中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著風(fēng)能、光伏等可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)干擾、污染及隨機(jī)性引起的棄光、棄風(fēng)問(wèn)題日趨嚴(yán)重。自2011年起，中天科技集團(tuán)通過(guò)對(duì)磷酸鐵鋰電池為基礎(chǔ)的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛心開(kāi)發(fā)、測(cè)試與運(yùn)用，已攻克并不斷攻克著儲(chǔ)能系統(tǒng)中一個(gè)又一個(gè)應(yīng)用難題。
降低成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用
在鋰離子電池成本結(jié)構(gòu)中，材料成本占比接近75%，而包括勞動(dòng)力成本、制造成本、其他成本在內(nèi)總共占比25%出頭。根據(jù)成本分布情況，中天科技集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中天）針對(duì)性地采取了相應(yīng)的降本措施：
中天儲(chǔ)能采用全自動(dòng)化設(shè)備。這是為降低制造成本及勞動(dòng)力成本所采用的措施，與純手工制作對(duì)比，生產(chǎn)效率增加50%以上，制造成本下降了7%以上，使勞動(dòng)力成本下降了2%左右。自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用，使磷酸鐵鋰電池整體成本下降了10%左右。
其它材料的標(biāo)準(zhǔn)化及工藝的不斷優(yōu)化。除正、負(fù)極材料及隔膜等主要材料外的其它電池材料和PACK用材料，中天都盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化材料，使電池及電池組批量制作時(shí)，成本能有較大幅度的下降，且在工藝上不斷優(yōu)化。在2015年，中天在材料標(biāo)準(zhǔn)化及工藝優(yōu)化上使整體成本下降了約12%左右。
通過(guò)對(duì)主要原材料的改良使主材成本下降。中天通過(guò)配方改良及工藝改進(jìn)，不斷提高主材利用率，主材的成本上也有較大的降低。盡管2015年以來(lái)主材的價(jià)格不斷上漲，但中天主材的成本占比沒(méi)上升，且略有下降。
一致性好及使用壽命長(zhǎng)，讓儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中的成本下降起著關(guān)鍵作用。因?yàn)橹刑觳捎萌曰O(shè)備，所以在一致性及配組上得到了保證，加上中天全極耳等獨(dú)創(chuàng)工藝使儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命達(dá)到5000次以上，大大降低了實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。
關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)具有更大優(yōu)勢(shì)
除了上述一些針對(duì)性降本措施，中天還就如何降低質(zhì)量成本、售后成本，針對(duì)性形成相應(yīng)的體系。綜合所有成本的降低，中天使磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢(shì)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)得到更廣泛應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度算法是能否發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)最佳作用的關(guān)鍵。一般電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池組、變流器、控制裝置和變壓器組成。圖2是儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路拓?fù)鋱D。
以電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的削峰填谷功能為例來(lái)說(shuō)明控制算法，第一是預(yù)測(cè)出的日負(fù)荷曲線，優(yōu)化出24h的最優(yōu)充放電策略，即每個(gè)時(shí)刻電池是否充放電，充放電的功率大小為多少。第二是實(shí)時(shí)控制，根據(jù)日前優(yōu)化給出的充放電策略，以及當(dāng)前的負(fù)荷值、電池狀態(tài)等數(shù)據(jù)，計(jì)算出充放電功率指令并下發(fā)給每組電池。
較簡(jiǎn)單的削峰填谷方法是基于恒功率充放電方式，指在充放電階段電池儲(chǔ)能電站以恒定的功率進(jìn)行充放電。恒功率充放電方式實(shí)現(xiàn)的一般步驟是：根據(jù)電池組的容量S和設(shè)定的充放電功率P，計(jì)算出總充電時(shí)間和總放電時(shí)間T=S/P。然后在負(fù)荷曲線中找到負(fù)荷最小點(diǎn)及負(fù)荷最大點(diǎn)，確定好充電及放電時(shí)間T。
如果需要根據(jù)實(shí)際情況靈活制定儲(chǔ)能電站的運(yùn)行策略，且做到合理精確，就需要采用基于功率差充放電方式的削峰填谷方法。功率差充放電方式就是根據(jù)已有的負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，考慮到電池組容量和充放電功率的限制，首先把進(jìn)行削峰填谷的充放電功率上下限值定下來(lái)，然后與預(yù)測(cè)負(fù)荷功率曲線進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上各時(shí)間段內(nèi)的充放電功率就能被確定。
上述只是以削峰填谷需要合理的算法作為說(shuō)明。除此之外，儲(chǔ)能系統(tǒng)所要考慮的控制策略還有很多：
（1）間隙性可再生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)的互補(bǔ)控制策略；（2）孤島型儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略；（3）區(qū)域載荷預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法……
一系列能源與能源、能源與負(fù)載間的控制算法策略，是確保儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，且減少棄風(fēng)棄光的前提。中天儲(chǔ)能在這一方面設(shè)計(jì)了針對(duì)性的算法來(lái)應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用條件下的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
單體電池的選擇與串并聯(lián)的選擇，決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性及壽命。在電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池由多個(gè)電池經(jīng)串聯(lián)成電池組后接入直流母線，然后直流母線經(jīng)DC/AC逆變器接入變壓器，連接到交流母線進(jìn)入電網(wǎng)。一般DC/AC逆變器輸入直流電壓都在DC500V以上，用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能電池時(shí)，串?dāng)?shù)為200串左右。MW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的儲(chǔ)能電量可能達(dá)到1000Ah以上。目前磷酸鐵鋰單體電池以幾十Ah為主，所以要獲得較高的容量的儲(chǔ)能電池組時(shí)，在需多個(gè)電池組進(jìn)行串聯(lián)的同時(shí)，還需采取并聯(lián)的方式來(lái)提高容量。
電池模塊組在串并聯(lián)過(guò)程中，由于串聯(lián)的電池同時(shí)經(jīng)過(guò)充電或放電，所以串聯(lián)過(guò)程中電池的一致性非常重要。而在并聯(lián)使用時(shí)，在充放電過(guò)程中功率變化、起停及其它保護(hù)機(jī)制起作用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相互并聯(lián)模組間的互充等影響。所以中天儲(chǔ)能系統(tǒng)電池考慮的點(diǎn)有：
（1）單體電池是否能滿(mǎn)足工作過(guò)程的性能要求；（2）電池模組、整個(gè)電池組間一致性要求如何實(shí)現(xiàn)；（3）單體電池及電池模組是否能滿(mǎn)足充放電過(guò)程中功率變化、起停及其它保護(hù)機(jī)制起作用時(shí)，抑制住并聯(lián)單體、模塊相互之間的影響；（4）當(dāng)電池隨使用時(shí)間的推移，內(nèi)部機(jī)理發(fā)生變化，是否能滿(mǎn)足上述過(guò)程性能要求；（5）采用先串后并還是先并后串，先并多少、再串多少、最后并多少……
拿先串后并和先并后串來(lái)說(shuō)，就有很大的不同。根據(jù)圖3可以看出，先串后并安全性、可靠性更好；而容量更小、自放電更大，對(duì)BMS要求更高。如果采用先并后串則反之。
中天有專(zhuān)業(yè)的單體電池測(cè)試與模組PACK團(tuán)隊(duì)，一直為儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池串并聯(lián)做深入的研究，以上述各考慮為課題切入點(diǎn)，系統(tǒng)性定義電池組串并聯(lián)及組裝工藝。
電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)單體電池間均衡應(yīng)如何解決。上述提到電池的一致性非常關(guān)鍵，但由于單體電池間總會(huì)存在差異，而且隨著使用時(shí)間的推移，差異會(huì)變大。作為電池組的一重要部分電池管理系（BMS）應(yīng)如何對(duì)單體電池間進(jìn)行均衡，就成為了確保儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)的一項(xiàng)指標(biāo)。
中天儲(chǔ)能長(zhǎng)期以來(lái)的研究表明，電池的一致性由諸多參數(shù)一致性來(lái)決定；在不同工作電流下所呈現(xiàn)的一致性是不一樣的；材料、工藝差別所引起的一致性差別很大；不同時(shí)間、不同使用經(jīng)歷的電池有著本質(zhì)的區(qū)別。
結(jié)合上述各個(gè)研究結(jié)論，有針對(duì)性地對(duì)BMS均衡功能做針對(duì)性一一設(shè)計(jì)，避免了由于這一系統(tǒng)的差異帶來(lái)的不均衡，而不是簡(jiǎn)單的被動(dòng)均衡，或主動(dòng)均衡。因?yàn)槟壳八^的被動(dòng)或主動(dòng)均衡都僅是基于監(jiān)測(cè)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，從源頭上就存在著偏差。當(dāng)然中天所設(shè)計(jì)BMS的均衡部分硬件、算法等都需要結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際工作要求、使用及環(huán)境要求來(lái)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
鋰離子電池及BMS系統(tǒng)與PCS的匹配性問(wèn)題。儲(chǔ)能變流器（PCS）作為電能執(zhí)行系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)各種能量轉(zhuǎn)換，并對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電。所以在使用過(guò)程中怎樣與電池系統(tǒng)進(jìn)行更好的匹配，也是讓儲(chǔ)能系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵所在。通常PCS工種模式有：
1）功率模式：以設(shè)定的有功、無(wú)功輸出功率值為參考；2）調(diào)頻模式：設(shè)定頻率，根據(jù)頻率設(shè)定值吸收或發(fā)出有功功率以調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率；3）調(diào)壓模式：設(shè)定參考電壓，根據(jù)電壓設(shè)定值注入容性或感性無(wú)功（低電壓穿越、STATCOM）；
孤島模式：脫離大電網(wǎng)，自行組網(wǎng)運(yùn)行，調(diào)頻調(diào)壓，同步并網(wǎng)。在各種不同模式下，電池及BMS都是處于不同工況，且可能出現(xiàn)不同的起充、起放、靜止、均衡、脈沖交換等特殊情況。因此，如何在BMS中控制好電壓電流使其平抑過(guò)渡，如何平衡PCS充放，如何利用BMS與PCS間通信及控制策略，如何將BMS與PCS各自保護(hù)機(jī)制做到劃分準(zhǔn)確、干凈實(shí)施等，都必須充分考慮。中天正著手建立各種大數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行不斷分析與總結(jié)，使鋰離子電池及BMS與PCS做更有效的匹配。
在對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷研發(fā)與實(shí)踐過(guò)程中，中天除了對(duì)上述一些實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)出了相應(yīng)解決方案，還進(jìn)一步對(duì)其它的遠(yuǎn)程監(jiān)控、云管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)收集分析及儲(chǔ)能電池回收等做了實(shí)際的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。這在以后的電站儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、通信儲(chǔ)能及其它不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，不斷得到應(yīng)用與提升。
