中國儲能網(wǎng)訊：2019年10月11-12日，第六屆儲能技術(shù)在分布式能源與微電網(wǎng)中應(yīng)用高層研討會”在深圳召開。來自科研機構(gòu)、設(shè)計院、新能源發(fā)電企業(yè)、電力公司、系統(tǒng)集成商、電池制造企業(yè)、電氣元器件企業(yè)、新能源制造企業(yè)、項目承包商、投融資機構(gòu)等500余人參加了本次會議。
在會上，清華大學(xué)副教授許烈分享了主題報告《MMHC技術(shù)在分布式儲能中應(yīng)用》，以下為報告實錄：
許烈：大家好，我來自清華大學(xué)電機系的許烈。今天我匯報的題目是：基于MMHC拓撲的異購兼容的儲能產(chǎn)品。
關(guān)于儲能有很多的文章進行相關(guān)的介紹，我只說一點，本質(zhì)上儲能就是打破電力的供應(yīng)需求，在時間和空間上的不對稱。應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)電側(cè)儲能現(xiàn)在比較現(xiàn)實的應(yīng)用就是結(jié)合新能源領(lǐng)域，大量應(yīng)用在電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻，結(jié)合今天的主題微電網(wǎng)系統(tǒng)。
儲能最有潛力的是用戶側(cè)，用戶側(cè)目前可見的商業(yè)模式就是基于峰谷電價差經(jīng)濟性的電費管理，也有人稱為峰谷電價套利。大規(guī)模的商用儲能面臨三個最根本的問題才能普及：一是成本問題，客觀的說主要是電池成本問題；二是精準問題；三是安全問題。
首先我們要思考第一點，未來電池行業(yè)是否能長時間持續(xù)保持大幅度降價，對于這一點我個人相對來說偏保守不那么樂觀，梯次利用是解決成本問題最有效的解決方案。關(guān)于精準，早期的儲能系統(tǒng)大量采用的基于電池單體串并聯(lián)、粗放式的重組方式，未來將向模塊化和精準邁進。
關(guān)于安全，主流的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)都是被動式的，通過空調(diào)系統(tǒng)以及檢測進行被動的溫控。后續(xù)會通過技術(shù)的迭代實現(xiàn)主動溫控，當然同時還有安全感知技術(shù)，比如說精準的模型、傳感器、大數(shù)據(jù)等等，但這不在我個人的研究范圍內(nèi)，今天也不會在PPT中涉及。
如果說梯次利用，我們先看一下梯次利用的市場容量，這是一個粗放的統(tǒng)計，電動汽車的統(tǒng)計來自于汽車工業(yè)協(xié)會和百人會。我們可以看到從2014年開始到2018年，因為2019年的數(shù)據(jù)還沒有統(tǒng)計出來?；旧想妱悠囆袠I(yè)每年的增長率都接近200%，增長率最低的一年是168%，2017年查騙補。即使是對行業(yè)有沖擊，增長率依然保持在160%以上。電池保有量按照每輛車50度電估計，這個與真實的有些出入，早期以大巴車為主。梯次利用的好處是市場的物料來源基本上不需要預(yù)測，只需要看五、六年前的電動汽車數(shù)據(jù)就是非常精準的。因此我們可以得到的結(jié)論是，大量的退役電池以每年倍增的模式向市場上堆積。
梯次利用到底行還是不行的問題，如果它不可用，量再大也無法為我所用。這是某個公司的電池產(chǎn)品手冊，數(shù)據(jù)來源是臺達電子，電池手冊的右上角這張圖（見PPT），右邊是電池利用期溫度，影響電芯溫度，電芯內(nèi)部造成的溫升是非常大的。眾所周知，充放電倍率影響溫度的主要原因，溫度是影響電池壽命和安全性最主要的原因。不同溫度下我們可以看到，電池的循環(huán)壽命是有巨大差異的，車用階段使用到80%左右，基本上單體循環(huán)在2500次，重組之后的循環(huán)壽命會大幅下降，這是由于木桶效應(yīng)問題，后面會談到。
如果電芯溫度控制在非常良好的25度，也就是儲能行業(yè)普遍工作的溫度，可以看到的是，它的循環(huán)壽命會大幅度延長。所謂梯次利用就是在車用的基礎(chǔ)上用到80%SOC退役，沿著對生命良好的曲線進行梯次利用，差不多可以把梯次利用用到60%，可以預(yù)見到壽命還有幾千次。
二是電池本身的誤差，電池在制造過程中本身就存在A品和B品的問題，好的企業(yè)B品率在3%到4%，平均水平在6%到7%。當然可能每年這個數(shù)據(jù)都在減小，隨著技術(shù)的進步。即使是A品，我們在車用階段也需要通過分選保證其一致性，分選保證出廠一致，卻不能保證全壽命周期一致。核心的問題是我們對它進行大規(guī)模的串并聯(lián)。大量的串聯(lián)會導(dǎo)致電池模組的木桶效應(yīng)非常明顯，也就是說整組的壽命以及基本參數(shù)受限于串聯(lián)一串中最差的單體，大量的并聯(lián)由于必然存在雜殘的分布電鏟和電容的繼生效應(yīng)，多支路的并聯(lián)也能做到絕對的經(jīng)流。
我們進入到梯次利用的階段，首先要分選、拆解，如果拆解到單體已經(jīng)有非常多的科研機構(gòu)、學(xué)者、高校證明是不經(jīng)濟的，基本上拆解的單體可能比我們直接買新的電池還要貴。這個方案從經(jīng)濟上直接被Pass掉。剩下就是或者整包利用，或是拿包內(nèi)的模組進行應(yīng)用，但是整包應(yīng)用需要更為嚴格的循環(huán)測試，目前輕微的故障和漏液，依靠循環(huán)測試是無法判斷的，整包應(yīng)用串聯(lián)的數(shù)量比較多，循環(huán)測試需要更加嚴格。
梯次利用在儲能方面面臨的問題是儲能系統(tǒng)通常電池使用量是比較大的，基本上多少在兆瓦時，也就是在1000度電以上。參數(shù)的離散性和來源的多樣化和品類繁雜必須是我們在儲能系統(tǒng)中需要考慮的問題，我們在學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱其為異構(gòu)。同時充放電倍率必須嚴格控制，比如說峰谷電價利用是非常典型的自利用好的場景，大部分省份峰谷電價時間都是8小時，使用梯次電池，一充一放倍率是1.025C到1C，倍率是非常低的。
我們再來看一下作為核心設(shè)備的PCS目前發(fā)展到什么階段？目前市場上主流的PCS都是兩電平和三電平，三電平分為MPC和TMPC型的，他們的技術(shù)瓶頸、電池串聯(lián)數(shù)量比較大，滿足380伏的工業(yè)電網(wǎng)條件，直流測電價高于540伏，這是放電的最低電價，額定電價選擇在650伏，需要200多支的串聯(lián)。當然優(yōu)點是成本比較低、控制比較簡單。第二種方案是很多企業(yè)做的組串式，核心是DC/DC升壓，是一個兩電平，前端是整包利用的梯次電池，串聯(lián)在100串左右，優(yōu)點是木桶效應(yīng)200支減到100支，雖然沒有根本解決問題，畢竟得到了減緩。另外可以兼容整包的梯次利用，缺點是它經(jīng)歷了兩次的功率變換，效率通常比較低。儲能和光伏一樣是效率高度敏感型的行業(yè)，我們考核儲能的效率是考慮充放電效率，一充一放效率只有94%的話，一充一放的平放只有88%。
清華團隊經(jīng)過七年的研發(fā)，我們提出三個關(guān)鍵的核心技術(shù)，第一個就是MMHC的拓撲技術(shù)，MMHC是采用低壓模組，通常是12到24串，模組間完全異構(gòu)兼容。采用多電平級聯(lián)并網(wǎng)技術(shù)的PCS，可以實現(xiàn)模組的獨立控制、模組間的任意替換，并且保持非常高的效率，基本上在97%以上。同時同一套設(shè)備可以兼容不同廠家、不同品牌、不同類型、不同壽命的電池。
對比兩電平、電平PCS，MMHC異構(gòu)兼容優(yōu)勢明顯，對電池一致性要求大幅降低，可規(guī)模配套B品、梯次電池。對比組串式PCS只有一次功率變換，效率有明顯的提高，木桶效應(yīng)非常弱?？梢酝ㄟ^電力電子手段實施主動熱管理，保持電網(wǎng)最喜歡的極高的電能品質(zhì)。
導(dǎo)致我們必須大規(guī)模串聯(lián)，傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)串聯(lián)是在直流側(cè)，MMHC為了回避大規(guī)模串聯(lián)解決木桶效應(yīng)，我們把串聯(lián)點挪到交流側(cè)，由于每個模組都是低壓的，自然產(chǎn)生的電壓也是比較低的，不足以直接并380伏高壓電網(wǎng)。每個模組通過空間位移、側(cè)向的方式，只輸出交流電的一部分，再在交流側(cè)進行串聯(lián)，就可以得到我們想要的、完全的階梯波，這個階梯波可以直接并網(wǎng)，同時既可以充電也可以放電。
基于這種思路，采用了多電平技術(shù)，電池側(cè)完全回避了串聯(lián)，因此這些模組之間是完全可以異構(gòu)可以有鉛酸、鉛碳、三元、磷酸鐵鋰，模組出現(xiàn)故障、壽命終止，替換新的模組也完全不需要考慮其他模組與它的匹配性問題。
基于多電平的思想，我們繼續(xù)擴展到控制緯度，電池最核心的三個問題就是電壓密度問題、能量緯度問題和溫度溫度問題，電壓緯度包括模組的電壓、模組之間的電壓差、單體電壓、單體電壓差。能量緯度有一些關(guān)鍵的參數(shù)，比如說SOC、SOT、SOH。溫度緯度決定系統(tǒng)的安全我們需要考慮得更多一些，有模組的溫度、單體的溫度、模組以及單體溫度的差值以及環(huán)境緯度。
三個緯度匯總?cè)齻€基本緯度，三個基本緯度通過模糊控制的思想，最終得到的結(jié)論是接入系統(tǒng)的電池模組當前哪個狀態(tài)好一些、哪個狀態(tài)差一些。由于這種多電平的調(diào)制方式，每個模組瞬時的充放電能量是有差異的，是獨立可控的。因此我們可以實現(xiàn)在充電的時候讓虧電比較嚴重、狀態(tài)比較差的模組多補充能量，放電的時候讓狀態(tài)比較好的模組多出力，這就實現(xiàn)了智能調(diào)控模組間的能量，實現(xiàn)能者多勞、自然均衡。這個調(diào)控的速度非?？?，運算以及控制速度大約2000次/秒，調(diào)控的周期尺度在毫秒以下，因此對于電池側(cè)看來完全是連續(xù)的。有點像武俠里講的“天下武功，為快不破”。
基于三個核心技術(shù)我們可以做到什么？
1、低成本，這種技術(shù)根本上解決了梯次電池的異構(gòu)問題，儲能系統(tǒng)不再依賴電池梯次或B品參數(shù)的離散性，因此可以大規(guī)模的商用梯次電池，與合作企業(yè)共建的儲能項目，集裝箱方案包括所有的系統(tǒng)。
2、異構(gòu)兼容，由于異構(gòu)兼容的優(yōu)勢我們可以兼容各種類型的電池，儲能系統(tǒng)不挑電池，我們解決了梯次電池壽命難以評估的問題，如果你是采購梯次電池，你的梯次電池使用多久，賣的人也不知道，由于更換電池模組不用計較匹配的問題，因此可以完成支持梯次電池模組的租賃模式、按次付費，實現(xiàn)利益的共享。
3、由于模組間的能量是完全可控的，不同模組之間的能量是完全主動控制的，理論上是百分之百或是零，相當于疊加模組級的BMS，模組間的均衡是由PCS完成，模組內(nèi)部只有十幾串的電池單體，通常建議客戶按照電池保護板節(jié)省成本，或是按照廉價的BMS降低BMS部分的系統(tǒng)車本。
4、高電能質(zhì)量，傳統(tǒng)PCS的THD=24%，MMHC的理論THD是1.9%，我們實測1.96%，這個電能質(zhì)量可以為核磁共振的高精度設(shè)備供電。
5、延長電池壽命，從100到200串降低至于12到24串，這種技術(shù)應(yīng)用以后電池側(cè)的壽命更接近于單體，還不能達到，但是更接近于單體。
6、主動系溫控，主動溫控是非常重要的性能，由于每個模組輸出的功率是以過頻次快速控制的，即使某個模組當前的能量狀態(tài)很好，SOC很滿，如果他的溫度比較好，或者他比周圍模組的溫差較大，系統(tǒng)會自動系降額，防止出現(xiàn)局部熱失控和因空間布局不合理導(dǎo)致的熱集聚，通過主動溫控提升的儲能系統(tǒng)的安全性和集裝箱內(nèi)部溫場的均勻性。
這是我們合作企業(yè)開發(fā)的設(shè)備，他們今天也參展了，有興趣可以看一下，這是設(shè)備的主要技術(shù)指標，效率在97%以上，而且基本上半載以上全部是高效區(qū)，可以看一下產(chǎn)品手冊。
這是現(xiàn)場實測的照片，首先我們看到黃綠色是當?shù)氐碾娋W(wǎng)電壓，我們找一個完美電壓沒意義，我們找了一個工業(yè)園區(qū)，工業(yè)園區(qū)電壓比較差，紫色和藍色是并網(wǎng)電流，100千瓦的系統(tǒng)這是150安的并網(wǎng)電流，大家可以看到階梯電壓非常明顯，每級48伏的模組，十級共同構(gòu)成了交流電壓直接并網(wǎng)。
MMHC作為核心組成的儲能系統(tǒng)還包括空調(diào)系統(tǒng)、溫控、BMS、EMS、PCS，可以嵌入現(xiàn)有的集裝箱體系，MMHC的接線端子多一些，需要多預(yù)留一些接線端子，希望和今天參展各位廠商和企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)合作共贏，為打造一款高性價比的儲能系統(tǒng)而努力，非常感謝大家。
