界的誘因下，存儲的能量會發(fā)生熱失控，導致災害事故的發(fā)生，所以儲能的安全存在挑戰(zhàn)。怎樣準確判斷電池的健康狀態(tài)呢？它的安全怎樣呢？這是我們很關心的問題。
我們對電池的研究很多，數(shù)據(jù)分析也有很多方法，基本歸為三類：一類是直接實驗，利用全充全放獲取電池現(xiàn)有的可用容量，通過電化學的阻抗法，獲取電池的特性，這是一種方式，就是直接實驗。第二類是建立模型，現(xiàn)在用得比較多的一階模型、二階模型等等，通過模型的輸入，看看電池的老化程度。第三類就是數(shù)據(jù)驅動，現(xiàn)在有大量的數(shù)據(jù)進行分析，像基于回歸模型，支持向量回歸機模型等，通過大量的數(shù)據(jù)判斷電池狀態(tài)。
接下來看看現(xiàn)在能采集到的電池的數(shù)據(jù)，我們團隊有個很好的研究基礎和平臺，分析數(shù)據(jù)來源非常較多關鍵，我也希望在座各位同仁在數(shù)據(jù)上能進行分享合作，現(xiàn)在我們主要的四個數(shù)據(jù)來源：第一個是跟國網(wǎng)湖南電力公司共建的“規(guī)?；姵貎δ軕眉夹g”湖南省工程研究中心，如芙蓉儲能站，大靈山儲能站等數(shù)據(jù)我們都可以共享。第二個是我們學校購置了一個平臺，100千瓦時/200千瓦時的儲能平臺，雖然比較小，但所有的BMS和EMS都齊全。第三個是長沙理工大學 學校有一個威小電流電芯的測試平臺。第四是美國國家NASA、馬里蘭大學公開電池老化數(shù)據(jù)。
電池管理系統(tǒng)，單個電芯的電壓、溫度和電池狀態(tài)都可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，單個電池簇的平均電壓、最高電壓、最低電壓、平均溫度、最高溫度、最低溫度、SOH等電池外特性參數(shù)均可以進行測試。
這些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)怎么分析呢？大家可以看到，我們現(xiàn)在運行的這些BMS，可以算出電池簇的累計充電電量，包括整個電站的運營過程中存儲大量的屬性特性，以湖南某儲能電站為例，可以檢測到電流、電壓、溫度、累計充電量、累計放電量、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)。其中像電流、電壓、溫度等直接采用傳感器測量。像充電電量，多少荷電量，都是通過算法算出來的，這些都就是現(xiàn)在運行情況的狀態(tài)。
我們怎么在這個基礎上更深一步呢？這就是我們團隊提出的，在這個基礎上如何 繼續(xù)提升更多的特征量，呢？我們發(fā)現(xiàn)容量的變化量、能量的變化量、電壓的變化量、電流的變化量和時間的變化量，以及上述數(shù)據(jù)的二次處理如熵值等，跟電池的健康狀態(tài)有很大的關系。電池的老化過程中，我們的能量變化曲線可以看到，同時容量的突變等等，都有一些老化的特征，同時可以看到采樣的點數(shù)，我們采樣的點數(shù)是電池的老化，包括時間的變化量，隨著時間變長電池是逐漸老化的變化的趨勢，包括容量增量的曲線，溫度變化等等，這些特征量可能更能準確表現(xiàn)電池的老化狀態(tài)。我們對這些數(shù)據(jù)進行直接或間接的監(jiān)測，對數(shù)據(jù)的變化率、熵、有序度等進行再處理，來實現(xiàn)對電池的有效評估。突變量更能體現(xiàn)它衰老前的前兆。
同時我們有一個電池堆健康判斷方法，通過對電池堆簇的放電電量的對應關系，我們來求得它的變化率及健康狀態(tài)。
同時電流、電壓、溫度這些東西對我們來說是外特征，我們可以從外面測量到。而電池里面的內在特征怎么樣，運行過程會發(fā)生什么變化呢？在座各位從儲能來說，化學特征變化就是我們常說的電阻和電容等電壓。所以我們通過這圖些可以看到，在不同的充電深度循環(huán)老化過程中，它的內在特征有沒有發(fā)生變化。我們可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，換電容量的增加，歐姆內阻慢慢往上走，極化內阻也在慢慢往上走。（見PPT）這些特征才能真正反映它的衰老情況。我們在這個基礎上，右邊這個模型，R、電阻、電容以前大家設定為固定組，現(xiàn)在設定為變化參數(shù)，隨著充放電使用次數(shù)的增多，或者使用環(huán)境變化，電阻電容是變化的，這才能準確反映電池的衰老狀態(tài)。
還有一個問題，就是在使用過程中發(fā)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)，每天上百萬條的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對我們來說很多是無用的。同時有些數(shù)據(jù)是缺失的，如何對這些數(shù)據(jù)進行整理和處理，這也是我們在智慧處理的方法。像異常數(shù)據(jù)檢測和特征數(shù)據(jù)讀取、篩選等等，我們把每天大量的數(shù)據(jù)進行分析處理，提取有用的數(shù)據(jù)進行分析，才能得出準確的效果。
我們團隊在能夠準確判斷電池狀態(tài)以后，如何在這個基礎上實現(xiàn)安全并網(wǎng)，因為我是博士，學電氣的，我們更多是研究如何在把儲能系統(tǒng)跟電網(wǎng)進行結合。電網(wǎng)要求是 對安全性要求很高的，如果儲能系統(tǒng)接上電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定的話，肯定不要 能接上去。所以我們團隊提出，儲能系統(tǒng)主動安全運行研究，儲能系統(tǒng)在安全的情況下并上電網(wǎng)，如何并，這是我們團隊研究的方向。
第一，基于特征數(shù)據(jù)信息熵的鋰離子儲能電站電芯健康狀態(tài)評估與預測方法，我們從電芯、電池PACK、電池簇、電池堆，我們進行了大量的分析，通過大量的數(shù)據(jù)分析，得出電池異常老化的情況。右下角是電池的布局分布，某些電池的異常情況，通過這些東西特性可以知道，某些電芯出現(xiàn)什么情況。這個成果我們已在國外期刊上也發(fā)表了。
我們是怎么樣實現(xiàn)呢？我們相當于在BMS系統(tǒng)中抓取一套系統(tǒng)，同時數(shù)據(jù)送到我們開發(fā)的電池評價系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)是并行的，可以同時處理，我們可以在下面進行邊緣計算，算出電芯的健康情況，跟BMS并行，不影響數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)也是這個系統(tǒng)，我們進行大量分析。同時把數(shù)據(jù)算完以后，送到EMS，提供一個控制策略評價的依據(jù)。怎么控制？這里有很多電池簇，是投哪簇？怎么投？如果我們發(fā)現(xiàn)電池簇1出現(xiàn)問題或者老化，怎么辦？我們是不是改為投電池簇2或者3，我們通過算法能夠算出電池簇存在的老化情況，我們是不是能夠改變它的控制方式，而不是按照常規(guī)的。所以我們將來更多是以功率平衡、損耗、荷電狀態(tài)、避免諧振、健康狀態(tài)、經(jīng)濟指標等來實現(xiàn)儲能電站安全經(jīng)濟性，這個研究結論我們在《電工技術學報》和《太陽能學報》等期刊上已經(jīng)發(fā)表了，所以儲能的安全直接支撐了將來的并網(wǎng)控制。
結論：我們也做研發(fā)了一套電池健康狀態(tài)評價系統(tǒng)，已經(jīng)調試過了，我剛才跟一位專家也說到，我們有很多數(shù)據(jù)，但是我們沒有裂化數(shù)據(jù)，就是我們的極化電阻、極化電容和內阻的老化閥值，到了什么時候會發(fā)生事故，就是我們說的熱失控。我們沒有這個數(shù)據(jù)，現(xiàn)在特別希望在座的各位將來能加強合作，把裂化數(shù)據(jù)的閾值發(fā)現(xiàn)出來，如果發(fā)現(xiàn)出來以后：第一可以對電池進行在線監(jiān)測，這個比我們現(xiàn)在用的電池充放電3000次、5000次、上萬次，比這種方式更能準確判斷電池的壽命和衰老狀態(tài)。我們主要在電池的健康特征和自身健康的關系方面進行研究。第二能提取反映電池健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)特征量，健康狀態(tài)用數(shù)據(jù)特征量來表達。第三依據(jù)計算特征數(shù)據(jù)熵值大小來判斷有序程度，實現(xiàn)對簇內電芯老化程度及均衡性的分析判斷。電池不一致性也是在座各位談論很多的，也是影響電池的因素之一。第四是實現(xiàn)控制儲能系統(tǒng)多變流器協(xié)同支撐電網(wǎng)的安全運行，提升儲能電站整體安全性。昨天多個專家談到說了，華智科技也談到這個，提高儲能電站的整體安全性。我相信只要把這些因素做好，儲能系統(tǒng)才能更好地在電網(wǎng)和其他地方做得運行更安全、更可靠，儲能行業(yè)才能做大做強。
謝謝！
【責任編輯：周曉晴】
