中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2019年10月11-12日，第六屆儲(chǔ)能技術(shù)在分布式能源與微電網(wǎng)中應(yīng)用高層研討會(huì)”在深圳召開。來自科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)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(xiàng)目承包商、投融資機(jī)構(gòu)等500余人參加了本次會(huì)議。
在會(huì)上，北京交通大學(xué)副教授、國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心副主任童亦斌分享了主題報(bào)告《基于低壓電池模組的分布式儲(chǔ)能技術(shù)》，以下為演講實(shí)錄：
童亦斌：我來自北京交通大學(xué)、國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)研究所，鋰電池在消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)該說這個(gè)獎(jiǎng)也是實(shí)至名歸。鋰電池還有一些技術(shù)上的困難，我們的研究也是主要針對(duì)這些難點(diǎn)開展研究，所以今天很高興有機(jī)會(huì)跟大家一起分享我們?cè)谶@方面的研究心得，希望通過交流獲得一些靈感。
電力儲(chǔ)能一般分成三個(gè)：電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)，我們自身定位的角度來講，我們主要關(guān)心電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)，特別是用戶側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。用戶側(cè)儲(chǔ)能的特點(diǎn)主要是規(guī)模普遍都比較小，幾十度電到一百多度電；二是位置、管理、投資都非常分散；三是場(chǎng)景非常多，各種各樣不同的場(chǎng)景，包括商業(yè)模式、管理模式都非常復(fù)雜；投資、應(yīng)用、調(diào)控的手段比較靈活。它是屬于比較散、比較小的細(xì)分市場(chǎng)。
從儲(chǔ)能的形式上來講，我們可以看到各種各樣的形式，包括集裝箱式的、室內(nèi)安裝等。總的來講，都是越往電源側(cè)走儲(chǔ)能的規(guī)模越大、偏向于大規(guī)模、集中式，越往用戶側(cè)走規(guī)模越來越小、偏向小型分散式的裝置。
當(dāng)我們聚焦到用戶側(cè)儲(chǔ)能場(chǎng)景的時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了常規(guī)的電池技術(shù)之外，還有一些特殊的東西需要我們注意，比如說場(chǎng)地條件，很多用戶場(chǎng)地受約束，安裝儲(chǔ)能的場(chǎng)地非常緊張，包括成本上的問題。去年開始，安全問題成為了鋰電池應(yīng)用非常大的瓶頸。我每天進(jìn)出住宅樓都會(huì)面對(duì)電動(dòng)自行車奪命100秒的安全警示。這種宣傳也讓公眾對(duì)于鋰電池的安全產(chǎn)生非常大的擔(dān)憂，目前來講，我們接觸到的很多咨詢、項(xiàng)目，大家對(duì)這個(gè)問題都表現(xiàn)得非常關(guān)注。
接下來還有關(guān)于經(jīng)濟(jì)效益方面的考量、運(yùn)維方面的考量等，這些形成了用戶側(cè)儲(chǔ)能很多自身的特點(diǎn)，我可以總結(jié)成：場(chǎng)地非常緊張、安全方面的要求比較高、需求、商業(yè)模式多變，最后是經(jīng)濟(jì)效益目前由于各種原因有待于進(jìn)一步提高，當(dāng)然這不是我們單方面技術(shù)解決的，還需要電池制造企業(yè)、商業(yè)金融等方面共同努力才能得到解決。
用戶側(cè)儲(chǔ)能從結(jié)構(gòu)上來講沒有特別的特點(diǎn)，無非是電池單體、電池模組、電池租串、功率管理、開關(guān)柜等，電池存儲(chǔ)方面、電器控制和布置方面也可以區(qū)分一下，電池存儲(chǔ)有低壓方式和高壓方式，電池控制主要是指變換器，有分散變換和集中變換。布置方式有集中布置和分散布置，大概是這些類型，不同的企業(yè)采取不同的技術(shù)方案。
我們重點(diǎn)關(guān)注的是電池存儲(chǔ)方面，我們研發(fā)中心研究最多的是電池的成組技術(shù)。電池成組最簡單的就是直接串并聯(lián)，它的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)非常簡單、成本比較低。直接成組采用電氣硬連接，所以對(duì)于電池不一致性沒有主動(dòng)防御能力，當(dāng)出現(xiàn)一些故障的情況下，比如熱失控、熱蔓延，直接串并聯(lián)對(duì)故障的阻隔能力也比較差。因此有些研究開始想，能不能在串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中插入一些開關(guān)，利用這些開關(guān)對(duì)電池進(jìn)行切換，一開始人們想到的是機(jī)械開關(guān)、電器開關(guān)，出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行切換，但這仍然是硬連接。在火災(zāi)等極端事故的情況下很難把電池解開，雖然可以采用一些類似快插拔的技術(shù)，實(shí)際運(yùn)行下來發(fā)現(xiàn)速度還是不能很好地滿足要求。因此有人開始提出利用電力電子的方法，我們稱之為柔性成組，用電力電子開關(guān)替代原來的機(jī)械開關(guān)或電器開關(guān)。這種方法的好處，是可以利用電力電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)非常靈活的調(diào)控功能，等會(huì)兒我們會(huì)重點(diǎn)介紹。
從模組的電壓角度來講也分兩種：一是高壓；二是低壓。小于60V的電壓，安全性來講可以顯著提高，如果電壓大于120V，各種安全規(guī)范包括研究上來講，對(duì)人體、對(duì)火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)大大提高。
我們對(duì)基于低壓電池模組的分布式儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)研究了大概三四年的時(shí)間，它的主要特征是電池模組的電壓限制在48V或60V，采用隔離的DC/DC變換器升壓到375V或750V，然后利用多個(gè)儲(chǔ)能單元并聯(lián)，達(dá)到所需要的容量。
按照目前常用的電池安時(shí)容量算下來，一個(gè)電池模組的容量大概在5度電左右，按照0.5C的倍率算，需要2.5千瓦的變換器，這就是我們開發(fā)過的一個(gè)樣機(jī)的示意圖（見PPT），底下是電池模組，上面配一個(gè)DC/DC變換器，構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊。采用多個(gè)模塊，最后集中通過DC/AC并網(wǎng)。采用集中式DC/AC，可以更好地滿足并網(wǎng)要求，接受調(diào)度也比較方便。
采用低壓電池模組最大的好處，首先是提高了安全性。雖然我們現(xiàn)在都在追求更加安全的電池，但到目前為止，本質(zhì)安全的電池距離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離，在短時(shí)間內(nèi)我們還不得不面對(duì)鋰電池既有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)我們要用它的局面。在這種情況下，很多公司和科研機(jī)構(gòu)研究的鋰電池消防技術(shù)，我們認(rèn)為是非常有前景的。而從另一個(gè)角度，通過控制發(fā)生熱失控或火災(zāi)的鋰電池?cái)?shù)量，也可以有效控制和降低火災(zāi)事故的危險(xiǎn)。沿著這條思路，我們把電池模組的電壓和容量限制下來。在發(fā)生極端安全消防事故的時(shí)候，目前最有效的滅火方法還是水噴淋，而采用比較低電壓的模組，對(duì)于保障消防人員的安全是非常有好處的。
其次，鋰電池都需要配BMS系統(tǒng)，電力電子變換器也有自己的控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)低壓電池模組的時(shí)候，將電池管理和電力電子控制集成，不僅是結(jié)構(gòu)上融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制融合，就可以做成電池和電力電子裝置融合在一起的獨(dú)立模組，利用電力電子裝置更加智能的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池更好的保護(hù)。比如說我們做實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)情況，運(yùn)行過程中判斷有一個(gè)電池可能存在內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)時(shí)立即通知后臺(tái)，并對(duì)電池模組連同上面的隔離變換器一起進(jìn)行了更換。新的電池模組，它的SOC比其它電池模組的SOC低很多，如果按照常規(guī)成組方式，需要額外的均衡策略才能把這些電池模組的SOC狀態(tài)調(diào)節(jié)成一樣。而利用電力電子裝置的下垂控制，經(jīng)過一段的運(yùn)行，就可以自己把SOC調(diào)整到完全均衡的狀態(tài)。大大簡化了系統(tǒng)控制，對(duì)于檢修非常方便。
最后，采用低壓電池模組進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活。把電池模組和DC/DC進(jìn)行整合以后，電池單元可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要，比如說現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的要求、容量的要求進(jìn)行相對(duì)靈活的配置。我們當(dāng)時(shí)為了兩個(gè)示范項(xiàng)目分別做了機(jī)架、機(jī)柜式的設(shè)計(jì)方案，可以看出這種模塊集成在應(yīng)用上帶來的好處。
另外，由于每個(gè)電池模組都通過隔離DC/DC解耦，相互之間沒有影響，在同一個(gè)系統(tǒng)中可以選擇不同的電池，極端情況下甚至是不同類型的電池、不同容量的電池都可以在一個(gè)系統(tǒng)里混合使用。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)一般都是按照電池5到8年的使用壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這么長的時(shí)間過程中，很難保證電池不損壞，而一旦損壞，要更換成同樣型號(hào)、同樣容量的電池，無疑會(huì)增加用戶側(cè)儲(chǔ)能運(yùn)行維護(hù)的困難。采用低壓電池模組的柔性成組方案，基本不用考慮和原來電池的匹配，更換起來更加方便靈活。把這個(gè)思路進(jìn)一步延展，類似的方法非常適合電池的梯次利用，我們?cè)谝粋€(gè)項(xiàng)目里就是采取了這樣的方案設(shè)計(jì)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
低壓電池模組儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括安全檢測(cè)、變換器控制以及系統(tǒng)
安全檢測(cè)方面，現(xiàn)在對(duì)鋰電池的安全檢測(cè)、安全預(yù)警重視非常高，鋰電池的安全檢測(cè)最終是要依靠BMS實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的BMS主要針對(duì)高壓組串結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果把BMS的功能和變換器的控制功能進(jìn)行集成，可以簡化硬件，同時(shí)也有助于降低成本、提高產(chǎn)品的可靠性。
變換器本身也會(huì)有各種復(fù)雜的通信功能、聯(lián)網(wǎng)功能，可以開展智能的電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)：利用變換器進(jìn)行前端電池狀態(tài)的收集和簡單的處理，把數(shù)據(jù)傳回到后臺(tái)，在后臺(tái)做更加復(fù)雜的電池狀態(tài)分析和處理，把分析的結(jié)果傳回到前端的變換器，指揮變換器技術(shù)充放電控制，異常的狀況下提供一些保護(hù)。
隨著這個(gè)拓?fù)涞膽?yīng)用，對(duì)隔離變換器的效率、體積和成本都提出了更高的要求。因?yàn)檫@里的隔離DC/DC變換器的量大大增加，如果成本沒有降下來、效率沒有提上去，應(yīng)用一定是會(huì)受到限制的。另一個(gè)問題涉及到變換器的控制，在剛才的拓?fù)鋱D里，了大量DC/DC變換器并聯(lián)，需要采取有效的措施，包括直流側(cè)的虛擬直流電機(jī)、下垂特性等變換器的控制技術(shù)，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。交流側(cè)和傳統(tǒng)方式相似，主要是虛擬同步電機(jī)控制，以及支持離網(wǎng)運(yùn)行等。
最后是關(guān)于系統(tǒng)集成和智能應(yīng)用方面，這是用戶側(cè)儲(chǔ)能大家最頭疼的地方。用戶側(cè)儲(chǔ)能雖然說得非常好，遠(yuǎn)期前景非常廣闊，但到底能給用戶帶來什么，到底有什么樣的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式，大家都在苦苦探索，我們也在做一些探索。把儲(chǔ)能技術(shù)和低壓直流配電結(jié)合在一起，也就是說把分布式和光伏發(fā)電、民用建筑結(jié)合在一起，從這個(gè)角度探索應(yīng)用的價(jià)值。由于可以非常靈活地在直流系統(tǒng)里增加儲(chǔ)能裝置，也可以非常靈活的對(duì)它進(jìn)行調(diào)控，更衣更好地滿足建筑對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用要求。目前我們正在做的項(xiàng)目就是在深圳的未來大廈，準(zhǔn)備建一個(gè)5000平米的全直流建筑，這個(gè)建筑里我們也是準(zhǔn)備采取類似這種方式，把低壓電池模組升壓成正負(fù)375V或750V，接入到整個(gè)建筑內(nèi)部的直流母線上，提供分布式儲(chǔ)能的支持。
非常高興和大家介紹我們的研究成果，謝謝大家。
