付金建-级联型高压大容量储能技术研究进展.pdf-solarbe文库

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1 级联型高压大容量储能技术研究进展广州智光储能科技有限公司付金建 2019.04 杭州三、级联型高压储能系统运行数据四、关于智光储能二、构建安全高效的级联型储能系统目录一、大容量储能系统的特殊性手机电池事故率远低于储能系统一大容量储能系统的特殊性一一大容量储能系统的特殊性一大型储能系统的特殊性一大容量储能系统的特殊性一三、级联型高压储能系统运行数据四、关于智光储能二、构建安全高效的级联型储能系统目录一、大容量储能系统的特殊性电池系统架构一构建安全高效的级联型储能系统二 P1 Pa1 N P2 P3 Pn 簇 1 簇 2 簇 7 P 1 Pa P N  N ia PP 1 N N pppp PNpppP a 210 0211 * 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性一电芯安装容量利用率假定储能电站损耗为零的情况下，储能电站实际能输出的最大电量与电芯安装容量之和的比值（百分值）被定义为电芯安装容量利用率。由于实际能输出的最大电量在每个循环周期都有所不同，可以取一定循环次数的平均值。 1）电芯安装容量利用率随电芯个数增多而降低，电芯一致性越差，容量利用率越低； 2）电芯安装容量利用率随电芯保护电压设定值（放电深度 DOD）不同而变化； 3）一般而言同一个储能电站，初始运行时安装容量利用率相对较高，随着循环次数增加利用率逐步下降； 4）由于电芯随循环次数的增加自身容量逐步下降，容量利用率也受此影响。输出电量电芯安装容量 *允许的放电深度 DOD*电芯安装容量利用率 *储能系统效率 *电芯衰减系数构建安全高效的级联型储能系统二一 P1 Pa1 N N pppp PNpppPa 210 0211 * N P2 P3 Pn 电芯一致性理想条件下的运行通过扩充 I来扩充储能容量 P1 Pa2 012 PNPP N ia N P2 P3 Pn 电芯并联实际运行情况内部环流，损失容量。并联组数越多，短板效应越明显，电芯容量利用率越低。电池并联引起“短板效应” 容量下降一构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性一电芯并联后，为避免在充电末端及放电末端电芯端电压差距较大引起的电池安全使用问题，必须降低并联电芯充放电深度 DOD DOD DOD K1 K2 电池并联“短板效应”引起 DOD下降一构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性由于输出功率恒定控制，内阻大的电芯出力不够，其余电芯超倍率运行，严重影响其余电芯性能与寿命。 - Z1 E1 - - Z2 E2 Zn En Po 716.8V ◆ 由于整组电池在物理上直接硬连接，且都是能量体，因此在单电池芯出现短路问题的时候造成电压不均衡，导致其余电芯向被该短路的电芯泄放能量，也就是单电芯故障后的连锁反应，放大了事故状态，严重时就是我们看到的集装箱冒火现象； ◆ 电芯并联加大了 BMS对电芯状态的判断难度，电芯被滥用的概率升高电池并联加剧良品劣化，扩大事故范围一构建安全高效的级联型储能系统二 1、设计小电量的电池包，提高电芯安装容量利用率和安全性 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 T 2 635kV 并网电抗 A相 B相 C相一个电池簇构建安全高效的级联型储能系统二 2、小电量的电池包级联组成大容量的储能系统电量 0.2MWh的储能单元组成一套 12MWh储能系统（直接 10kV输出）构建安全高效的级联型储能系统二电力电子装置交流串联技术成熟度高此项技术来源于成熟的高压变频调速技术及高压静止无功发生器（ SVG）技术，相关设备在全球已有几十万台套的运行经验。簇 1 簇 2 簇 7 224 被动均衡，通过控制能耗电阻的通断实现能量均衡，简单，均衡能力一般主动均衡，实现能量在不同电芯之间传递，复杂，均衡能力较高一构建安全高效的级联型储能系统二 3、电池簇功率控制技术 PCS与 BMS互补，提升电池均衡控制能力和容量利用率，均衡老化速度级 1 级 2 级 3 级 4 级联模式簇 1 簇 2 簇 7 224 低压模式构建安全高效的级联型储能系统二 3、电池簇功率控制技术 PCS与 BMS互补，提升电池均衡控制能力和容量利用率，均衡老化速度 ◆由于整组电池在物理上直接硬连接成一个整体使用，为保持各电芯特性基本相同，要求环境温度接近，对空调布局、风道布局提出高要求，理论上各电芯温差越低越好，但在实际运行中很难保障。由于工作温度不同导致电池差异增大，会显著降低整组电池出力水平； ◆对系统电池堆安装布线提出了要求。簇 1 簇 2 簇 7 224 一构建安全高效的级联型储能系统二 4、电池温度分区管理，设计可靠的散热系统提高散热可靠性，缩小电池温差高压直接输出型储能系统，各电池簇直流端相互独立，只需要保证每个电池簇内的电池工作温度均衡。构建安全高效的级联型储能系统二 4、电池温度分区管理，设计可靠的散热系统提高散热可靠性，缩小电池温差级 1 级 2 级 3 级 4 5、省去变压器，提高单机容量提高效率、节省开关、变压器等配电系统投资高压级联式转换效率高的原因有以下三点 ➢没有变压器，至少减少 1个百分点的变压器自身损耗； ➢等效开关频率很高，功率变换单元的开关频率降低，有效降低器件开关损耗； ➢直接输出高压，每相电流减小，线路损耗降低。构建安全高效的级联型储能系统二无需滤波设备，输出电压、电流 THD3以下，避免滤波电感、电容回路耦合振荡问题，也不存在滤波参数漂移问题。单元输出 PWM 级联后输出高压 PWM波形构建安全高效的级联型储能系统二 6、移相 PWM控制，省去滤波环节提高系统电能质量，降低谐波序号工作项目工况转换时间 1 0功率运行转 4.5MW充电 2ms 2 4.5MW充电转 4.5MW放电 1.5ms 3 4.5MW放电转 4.5MW充电 2.5ms 4 4.5MW充电转 0功率运行 2ms 5 0功率运行转 4.5MW放电 1ms 6 4.5MW放电转 0功率运行 1.5ms 7 0功率运行转 4.5Mvar吸无功 1ms 8 4.5Mvar吸无功转 2Mvar发无功 2.5ms 9 4.5Mvar发无功转 2Mvar吸无功 1ms 10 4.5Mvar吸无功转 2Mvar发无功 2ms 11 0功率运行转 4.5Mvar发无功 1ms 12 4.5Mvar发无功转 0功率运行 2ms EMS PCS控制器调度指令下达无需协同处理机构。或者直调构建安全高效的级联型储能系统二 7、单机响应速度快，少量系统并联即可满足大容量建站需求简化储能站协调控制，提升调度响应速度构建安全高效的级联型储能系统二 8、功率冗余设计，储能单元自动旁路电芯故障切除容量小，可在线更换电芯构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站高压方案将 10套 5MW/10MWh的储能系统接入两条 10kV母线构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站 10套 5MW/10MWh的储能系统接入两条 10kV母线 17m 构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站高低压两种方案对比高压级联方案一次回路低压方案一次回路构建安全高效的级联型储能系统二 9、构建 50MW/100MWh的储能电站高低压两种方案一次设备对比低压方案级联高压方案储能系统台数 84～ 100 10 10kV变压器台数 25 0 10kV开关数量 25 10 400V开关数量 100 0 每包安装电芯容量＞ 1200kWh ＜ 200kWh 直流侧电流 ≈700A ≈140A 直流侧电压 ≈ 700V ≈ 700V 故障切除容量 ≥500kW/1000kWh ＜ 100KW/200kWh 需调控一次设备台数 234～ 250 20 关注储能电站投运中后期运行情况 1）电芯循环到一定次数之后，电芯本体的差异化逐步体现出来，再加上运行期间各电芯实际工作环境温度差异进一步加剧电芯差异化进程，储能系统设计方案须考虑应对办法； 2）电芯一致性变差之后，对储能电站的安全管理带来了挑战，这时候需要进一步降低电池 DOD，控制电池特性差异区域的使用，并对特性极差的电芯予以更换； 3）由于一致性问题加剧，中后期储能电站输出电量将逐年下降，这取决于电芯的一致性特性变化趋势及电芯的使用模式、电芯本体容量的衰减程度； 4）电芯一致性显著变差后，对 BMS的管理造成巨大的压力，实际均衡效果变差或无法起到均衡作用 ----高度关注中后期 BMS的实效； 5）尽早发现并处理特性差的电芯，对于整个储能电站的安全及使用效率有积极的意义。综上为保证储能电站的安全及使用效率，不建议电池的大规模化并联使用为适应电池参数离散，须对电池簇功率进行控制一构建安全高效的级联型储能系统二三、级联型高压储能系统运行数据四、关于智光储能二、构建安全高效的级联型储能系统目录一、大容量储能系统的特殊性企业基本情况一级联型高压储能系统运行数据三采用 PCS层级的大功率主动均衡控制，均衡能力强，有效避免了由于电池模块“木桶效应” 对整体储能系统的制约，同时提高了电池的利用率和使用寿命。 1、电池簇的运行功率控制能力 1、电池簇的运行功率控制能力广州某电站储能系统簇间 SOC收敛趋势级联型高压储能系统运行数据三 2、电池系统容量利用率广州某电站储能系统电量变化趋势级联型高压储能系统运行数据三