慈松*，周楊林，王紅軍，石清良
（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 海淀區(qū) 100084）
摘要
儲(chǔ)能系統(tǒng)可以改變電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡特性，已成為智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要支撐。電池儲(chǔ)能技術(shù)作為一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)工程，其研究領(lǐng)域涉及電化學(xué)、材料、信息通信技術(shù)、電力電子及大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)建模和優(yōu)化等。儲(chǔ)能系統(tǒng)管理需要基于對(duì)電池的電化學(xué)和材料特性的感知，實(shí)現(xiàn)基于模型的高效均衡和控制。然而，傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的固定串并聯(lián)連接方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池單體層面的精準(zhǔn)檢測(cè)和管控，單點(diǎn)故障將極大影響到系統(tǒng)性能，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量效率、可靠性和安全性難以保障?；诳芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)高頻高效的電力電子半導(dǎo)體器件將電池單體產(chǎn)生的連續(xù)能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化處理，電池在物理域的映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)字域映射，從而消除電池單體物理和化學(xué)屬性所造成的差異性，克服電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，并可通過(guò)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整能力實(shí)現(xiàn)與多種應(yīng)用場(chǎng)景需求的匹配。
關(guān)鍵詞 : 數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)；大規(guī)模電池儲(chǔ)能；電池梯次利用；通信基站供電
基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目“面向 5G 的信息能源融合技術(shù)與裝備研制”（5206002000DB）。 Science and Technology Foundation of SGCC(5206002000DB).
0 引言
快速發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)正在逐步改變電力系統(tǒng)即發(fā)即用的實(shí)時(shí)平衡特性，已然成為智能電網(wǎng)建設(shè)中大規(guī)模集中式/分布式新能源接入與利用的重要支撐技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[1]?？v觀全球能源技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)和主要能源大國(guó)推動(dòng)能源科技創(chuàng)新的舉措，綠色低碳是能源技術(shù)創(chuàng)新的主要方向，集中在能源互聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模儲(chǔ)能、先進(jìn)能源裝備及關(guān)鍵材料等重點(diǎn)領(lǐng)域?！跋冗M(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新”是《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》的重點(diǎn)任務(wù)，而掌握儲(chǔ)能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)是其重要內(nèi)容之一，行動(dòng)計(jì)劃中明確提出發(fā)展目標(biāo)：研究面向可再生能源并網(wǎng)、分布式及微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)，掌握儲(chǔ)能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)，引領(lǐng)國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年，中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等五部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《貫徹落實(shí)〈關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)〉》，制定了“十三五”和“十四五”期間儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展要求，明確提出“十三五”期間中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，“十四五”期間實(shí)現(xiàn)完整的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)體系及推廣應(yīng)用[2]。2020年，教育部、國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2020—2024）》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)能技術(shù)作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科發(fā)展的重要性和緊迫性[3]。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速功率響應(yīng)、密集能量存儲(chǔ)、靈活方便部署等優(yōu)勢(shì)，是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的儲(chǔ)能技術(shù)之一，其規(guī)?；ㄔO(shè)有望在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、波動(dòng)平抑、緊急功率支援等應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，并在電動(dòng)汽車(chē)、微電網(wǎng)以及可再生能源并網(wǎng)應(yīng)用方面有著其他儲(chǔ)能方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，大量的電池單體以預(yù)先設(shè)計(jì)的固定串/并聯(lián)拓?fù)浞庋b為電池模組，由于電池最小控制單元電壓和容量級(jí)別較低，大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常將“數(shù)百萬(wàn)”的電池單元進(jìn)行串/并聯(lián)，以提高電壓、電流等級(jí)。傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)的電池連接拓?fù)錈o(wú)法匹配由動(dòng)態(tài)電化學(xué)行為、生產(chǎn)制造工藝和應(yīng)用工況帶來(lái)的電池單體的差異性，由此造成的系統(tǒng)“短板效應(yīng)”問(wèn)題始終存在。作為可靠性評(píng)估的串聯(lián)環(huán)節(jié)，固定焊接連接的電池系統(tǒng)中任意電池單元失效將會(huì)造成“系統(tǒng)級(jí)”故障。采取提高備用冗余的提升系統(tǒng)可靠性的措施，降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和集約性。此外，在固定串/并聯(lián)連接的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池單元檢測(cè)和運(yùn)行控制顆粒度較大，電池系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單元的精準(zhǔn)主動(dòng)管理和精準(zhǔn)隔離，導(dǎo)致電池單元熱失控而引起的燃燒和爆炸事故頻發(fā)[4]。
基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池能量管控系統(tǒng)被公認(rèn)為克服這些缺陷最有前景的解決方案[5-11]，高頻電力電子開(kāi)關(guān)陣列組成的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池單元之間的連接拓?fù)淇梢詣?dòng)態(tài)重構(gòu)以適應(yīng)電池特性和系統(tǒng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。每個(gè)電池單元連續(xù)的能量流被電力電子離散化和數(shù)字化，進(jìn)而通過(guò)能量管控算法實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中每個(gè)電池單元參與充電或放電回路中占空比和電流大小，滿(mǎn)足不同儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的需求[12-13]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮電池自身復(fù)雜電化學(xué)特性、電力電子集成的系統(tǒng)特性、外部電氣系統(tǒng)（電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用或電動(dòng)汽車(chē)等）對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)控的多樣化需求，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)為解決電池“短板效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)定制化提供創(chuàng)新路徑。
本文從數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，著重闡述數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)電力電子集成的柔性控制架構(gòu)、基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池狀態(tài)檢測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制以及系統(tǒng)安全評(píng)估方法，以應(yīng)用案例展示基于數(shù)字儲(chǔ)能的分布式退役動(dòng)力電池梯次利用、儲(chǔ)能系統(tǒng)電池一致性管理與功率調(diào)節(jié)等方面的效果。
1 儲(chǔ)能行業(yè)痛點(diǎn)問(wèn)題與儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)字化
為滿(mǎn)足高電壓、高容量的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用的需求，電壓和容量級(jí)別較低的電池單元通常在“數(shù)百萬(wàn)”數(shù)量級(jí)上進(jìn)行重組，傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過(guò)多個(gè)電池模組DC/DC隔離級(jí)后以并聯(lián)或功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（power conversion system, PCS）交流側(cè)并/級(jí)聯(lián)等形式提高電壓、電流等級(jí)[14]。儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS部分通常采用單級(jí)型或者多級(jí)型電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接電池模組[15]：?jiǎn)渭?jí)型直接采用DC-AC整流環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)，H橋和模塊化多電平是常采用的級(jí)聯(lián)方式；多級(jí)型則包含DC-AC整流級(jí)和DC-DC隔離級(jí)，隔離級(jí)可通過(guò)移相調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)靈活功率均衡和電氣隔離，尤其適合于差異化電池模組的充放電控制。
傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)固定焊接的電池模組構(gòu)成方式，僅依靠上層電力電子拓?fù)錈o(wú)法精細(xì)控制到電池單體。有學(xué)者提出用于高電壓串聯(lián)電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的集成可重構(gòu)轉(zhuǎn)換器，能夠重新配置電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行模式，并采用共享拓?fù)湓O(shè)計(jì)減少系統(tǒng)冗余，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化，同時(shí)可以應(yīng)用于電池與超級(jí)電容組成的混合介質(zhì)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[7,9]。相似地，在電池模組內(nèi)的電池單元通過(guò)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的可重構(gòu)電池電路拓?fù)?，電池單元之間的連接拓?fù)涓鶕?jù)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)地與需求進(jìn)行匹配重構(gòu)配置。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程需要從電池單體模型、電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）、電池健康狀態(tài)（state of health, SOH）、循環(huán)壽命等性能狀態(tài)感知出發(fā)，建立電池應(yīng)用過(guò)程中的系統(tǒng)性操作?；诳芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建了電池管理的系統(tǒng)性理論方法[4-6,11,16-18]，高頻電力電子開(kāi)關(guān)陣列與電池單體之間的耦合控制架構(gòu)將電池單元連續(xù)的能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化處理，通過(guò)時(shí)分和頻分的控制構(gòu)成了數(shù)字化、信息化能量管控系統(tǒng)[1,12,19]。通過(guò)軟件定義的方式靈活調(diào)整電池模組內(nèi)的連接形式，能量管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障容錯(cuò)和均衡控制等[20-21]，有效避免固定串/并聯(lián)剛性系統(tǒng)架構(gòu)與電池差異化導(dǎo)致的系統(tǒng)“短板效應(yīng)”，其技術(shù)路線(xiàn)被稱(chēng)為數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足垂直行業(yè)的多樣化需求[13]。
目前，基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)在電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)[22]、數(shù)據(jù)中心不間斷電源[23]和通信基站梯次利用動(dòng)力電池供電[24-25]等場(chǎng)景中完成應(yīng)用示范。接下來(lái)，將介紹數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)在架構(gòu)與可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、電池狀態(tài)評(píng)估、運(yùn)行優(yōu)化等方面的關(guān)鍵技術(shù)。
2 數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
針對(duì)差異化性能的電池單體大規(guī)模集成的電池管理系統(tǒng)，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是電池狀態(tài)檢測(cè)和控制策略實(shí)施的基礎(chǔ)?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)解決傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)“斷不開(kāi)”、“測(cè)不準(zhǔn)”的難題，實(shí)現(xiàn)基于電池單體與網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)檢測(cè)、運(yùn)行優(yōu)化與控制。
2.1 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)
規(guī)模化的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包含了大量電力電子開(kāi)關(guān)器件（如PCS系統(tǒng)），可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池模組設(shè)計(jì)也包含大量可控開(kāi)關(guān)管。以基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，為實(shí)現(xiàn)精確控制，在電池模組內(nèi)每個(gè)最小控制單元需要連接K個(gè)可控開(kāi)關(guān)，同時(shí)電池模組之間也采用電力電子開(kāi)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體模組的精準(zhǔn)管控。大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用模塊化級(jí)聯(lián)的電力電子變壓器，耐壓等級(jí)高、傳輸功率大（如級(jí)聯(lián)H橋和MMC），同時(shí)采用雙有源橋含有直流隔離級(jí)，通過(guò)移相調(diào)節(jié)控制可以靈活地實(shí)現(xiàn)功率均衡和電氣隔離，對(duì)SOC差異性大的電池模組進(jìn)行充放電均衡控制。
學(xué)術(shù)界已經(jīng)較早地開(kāi)展可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。Muhammad等從可重構(gòu)電池系統(tǒng)硬件架構(gòu)與應(yīng)用挑戰(zhàn)方面做了綜述，為可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究提出一些開(kāi)放性問(wèn)題[11]，比如：如何設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)才能兼顧管控效率與控制復(fù)雜度，如何制定系統(tǒng)架構(gòu)建模與電池控制方法策略實(shí)現(xiàn)電池可感知“白盒”化的控制。文獻(xiàn)[5]從可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)模組與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度綜述了發(fā)表文獻(xiàn)中可重構(gòu)模組架構(gòu)，給出了常見(jiàn)的電池模組可重構(gòu)電池結(jié)構(gòu)的對(duì)比。文獻(xiàn)[6]提供了可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化架構(gòu)理論研究方法。
文獻(xiàn)[13]研究可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)理論，完成基于26650鋰離子電池單體樣機(jī)研制，該系統(tǒng)構(gòu)成4并4串的可重構(gòu)電池模組，其可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如圖1所示。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建12 V低壓直流數(shù)據(jù)中心不間斷供電系統(tǒng)，結(jié)合圖論的優(yōu)化配置方法生成電池均衡管理與可重構(gòu)策略[26]。
圖1 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[13]
Fig 1 Reconfigurable battery network design
2.2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的單體容量建模
數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建基于斷路電壓檢測(cè)的單體電池和任意電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃У碾姵豐OC數(shù)學(xué)模型，支撐規(guī)?；瘮?shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)管控，對(duì)于任意電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮呻娙萘康木珳?zhǔn)估算是規(guī)?；芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
目前文獻(xiàn)中已經(jīng)有多種SOC估算方法，包括應(yīng)用最廣泛的安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓（open circuit voltage,OCV）與SOC映射法等，均依賴(lài)于電流或電壓的測(cè)量精度并受到電池非線(xiàn)性特性影響，其估算方法的精度受到質(zhì)疑。其中，SOC-OCV映射法是業(yè)界公認(rèn)的最簡(jiǎn)單、最精確的電池SOC估算方法，但是傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)電池系統(tǒng)無(wú)法在電池系統(tǒng)充放電過(guò)程中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量電池單體的OCV，因此傳統(tǒng)固定拓?fù)溥B接的電池系統(tǒng)無(wú)法直接利用電池單體層面的OCV-SOC的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，只能通過(guò)測(cè)量工作電壓和電流推算電池內(nèi)阻，進(jìn)而通過(guò)內(nèi)阻估算值進(jìn)一步估算OCV，然后得到當(dāng)前的SOC，過(guò)程中將引入兩次估算誤差傳遞，導(dǎo)致最終得到的結(jié)果誤差過(guò)大，嚴(yán)重影響了實(shí)際系統(tǒng)的用戶(hù)體驗(yàn)和系統(tǒng)能量控制精度。圖2為基于重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)SOC估計(jì)原理示意圖。
圖2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)SOC估計(jì)原理
Fig.2 SOC estimation method based on reconfigurable battery network
在可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池單體能夠自主可控地從電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袛嚅_(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)電池單體層面的開(kāi)路電壓測(cè)量?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中電池單體從電池網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的時(shí)間很短，能夠根據(jù)電池暫態(tài)響應(yīng)特性推斷長(zhǎng)時(shí)間靜置后恢復(fù)的真正OCV，從而實(shí)現(xiàn)基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓補(bǔ)償修正方法，消除了SOC-OCV映射法的估計(jì)誤差。
與傳統(tǒng)SOC估算方法相比，基于數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)提出的電池狀態(tài)估計(jì)方法能夠得到更加準(zhǔn)確和可靠結(jié)果，并克服估算過(guò)程誤差傳遞和累積。由于估算過(guò)程不需要訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，相比目前流行的基于CNN、RNN等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法，該方法的計(jì)算復(fù)雜度可以根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算能力和應(yīng)用對(duì)估算精度的要求進(jìn)行定制化的調(diào)整，更加適宜在實(shí)際系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。同時(shí)，該方法可用于在線(xiàn)精準(zhǔn)估算方法和SOH分析，通過(guò)添加學(xué)習(xí)過(guò)程建立馬爾可夫或時(shí)間序列的電池壽命模型實(shí)現(xiàn)電池SOH估算[27]。
2.3 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量建模
可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)模組能夠?qū)崿F(xiàn)基于電池單體層面的SOC精準(zhǔn)估算，可以得出任意給定電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡刃Ш呻娙萘磕Ｐ?。任意給定的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃Т?并聯(lián)原理示意如圖3所示。
圖3 電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡刃Т?并聯(lián)原理模型
Fig.3 Equivalent series-parallel principle model of battery network topology
串聯(lián)電池組中，電池電流相同，電池網(wǎng)絡(luò)可以等效為電池單體模型；并聯(lián)電池組中，電池電流分布不均勻但電池的端電壓相同。針對(duì)圖3（a）、圖3（b）所示的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)行為可表達(dá)為[28]
式中：f為串聯(lián)表達(dá)式；g為并聯(lián)表達(dá)式；I、φ分別表達(dá)電池單體的電流和電動(dòng)勢(shì)。
在串聯(lián)電池組中，電池組容量性能由狀態(tài)最差的電池單體決定，即為避免電池單體過(guò)充或過(guò)放引起的安全問(wèn)題。在并聯(lián)電池組中，電池組的容量是所有電池單體容量的總和。可重構(gòu)電池模組的等效SOC表達(dá)式為
綜合考慮電池單體在不同工況及其之間的拓?fù)溥B接狀態(tài)結(jié)構(gòu)與電池性能之間的關(guān)系，能夠?yàn)榭芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)在實(shí)踐中的工程簡(jiǎn)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。
2.4 數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化與控制
電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重構(gòu)是影響系統(tǒng)特性的重要因素，其性能優(yōu)化可建立電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。設(shè)xi∈Rm表示m個(gè)電池單體狀態(tài)變量組成的向量，具體可表示為電池單體端電壓、電流或SOC等，X=[x1,x2,…,xN]∈Rm×N表示N種動(dòng)態(tài)拓?fù)渥儞Q下電池狀態(tài)矩陣，其具體意義與電池狀態(tài)變量xi表示的物理意義相關(guān)，Y為與優(yōu)化變量相關(guān)的性能指標(biāo)。可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題可以建模為
式中：Hn(X)表示第n個(gè)電池拓?fù)渌苓壿嫾s束，考慮電池狀態(tài)、負(fù)載狀況和環(huán)境因素，電池的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型的收到上下界的限制，限制條件定義為Hn≥0。考慮電池本體在時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)特性，電池單體的性能損耗可以通過(guò)細(xì)粒度計(jì)算電池SOC變化帶來(lái)的消耗和恢復(fù)特性得到，可以表示為電池性能指標(biāo)Y與電池拓?fù)鋁之間的哈達(dá)瑪積[6]
在T個(gè)拓?fù)渥儞Q周期內(nèi)電池性能損耗可表示為
由于電池容量在電池操作過(guò)程中表現(xiàn)為單調(diào)遞減特性，為了對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)在運(yùn)行期間的性能進(jìn)行建模，有向無(wú)環(huán)圖用來(lái)表示單元拓?fù)涞难莼^(guò)程，如圖4所示。
圖4 有向圖表示的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)
Fig.4 Directed acyclic graph of dynamic reconfigurable battery network system
有向無(wú)環(huán)圖中的每一個(gè)點(diǎn)代表可能的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由現(xiàn)在電池拓?fù)錉顟B(tài)選擇為下一個(gè)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)所產(chǎn)生的電池性能損耗為邊的權(quán)重。在T個(gè)拓?fù)渥儞Q周期內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q控制策略可執(zhí)行為尋找有向無(wú)環(huán)圖中最短加權(quán)路徑。
3 數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用案例
目前通信基站、數(shù)據(jù)中心等存在大量碎片化、閑置的電池備用資源，如何在保證電池儲(chǔ)能系統(tǒng)備電功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能資源的最大利用率是儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)維中的重要問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)行和高水平的智能化運(yùn)維[12,19,22,24-25]，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)采用數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的管控方式，利用本地和儲(chǔ)能云系統(tǒng)的分散自律協(xié)同控制。以數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)在通信基站備用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，采用基于“云儲(chǔ)能”和能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量管理與調(diào)度。
3.1 系統(tǒng)應(yīng)用概述
在落實(shí)“智慧廣州”、樞紐型國(guó)家信息港建設(shè)的戰(zhàn)略背景下，廣州市白云區(qū)、越秀區(qū)、天河區(qū)等部署超高密度的通信基站基礎(chǔ)設(shè)施。為探索通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市智慧能量管理中的優(yōu)勢(shì)作用，廣州市白云區(qū)選取100個(gè)符合建設(shè)條件的通信基站進(jìn)行備用電池系統(tǒng)的數(shù)字化改造，并選取8個(gè)站點(diǎn)作為與電網(wǎng)雙向互動(dòng)的試點(diǎn)示范，以期待能夠改善該地區(qū)供電負(fù)荷分布不均衡和供電容量的限制，發(fā)掘通信基站電池儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)等電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的潛力。
3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用示范方案采用動(dòng)態(tài)重構(gòu)拓?fù)涔芾淼哪芰拷粨Q機(jī)電池管理方案，方案中包括電池能量網(wǎng)卡、電池能量集線(xiàn)器、電池能量交換機(jī)、電池能量適配器、以及云平臺(tái)（巡檢云平臺(tái)及調(diào)度云平臺(tái)）及通信信道等，構(gòu)建能量流、信息流統(tǒng)一收集、傳輸、處理及控制的分布式儲(chǔ)能管控系統(tǒng)[25]，整體架構(gòu)如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
Fig.5 Overview of the system architecture diagram
電池能量網(wǎng)卡集成了MOSFET等電力電子開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率范圍為10～100 kHz，電池連續(xù)的能量流被離散為能量片段，電壓控制范圍為0～3.8 V；電池能量集線(xiàn)器組合構(gòu)成可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是電池狀態(tài)信息的匯集，采用CAN和RS-485通信方式，構(gòu)建底層的信息物理融合；電池能量交換機(jī)連接了電池能量集線(xiàn)器與電池能量適配器，控制局域電池系統(tǒng)的能量管理策略生成與執(zhí)行；電池能量適配器將電池能量交換機(jī)輸出的能量進(jìn)行整流控制，使之滿(mǎn)足電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出及與外部負(fù)載匹配的能量要求。
在構(gòu)成與電網(wǎng)互動(dòng)的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以雙向互動(dòng)試點(diǎn)為例，交流備電系統(tǒng)直流側(cè)工作電壓范圍為216～292 V（單體2.7～3.65 V），該電壓范圍與雙向儲(chǔ)能變流器的直流側(cè)電壓匹配（200～900 V）。直流備電系統(tǒng)直流側(cè)工作電壓范圍為43.2～58.4 V（單體2.7～3.65 V），通過(guò)AC/DC電源（AC 380 V/DC 48 V）對(duì)電池能量交換系統(tǒng)（含電池）進(jìn)行充電和對(duì)基站核心直流負(fù)載進(jìn)行供電，現(xiàn)場(chǎng)部署如圖6所示。
圖6 通信基站數(shù)字無(wú)損梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用部署
Fig 6 Deployment of DES in communications base station
本應(yīng)用案例選用退役動(dòng)力電池替代鉛酸電池應(yīng)用于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，不需要將退役動(dòng)力電池模組拆解至電池單體，而是采用可重構(gòu)電池模組構(gòu)成的電池網(wǎng)絡(luò)消除電池的差異性。傳統(tǒng)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過(guò)多個(gè)電池模組DC/DC隔離級(jí)后以并聯(lián)或PCS交流側(cè)并/級(jí)聯(lián)等形式提高電壓、電流等級(jí)，多級(jí)能量變換過(guò)程損失了系統(tǒng)能量效率。相比之下，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)省掉多級(jí)DC/DC隔離級(jí)或PCS交流側(cè)并/級(jí)聯(lián)，能量效率損耗僅來(lái)自于MOSFET電力電子開(kāi)關(guān)，由于其電壓等級(jí)較低，在降低系統(tǒng)能量損耗方面存在優(yōu)勢(shì)。
3.3 功能和性能驗(yàn)證
在保持電池一致性的前提下，完成電池放電并保持功率穩(wěn)定是儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能要求。為驗(yàn)證數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，特進(jìn)行數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程均衡測(cè)試、多站點(diǎn)功率聯(lián)動(dòng)測(cè)試和有功/無(wú)功調(diào)節(jié)測(cè)試。
3.3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)電池均衡性能測(cè)試
選取長(zhǎng)崗村C基站儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)采用3.2 V/100 Ah的退役磷酸鐵鋰電池，構(gòu)成4并80串?dāng)?shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)容量為102.4 kWh。在室溫條件下，設(shè)定數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電倍率為0.3 C，平均測(cè)量時(shí)隙約為0.5 min，驗(yàn)證數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC在[70%,100%]運(yùn)行范圍內(nèi)電池模組SOC、端電壓的均衡特性。
運(yùn)行狀態(tài)下，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)電池SOC、端電壓的變化曲線(xiàn)及對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差如圖7所示。結(jié)果顯示，在0.3 C倍率放電條件下，電池SOC最大差異為1%，最大統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差為0.508%；電池端電壓最大差異為28 mV，最大統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差為6.631 mV。
圖7 電池SOC和端電壓一致性測(cè)試
Fig.7 Battery SOC and terminal voltage consistency test
3.3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)功率測(cè)試
通信基站數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)削峰填谷能量調(diào)度中發(fā)揮作用，單個(gè)通信基站的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)站點(diǎn)裝配雙向電池能量交換系統(tǒng)，通過(guò)云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制電池能量交換系統(tǒng)某個(gè)時(shí)段充電、放電行為，使之能夠滿(mǎn)足通信基站參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)的功能要求。
為驗(yàn)證特定臺(tái)區(qū)變壓器內(nèi)多個(gè)通信基站數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)功率聯(lián)動(dòng)輸出的穩(wěn)定性，設(shè)定長(zhǎng)崗村臺(tái)區(qū)變壓器下4個(gè)通信基站中的數(shù)字無(wú)損梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)以24 kW功率放電50 min，聯(lián)合輸出功率曲線(xiàn)如圖8所示。結(jié)果表明數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠維持輸出功率的穩(wěn)定性。
圖8 系統(tǒng)輸出功率測(cè)試
Fig.8 System output power test
3.3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)有功/無(wú)功測(cè)試
儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)，要求具備功率調(diào)節(jié)和維持電網(wǎng)穩(wěn)定的功能。對(duì)安裝在長(zhǎng)崗村通信基站中數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率測(cè)試，分析系統(tǒng)總進(jìn)線(xiàn)功率與子系統(tǒng)進(jìn)線(xiàn)總線(xiàn)數(shù)據(jù)。儲(chǔ)能變流器額定功率100 kW，額定電壓380 V AC，功率因數(shù)為1。該裝置支持并/離網(wǎng)模式，在市電斷電時(shí)，雙向儲(chǔ)能變流器的并/離網(wǎng)切換裝置能夠在20 ms內(nèi)無(wú)縫切換至離網(wǎng)模式。系統(tǒng)總進(jìn)線(xiàn)三相基波功率如圖9所示，單相基波功率如圖10所示，系統(tǒng)總進(jìn)線(xiàn)基波功率較子系統(tǒng)功率穩(wěn)定，表明數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)在維持系統(tǒng)總線(xiàn)輸出功率穩(wěn)定中發(fā)揮作用。
圖9 總線(xiàn)基波功率
Fig.9 Fundamental wave power trend of bus base line
圖10 單相基波功率趨勢(shì)
Fig.10 Fundamental wave power trend of one phase
4 結(jié)論與展望
儲(chǔ)能技術(shù)正在經(jīng)歷重大變革，基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲(chǔ)能技術(shù)成為一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，其技術(shù)核心是采用高頻電力電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)模擬能量流的離散化、數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)電池電化學(xué)模型、電池狀態(tài)建模以及系統(tǒng)集成應(yīng)用。
作為一種新生業(yè)態(tài)，數(shù)字儲(chǔ)能技術(shù)將橫向貫穿電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的全行業(yè)，將在通信基站、數(shù)據(jù)中心、用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能、大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能中形成較廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體功率器件高壓化、大容量化的發(fā)展，用于構(gòu)建電力電子開(kāi)關(guān)器件的半導(dǎo)體價(jià)格呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)成本將大幅降低。考慮基于數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)集成、運(yùn)行優(yōu)化等，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)滿(mǎn)足場(chǎng)景要求的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于行業(yè)關(guān)注的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、能量效率等問(wèn)題，后續(xù)將會(huì)開(kāi)展更多實(shí)驗(yàn)及示范項(xiàng)目，完成數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、能量效率等定量分析，驗(yàn)證數(shù)字儲(chǔ)能性能。在當(dāng)今儲(chǔ)能行業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)將突破系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性束縛，有望革新當(dāng)今儲(chǔ)能行業(yè)，實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
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Modeling and Operation Control of Digital Energy Storage System Based on Reconfigurable Battery Network
——Base Station Energy Storage Application
CI Song*, ZHOU Yanglin, WANG Hongjun, SHI Qingliang
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)
Abstract: Energy storage systems (ESSs)are changing the realtime balance characteristics of ready-to-use power systems use and have become an important supporting technology for the construction of smart grids.Battery energy storage technology is a systematic project whose research fields include chemistry,dynamic modeling, and system management.Designers need to understand the electrochemical and material properties of batteries to design and implement efficient battery management algorithms based on mathematical models and control systems.Nevertheless, traditional ESSs using fixed welding connections cannot achieve accurate detection and control based on battery cells.The failure of any battery cell will cause a system-level failure, and its safety cannot be guaranteed.With the aid of reconfigurable battery networks, the digital energy storage (DES)technology discretizes and digitizes the continuous energy flow of the battery cells, thereby shielding the differences caused by the physical and chemical properties of the battery cells, as well as flexibly adjusting the battery topology to achieve load matching with multiple application scenarios.
Keywords: digital energy storage system; large-scale energy storage system; second battery utilization; base station powering
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慈松
作者簡(jiǎn)介：
慈松（1970），男，教授，主要研究方向大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)建模、控制與優(yōu)化理論研究及其在信息能源交叉研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。通信作者，E-mail: sci@tsinghua.edu.cn。
周楊林（1991），男，助理研究員，主要研究方向分布式能量管控技術(shù)與綠色通信，E-mail: zhouylstu@tsinghua.edu.cn。
王紅軍（1982），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⑼ㄐ畔到y(tǒng)、分布式能量管控及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，E-mail:wanghongjun@tsinghua.edu.cn。
石清良（1983），男，工程師，主要研究方向?yàn)榉植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)，E-mail: sqlzy@mail.tsinghua.edu.cn。
