基于新型功率架構(gòu)的退役動力電池儲能系統(tǒng)在配網(wǎng)中的應(yīng)用

譚志龍，劉濤，劉俊峰

（云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217）

0 前言

隨著全世界石油資源的逐漸枯竭和電池技術(shù)的進(jìn)步，電動汽車開始在全國乃至全世界范圍內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用，然而應(yīng)用于電動汽車的動力電池的性能隨充放電次數(shù)的增加而衰減，當(dāng)動力電池SOC 下降到原來的80%時(shí)，將無法滿足電動汽車嚴(yán)苛的使用要求。隨著電動汽車保有量的持續(xù)增加，在未來幾年將有大批車用動力電池達(dá)到使用壽命而退役，現(xiàn)有的拆解回收無法充分利用其殘余價(jià)值。然而應(yīng)用于配電網(wǎng)中的電化學(xué)儲能系統(tǒng)應(yīng)用場景較為溫和，對電池的性能要求較低，將退役電池梯次利用于配網(wǎng)的儲能系統(tǒng)是充分挖掘其殘值的好方法，國內(nèi)外也展開相關(guān)的研究，國際上的儲能技術(shù)以特斯拉的Powerpack 最為熱門，我國的比亞迪新能源、陽光三星電源、中行鋰電等也進(jìn)行儲能電站系統(tǒng)的研發(fā)，推出多種類型的電化學(xué)儲能產(chǎn)品[1-6]，但是現(xiàn)有的技術(shù)方案對退役電池一致性要求高，測試和篩選成本高，存在整體轉(zhuǎn)換效率較低和BMS 系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜的問題，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的梯次利用，因此如何實(shí)現(xiàn)退役電池真正的梯次利用是亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 梯次利用退役電池的現(xiàn)狀

電化學(xué)儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中可以對配變削峰填谷、作為應(yīng)急電源緊急供電，保障配網(wǎng)供電可靠性，同時(shí)可以解決配網(wǎng)中配變?nèi)嗖黄胶狻⒌碗妷汉椭C波污染等電能質(zhì)量問題，但是鋰電池高昂的價(jià)格是該技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸，梯次利用退役動力鋰電池是打破價(jià)格瓶頸的方法，國內(nèi)外學(xué)者對該領(lǐng)域爭相研究。

美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）研究量化評估了退役電池的儲能容量衰減規(guī)律；美國Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）分析了退役動力電池的再應(yīng)用成本，并構(gòu)建了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，發(fā)現(xiàn)決定其應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素包括電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化、重組電池模塊的人力成本、電動汽車用戶參與電池二次利用的激勵機(jī)制和電池容量保持率狀態(tài)預(yù)測精度。2016 年9 月特斯拉推出了其第二代Powerpack 儲能解決方案，并在18 個國家布署了近300 MWh 的特斯拉電池。特斯拉的儲能功率變換架構(gòu)中電池均由小容量的18650 電池單體組成，其單個電池模組的額定電壓僅為48V，需要通過一級隔離型DC/DC 變換器將電壓升至儲能變流器的直流側(cè)幾百伏的直流電壓電壓，由于DC/DC 模塊變比較大，導(dǎo)致?lián)p耗嚴(yán)重，整個系統(tǒng)的能量循環(huán)效率大為降低。此外特斯拉第二代Powerpack 儲能系統(tǒng)電池的串并聯(lián)規(guī)模較大增大，使得BMS結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且在電池模組的成本當(dāng)中占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

我國科研技術(shù)人員也緊跟國際形式和國內(nèi)需求，進(jìn)行儲能電站系統(tǒng)的研發(fā)，比如比亞迪新能源公司等陸陸續(xù)續(xù)研發(fā)出各種類型的電化學(xué)儲能產(chǎn)品，形成光伏、儲能等智能微網(wǎng)一體化的產(chǎn)品，并有很多實(shí)用化的應(yīng)用案例，國網(wǎng)河南電力公司和南瑞集團(tuán)于2014 年8 月在河南建成退役動力電池儲能示范工程，該工程位于鄭州市尖山真型輸電線路試驗(yàn)基地，是國內(nèi)首個真正意義上的基于退役動力電池的混合微電網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)前國內(nèi)主流的儲能系統(tǒng)解決方案如圖1 所示，其直流母線的電池均由多個電池單體串聯(lián)，以得到較高的直流母線電壓，電池組串進(jìn)行大規(guī)模并聯(lián)得到較大的等效電池容量，通過大功率AC/DC 變流器并網(wǎng)。這種架構(gòu)中單個電池串有數(shù)百個電芯組成，對電池的一致性要求較高。而當(dāng)前市面上的電動汽車型號繁多，不同車型的動力電池標(biāo)準(zhǔn)與容量不一，即使是同一車型，退役的動力電池也會擁有不同的健康狀況與剩余容量。當(dāng)前一種解決方案是將電池單體進(jìn)行拆解、篩選與重組，測出電池的容量、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、自放電值等數(shù)據(jù)，并利用加權(quán)k-means 聚類方法，將整體一致的電池編為一組，但是該方法測試和篩選工作量較大，淘汰率大，整體成本已接近購置新電池，實(shí)際中無法實(shí)施。另一方案是依靠昂貴的主動均衡電路來保持電池的一致性，以省去電池成組時(shí)測試和篩選的繁雜工序。但對于混搭儲能的退役電池模組而言，其容量等特性的差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主動均衡電路的輸出能力，在實(shí)際應(yīng)用中無法實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，目前退役動力電池梯次利用過程中存在轉(zhuǎn)換效率低、測試篩選成本高和BMS系統(tǒng)復(fù)雜的問題，無法實(shí)現(xiàn)退役電池組的自由混搭，導(dǎo)致梯次利用缺乏實(shí)際可操作性。

圖1 國內(nèi)主流廠商的儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 新架構(gòu)的退役電池儲能系統(tǒng)

對于當(dāng)前退役電池梯次利用中存在的問題，提出一種能夠減小退役電池顆粒度、提高整體轉(zhuǎn)換效率和簡化BMS 系統(tǒng)的一種新型儲能系統(tǒng)架構(gòu)，新架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)不同廠家不同狀態(tài)的退役動力電池的真正意義上的梯次利用。

2.1 儲能系統(tǒng)新架構(gòu)拓?fù)?/h3>

新型儲能系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2 所示。統(tǒng)包括交流配電網(wǎng)、配電網(wǎng)變壓器、配電網(wǎng)斷路器、本地負(fù)荷、控制調(diào)度中心和儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)包括斷路器、變壓器、儲能變流器（PCS）、AC/DC 變換器和儲能電池組。該架構(gòu)采用多個AC/DC 變換器采用共交流母線的結(jié)構(gòu)，每個AC/DC 變換器下面接一組特性基本一致的儲能電池，但是每個AC/DC 變換器所接的儲能電池組之間可以存在SOC 或者容量上的差別。該儲能系統(tǒng)架構(gòu)與國外技術(shù)相比，僅有一級AC/DC 功率變換，轉(zhuǎn)換效率高于特斯拉等公司的二級功率變換。與國內(nèi)主流的儲能系統(tǒng)相比，從結(jié)構(gòu)上將1 個大功率PCS 變成在每個電池串和交流母線之間多個AC/DC 模塊，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①即使每串電池端電壓不同，也可通過調(diào)節(jié)AC/DC 模塊，讓每串電池組并聯(lián)在交流母線上運(yùn)行，即性能和容量不同的電池串可以混合使用；②可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)每個AC/DC 模塊變比，保證每串電池組輸出到交流母線電壓基本一致，本質(zhì)上消除各串之間的環(huán)流，不依賴BMS 中復(fù)雜的能量均衡系統(tǒng)，大大簡化BMS。但是此種架構(gòu)也有自身的局限性，要求直流側(cè)電池組的電壓應(yīng)至少高于600 V，與國內(nèi)主流的電池組端電壓相當(dāng)。

在整個系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一般由交流配電網(wǎng)給本地負(fù)荷供電，儲能系統(tǒng)可以根據(jù)主動配電網(wǎng)中控調(diào)度系統(tǒng)的指令輸出或吸收有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償或者削峰填谷的功能；當(dāng)交流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)斷路器斷開，儲能系統(tǒng)可以運(yùn)行在應(yīng)急電源模式，為本地負(fù)荷緊急供電。

圖2 新型儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 新型儲能系統(tǒng)硬件電路

新型儲能系統(tǒng)硬件電路如圖3 所示。儲能系統(tǒng)通過交流斷路器與本地負(fù)荷相連，d/Yn11型號的升壓變壓器低壓側(cè)與交流母線相連，每串電池組通過AC/DC 變換器與交流母線相連，AC/DC 變換器采用三相三橋臂兩電平（或三電平）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中AC/DC 的交流濾波器部分可以采用LCL 型濾波器可將變流器開關(guān)頻率成分的高頻諧波濾除[7]，AC/DC 經(jīng)過濾波后與交流緩沖電路相連，緩沖電路可以在合閘時(shí)抑制浪涌的沖擊。配電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)為本地負(fù)荷供電，根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行需要，通過并網(wǎng)斷路器向配網(wǎng)中注入有功、發(fā)出（或吸收）無功功率進(jìn)行無功補(bǔ)償，改變?nèi)噍敵鲭娏髦卫砣嗖黄胶饣蜃鳛橹C波源治理配網(wǎng)諧波污染，當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，靜態(tài)開關(guān)可以快速斷開為配網(wǎng)應(yīng)急供電。

圖3 新型儲能系統(tǒng)硬件電路

2.3 新型儲能系統(tǒng)削峰填谷控制策略

梯次利用退役動力電池的儲能系統(tǒng)的重要的功能之一就是削峰填谷，平滑配網(wǎng)中配電變壓器負(fù)荷曲線，PCS 具有雙向潮流控制能力，當(dāng)配變負(fù)載過大時(shí)，PCS 作為逆變器將退役電池電能上傳到電網(wǎng)，減小配變負(fù)載率，當(dāng)配變輕載時(shí)，PCS 作為整流器將電網(wǎng)富裕電能存儲到退役電池中，使配變始終運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)容量。在緊急的情況下，它也可以為局域配網(wǎng)提供緊急功率和峰荷的電力支持，并作為智能電網(wǎng)一個堅(jiān)強(qiáng)的支撐節(jié)點(diǎn)，有效地保障智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。新型儲能系統(tǒng)削峰填谷控制流程如圖4 所示。削峰控制策略的原則是“待機(jī)電池組優(yōu)先，剩余電量多的電池組優(yōu)先”，填谷控制策略的原則是“待機(jī)電池組優(yōu)先，剩余電量少的電池組優(yōu)先”。

圖4 新型儲能系統(tǒng)削峰填谷控制流程

圖4 中，S 為配變當(dāng)前負(fù)載；S0為配變滿載定值；S1為配變空載定值；S2（i）為第i 串電池組當(dāng)前容量；S3（i）為第i 串電池組剩余容量定值；S4（i）為第i 串電池組滿容量定值。

當(dāng)配變當(dāng)前負(fù)荷高于S0 時(shí)，判定配變峰值出現(xiàn)，首先將待機(jī)的PCS 按照容量從大到小排序并對電池組編號1，2，.......，m，優(yōu)先釋放剩余容量較多的電池組電能，若1 號PCS 電池組容量超過該串電池組剩余容量定值，則發(fā)出放電指令，隨后循環(huán)到下一PCS 放電，當(dāng)每個電池組實(shí)際容量小于等于該串電池組剩余容量定值時(shí)，停止放電。

充電過程與放電過程控制策略類似，當(dāng)配變當(dāng)前負(fù)荷低于S1 時(shí)，判定配變谷值出現(xiàn)，首先將待機(jī)的PCS 按照容量從小到大排序并對電池組編號1，2，.......，m，優(yōu)先充剩余容量較少的電池組電能，若1 號PCS 電池組容量低于該串電池組滿容量定值，則發(fā)出充電指令，隨后循環(huán)到下一PCS 充電，當(dāng)每個電池組實(shí)際容量大于等于該串電池組滿容量定值時(shí)，停止放電。

3 結(jié)束語

本文對國內(nèi)外梯次利用退役電池的儲能系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種小顆粒度、高轉(zhuǎn)換效率的新型功率架構(gòu)的退役動力電池儲能系統(tǒng)，對系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件電路和控制策略等進(jìn)行分析，為退役動力電池真正意義上梯次利用提供技術(shù)參考。