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磷酸鐵鋰電池儲能系統的應用

2016-05-06

  隨著風能、光伏等可再生能源發電產業的快速發展,電網干擾、污染及隨機性引起的棄光、棄風問題日趨嚴重。自2011年起,通過對磷酸鐵鋰電池為基礎的化學儲能系統的潛心開發、測試與運用,已攻克并不斷攻克著儲能系統中一個又一個應用難題。

  降低成本,實現大規模應用

  在鋰離子電池成本結構中,材料成本占比接近75%,而包括勞動力成本、制造成本、其他成本在內總共占比25%出頭。根據成本分布情況,中天科技集團(以下簡稱中天)針對性地采取了相應的降本措施:

  中天儲能采用全自動化設備。這是為降低制造成本及勞動力成本所采用的措施,與純手工制作對比,生產效率增加50%以上,制造成本下降了7%以上,使勞動力成本下降了2%左右。自動化設備的應用,使磷酸鐵鋰電池整體成本下降了10%左右。

  其它材料的標準化及工藝的不斷優化。除正、負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準化材料,使電池及電池組批量制作時,成本能有較大幅度的下降,且在工藝上不斷優化。在2015年,中天在材料標準化及工藝優化上使整體成本下降了約12%左右。

  通過對主要原材料的改良使主材成本下降。中天通過配方改良及工藝改進,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年以來主材的價格不斷上漲,但中天主材的成本占比沒上升,且略有下降。

  一致性好及使用壽命長,讓儲能系統在實際使用過程中的成本下降起著關鍵作用。因為中天采用全自化設備,所以在一致性及配組上得到了保證,加上中天全極耳等獨創工藝使儲能系統壽命達到5000次以上,大大降低了實際運營成本。

  關鍵技術,系統具有更大優勢

  除了上述一些針對性降本措施,中天還就如何降低質量成本、售后成本,針對性形成相應的體系。綜合所有成本的降低,中天使磷酸鐵鋰儲能系統有更大的優勢,為儲能系統得到更廣泛應用打下良好的基礎。

  儲能系統調度算法是能否發揮儲能系統最佳作用的關鍵。一般電池儲能系統主要由儲能電池組、變流器、控制裝置和變壓器組成。圖2是儲能系統的電路拓撲圖。

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  以電池儲能系統的削峰填谷功能為例來說明控制算法,第一是預測出的日負荷曲線,優化出24h的最優充放電策略,即每個時刻電池是否充放電,充放電的功率大小為多少。第二是實時控制,根據日前優化給出的充放電策略,以及當前的負荷值、電池狀態等數據,計算出充放電功率指令并下發給每組電池。

  較簡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能電站以恒定的功率進行充放電。恒功率充放電方式實現的一般步驟是:根據電池組的容量S和設定的充放電功率P,計算出總充電時間和總放電時間T=S/P。然后在負荷曲線中找到負荷最小點及負荷最大點,確定好充電及放電時間T。

  如果需要根據實際情況靈活制定儲能電站的運行策略,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已有的負荷預測曲線,考慮到電池組容量和充放電功率的限制,首先把進行削峰填谷的充放電功率上下限值定下來,然后與預測負荷功率曲線進行比較,在此基礎上各時間段內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明。除此之外,儲能系統所要考慮的控制策略還有很多:

  (1)間隙性可再生能源與儲能系統的互補控制策略;(2)孤島型儲能系統控制策略;(3)區域載荷預測神經網絡算法……

  一系列能源與能源、能源與負載間的控制算法策略,是確保儲能系統穩定可靠工作,且減少棄風棄光的前提。中天儲能在這一方面設計了針對性的算法來應對不同應用條件下的儲能系統。

  單體電池的選擇與串并聯的選擇,決定了儲能系統可靠性及壽命。在電池儲能電站系統中,儲能電池由多個電池經串聯成電池組后接入直流母線,然后直流母線經DC/AC逆變器接入變壓器,連接到交流母線進入電網。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能電池時,串數為200串左右。MW級儲能系統所需的儲能電量可能達到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能電池組時,在需多個電池組進行串聯的同時,還需采取并聯的方式來提高容量。

  電池模塊組在串并聯過程中,由于串聯的電池同時經過充電或放電,所以串聯過程中電池的一致性非常重要。而在并聯使用時,在充放電過程中功率變化、起停及其它保護機制起作用時,就會出現相互并聯模組間的互充等影響。所以中天儲能系統電池考慮的點有:

  (1)單體電池是否能滿足工作過程的性能要求;(2)電池模組、整個電池組間一致性要求如何實現;(3)單體電池及電池模組是否能滿足充放電過程中功率變化、起停及其它保護機制起作用時,抑制住并聯單體、模塊相互之間的影響;(4)當電池隨使用時間的推移,內部機理發生變化,是否能滿足上述過程性能要求;(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說,就有很大的不同。根據圖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BMS要求更高。如果采用先并后串則反之。

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  電池管理系統(BMS)對單體電池間均衡應如何解決。上述提到電池的一致性非常關鍵,但由于單體電池間總會存在差異,而且隨著使用時間的推移,差異會變大。作為電池組的一重要部分電池管理系(BMS)應如何對單體電池間進行均衡,就成為了確保儲能系統壽命更長的一項指標。

  中天儲能長期以來的研究表明,電池的一致性由諸多參數一致性來決定;在不同工作電流下所呈現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;不同時間、不同使用經歷的電池有著本質的區別。

  結合上述各個研究結論,有針對性地對BMS均衡功能做針對性一一設計,避免了由于這一系統的差異帶來的不均衡,而不是簡單的被動均衡,或主動均衡。因為目前所謂的被動或主動均衡都僅是基于監測電壓來實現,從源頭上就存在著偏差。當然中天所設計BMS的均衡部分硬件、算法等都需要結合儲能系統的實際工作要求、使用及環境要求來進行適當調整。

  鋰離子電池及BMS系統與PCS的匹配性問題。儲能變流器(PCS)作為電能執行系統,負責對各種能量轉換,并對電池系統進行充電。所以在使用過程中怎樣與電池系統進行更好的匹配,也是讓儲能系統工作安全、穩定可靠的關鍵所在。通常PCS工種模式有:

  1)功率模式:以設定的有功、無功輸出功率值為參考;2)調頻模式:設定頻率,根據頻率設定值吸收或發出有功功率以調節系統頻率;3)調壓模式:設定參考電壓,根據電壓設定值注入容性或感性無功(低電壓穿越、STATCOM);

  孤島模式:脫離大電網,自行組網運行,調頻調壓,同步并網。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各自保護機制做到劃分準確、干凈實施等,都必須充分考慮。中天正著手建立各種大數據庫,進行不斷分析與總結,使鋰離子電池及BMS與PCS做更有效的匹配。

  在對儲能系統不斷研發與實踐過程中,中天除了對上述一些實際問題設計出了相應解決方案,還進一步對其它的遠程監控、云管理系統、大數據收集分析及儲能電池回收等做了實際的開發與應用。這在以后的電站儲能、家庭儲能、通信儲能及其它不同的儲能系統中,不斷得到應用與提升。


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