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南瑞李欣:电网侧储能对电池本体和管理系统的需求

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-05-22 浏览:
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中国储能网讯:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“储能电站与技术应用(四)“专场,南瑞集团(国网电力科学研究院)高级工程师李欣在会上分享了主题报告《电网侧储能对电池本体和管理系统的需求》,以下为演讲实录:

李欣:非常感谢大家,我们有机会跟大家交流一下。南瑞集团对电网侧储能对电池本体和电池管理的需求。大家知道,我们参加储能大会来说,电网侧储能目前是大家认为是比较火热的一个方向,具体来说对电池和管理系统有那些需求呢?

首先我们简单介绍一下关于电网侧储能的一些管理。储能的重要性这里不再赘述了,我想在座的各位都是专家,对于储能目前的发展趋势也非常了解。对于电网来说,储能目前来说可能有三大方向,我们所谓的调峰、调频和调压,现在来看,对于各个领域的需求都非常旺盛,从保险公司和从区域电网也好、对于分布式能源来说,储能都有非常大的广泛的应用领域。

我们看到,不同的送端和受端电网,比如东北电网,送端和受端我们有不同的需求,比如说我们在送端可能新能源装机占比比较大,火电调峰能力不足。对于受端电网来说,比如华东电网,它因为多直流汇入的问题,电网调压能力是比较低的,有一些低频风险。我们知道过去因为发生过特高压直流双极闭锁,所以对华东电网的频率发生非常大的扰动,这个时候储能就有了它应用的场所。

我们可以看一下,对于储能的容量选择来说我们现在需要考虑哪些点?

第一,潮流、调频、调峰、调压的需求,现在电网侧储能可能受建设运营成本的约束。我们做过一个仿真或者我们做过一个计算,我们一个直流双基闭锁下,储能的容量越大对频率支撑越强,因为我们知道电网对频率的稳定是非常关注的。现在对于调峰需求来说,一般配置在0.5C,就是2小时的储能电站。比如做调频的时候可能会用2C的,是我们常用的办法。除了调频以外还有调压,需要考虑电网动态无功的需求。

对于电网侧来说,实际上电网侧储能是从去年镇江的储能电站101兆瓦/202兆瓦时的我电站兴起之后,大家对电网侧储能非常关注。对于电网来说,储能电站的优势在于它的建设周期比较短,镇江储能电站去年从立项大建成非常短,大概就是三四个月的时间,去年夏季就已经投运了,为了保证镇江电网迎峰度夏,这是储能的优势。

我们来说一说电网侧储能对于电池的需求。因为今年南瑞也做了一些比如说湖南省的储能电站或者说我们以前包括今年江苏也有一些,电网侧储能对于电池的需求来说,比如说你要满足调频,你要有稳定性,你要免维护、你要易维护,同时你要满足高效使用SOC的范围,这是电池金字塔。

每当提起电池本体的时候我们都会把这张表请出来,当然这张表不断的更新,我们储能能选择的范围其实也就在这四种里面,目前带说铅炭或者铅酸电池,我们的磷酸铁锂,包括我们的三元,还有一种是全钒液流,当然根据我们这两天拿到的数据来说,储能领域的电池量差不多只有电动汽车的2/3。这张表里可以看到,用的比较多,可以说目前国内投用的储能里面绝大多数选择了磷酸铁锂,这两年来说,尤其因为去年镇江电网侧储能选择磷酸铁锂之后,现在湖南的电网侧储能、河南的电网侧储能包括江苏省二期都用磷酸铁锂。磷酸铁锂是有一定优势的,在目前我们说赛跑之内,它可能会跑的比较快,我们知道现在有的四种里面。大家当时是认为磷酸铁锂的安全性是最高的,或者说是现在目前条件下优选中的优选。

我们看看它的技术参数。我们当时有三种:铅炭、全钒液流、锂离子。铅炭成本相对较低一点,它的循环寿命比较低。对于电网侧来说我们其实也考虑过全钒液流,全钒液流的倍率特性比较高、循环次数比较好,液流的效率因为它的循环次数比较多,一般我们认为应该过1万,现在也有企业说我们可以到2万次左右的循环,这样可以摊薄,虽然建设成本比较高,寿命比较长,摊薄我的运营成本。锂离子电池,能量密度比较高,对于车来说用三元比较多,因为三元本身来说,它会有轻微的析出氧气的问题,所以现在对于电站来说,包括我们去年在给湖南省公司做方案的时候,湖南省公司问南瑞,说你们对电池选型有什么想法,我说在2019年这个时间点下,可能磷酸铁锂是一个比较好的方式,但是磷酸铁锂代不代表一定是完美的,我个人持一定的保留态度,原因是因为今年也出了一些磷酸铁锂的问题。对于电网侧储能的需求来说,我们需要兼顾调频、调峰包括调压所有的场景。

这是关于储能电站的问题,我们知道每次出现这种问题的时候我们就要把韩国朋友请出来,因为韩国去年烧了21个站。韩国去年烧的最好的是7月2日,在全罗南道烧了一个EES就是储能电站,它是一个三元站,我们知道韩国储能路线往往走的都是三元,我们认为磷酸铁锂是不是足够的安全。在我们2017年以前,我们在储能电站选型的时候,可能都会觉得,磷酸铁锂对针刺、对挤压这些比较苛刻的一些测试条件是能过的,所以我们对于磷酸铁锂是认为比较靠谱的,但是我们去年也发现,去年在镇江扬州用户侧储能的时候也发现磷酸铁锂集装箱烧毁。这两天因为做储能的朋友可能圈子都差不多,也听说美国这两天烧了一个储能电站,2兆瓦/2兆瓦时的储能电站,也造成了一些消防员的伤害。所以储能电站的事故一旦发生了就比较严重,因为不光是烧的问题,还有炸的问题,一般来说烧的话,可能初期去灭火,但是储能电站还有后期爆炸甚至还有爆燃的现象,我们前期也和中国科学技术大学火灾重点实验室也做了关于爆燃或者电池的一些研究,我们发现锂离子电池的燃烧特性还是有一些没有完全阐释明白的,因为它的阶段过程有自身的特点。所以我们觉得对于锂离子电池的热事故的特征参数识别,热失控的早期预警安全联动和消防就比较重要。因为对于电网侧储能具备两个特点,一个是足够安全,或者说安全,安全是电网侧储能重中之重的问题,包括我们跟公司科技部做锂离子选型或者储能电站做推广的时候,第一个问题都是安全。第二个问题成本,就是说我们希望一个既安全又便宜的储能方式能够推动这样一个储能整个行业在走。

大家看这张图,基本上各种储能方式仍然是按照当时不同的等级在走。我们可以看到,比如说锂离子电池,比如说全钒液流,比如说镍铬或者各种各样的储能方式,基本上有锂离子、有全钒液流、有铅炭。所以我们就想,如果是从安全性角度来说,对于电网侧的储能选型来说有没有可能找一个成本和安全性都兼顾的方式,或者说我们作为探索,所以我们后来把眼光落在了锌溴上,锌溴也不是特别新的,跟全钒液流从2014您都有一些进展,全钒液流是从NASA开始引进的,我们在想能不能做一些关于合适的电化学储能体系的选择,因为要找一个合适的电化学储能体系还是比较稀缺的,具备几个特征,价格要合适,安全性是要保证的,同时要易于部署,我们早上也在讨论,关于储能方式,比如现在有人说我用峰水打捆或者峰火打捆这种方式,或者说上抽蓄,电化学储能我个人认为仍然在一些场景下是有独到性的,就是怎么控制它的安全性。

我们目前在做的单液流锌溴电池,现在来说因为目前正处于小试的过程,所以我没有放产品的图像。传统的液流电池里面是两个罐体的,一个正极罐、一个负极罐,尺寸比较大,我们知道全钒液流电池现在也有一些试点,比如在蜗牛石,比如当时湖南打算想上全钒液流。大家目光投到液流电池上面有一些特性,共同的特性,比方说安全性比较高,因为是水系体系的。锂离子电池为什么容易烧或者容易炸,有两个原因,第一个,锂这种金属元素本身就比较活泼,第二个,它的电解液体系是有机体系,比如它用六氟磺酸锂。液流电池虽然价格比较高,但是大家仍然对液流保持一定的好感。液流电池我们想做哪些更新呢或者想做新一代的,我们想做单液流体系的锌溴液流,因为电解液的正极侧和负荷侧是一致的,我们做了单液流体系。目前我们做到了千万级的单液流体系。锌溴液流2009、2010年有一个机会,当时大家有一个疑惑,觉得溴这个元素可能会对人体有一定的伤害,这也是为什么锌溴液流电池推广会稍微慢一点。通过我们实验发现,通过单液流这个技术,可以把溴封闭在上层,我们也在跟瑞士的公司在合作,我们希望下半年拿到安全性的评价报告,也对锌溴液流有一个推广、推介。因为我们自己的测试结果发现,通过单液流技术,溴一旦固定在电堆里面,对环境基本上没有什么太大影响的,因为不存在管路体系中间,这个溴就会好很多。

谈完了电池本体来说,下一步对于电池就是电池管理系统。现在大家知道,对电池管理系统来说要求是非常高的,我要能够做状态监控,我要能够对SOC进行估算,我要能够对SOH进行估算。储能电站或者储能电站级的BMS有什么不同呢?我们觉得在车用的BMS基础之上,我们觉得把它的层级多扩展了一块。在总控和主控之外,我们加了一个总控模块,实际上是三级的体系,不再是汽车里面的两级体系,它实际上是对储能电站有一个新的想法。它需要具备的功能,比如说我需要算电池模型,灌注到我的BMS里面,实时进行一个数据。我们前期也做了一些SOC估算的工作,比如说我们做了一个关于利用神经网络技术对SOC进行估算,我们哪一个25安时的锂离子电池,在这个工况下面做了测试,发现这个模型还是不错的,能够捕捉我们现在需要的电池特性。我们也曾经做过一些训练,发现误差还是可控的,我们觉得还是不错的一个技术。包括我们的均衡,现在大家知道希望做61850的规约,我们做这个转换器,也是我们新的想法。

下面谈一个关键的问题,对于电网侧储能来说,我们对安全的监控和安全的需求。因为在常规的BMS中,我们对温度、电压和电流的监控来说,现在可能我们觉得不够,我们觉得是不是要增加新的参考的依据,或者我们做特征参量的判定。比如我们现在说要做这种多传感器融合。原因是因为现在通过电压、电流和温度能够直接去做预警或者预判,我们觉得是有难度的,所以我们在今年包括去年在跟江苏省电科院、经研院我们在做储能电站规划的时候我们希望加入气体传感器,今年来说我们月看到有很多国内的科研院所和机构也做了气体传感的工作,需要抓一些特征的气体参量,比如一氧化碳、比如氢气,现在大家还有一个新的想法,在一氧化碳和氢气之外还要加一些新的特征性气体,比如说乙烯、丙烯,是因为出现了隔膜短路,发现了不可逆的热失控现象,最后导致了电池的燃烧或者爆炸。我们现在也在跟国内的一些厂商合作,我们希望加入气体传感的过程,包括现在江苏省整个省公司的想法,就是说希望在BMS或者是整站的监控系统里面加入气体监控,我们觉得气体监控确实是一个很好的方法。当然我们觉得还有其他的这种非电类的方法,因为我们前期也在跟中科大的重点实验室做了一些烟气的分析,保险中间还是有能有其他的抽的特征性气体的提取。但关键现在我们需要更多的实验来说明我们怎么去抓这个气体,因为大家认为一般气体的预警时间会比电流电压的温度预警时间要快,因为你是先出生了特征性气体的预迁,再发生了温时空,因为温度的失控以后一旦发生以后往往都比较后期了。

我们说一下南瑞对于储能的工作和一些业绩。张北风光储当然国内的系统几家企业都参与了,我们做了调频电站,在贵州兴义做了20兆瓦/20兆瓦时的,包括长沙电网侧,我们刚刚竣工,4月5日已经竣工了,靠近长沙机场,26兆瓦/56兆瓦时的,我们希望跟更多的朋友在储能方面有更多的合作。

现在对于电池或者电站级来说,会遇到储能电站运行维护系统,它是一个分级分层的结构,比如有展示、数据处理、公共服务。大家知道中国的ICT行业发展是非常快的,对于储能电站智能运维系统里面最难的在哪里?我们分析了一下,有两块,第一块,健康评估,这块是现在我们觉得一个热点,包括我们跟省公司,也包括跟各个地市,包括各个省的电科院在聊的时候,跟他们做交流,他们认为难度在电池的评价,这块非常难做,我们说昨天也在跟比如说一些评价机构、评测机构在聊这个问题,对于电池的健康评估技术现在是一个非常需要突破的。我们知道按照现行国标来说,比如储能电站电池的使用,比如36276标准来说,前期要做循环测试的,循环测试我们也跟电科院也聊这个事情,这个评价测试往往时间很长,一般储能电站的运行是没有时间周期,来不及的,往往是说我现在要下计划,我们两三个月以后就需要去上储能电站,就要落成,这个周期测试可能都完不成。对于健康评估来说,包括对怎么去做电池的,随着它的使用寿命的衰减,对它进行全生命周期的管理现在是一个热点。牵扯到健康评估来说,就牵扯到下面一个,比如说电池模型的估计。大家如果,如果电池能建模就用大数据,如果电池建模建不了就得反过来用数据规律的办法。

难点我们现在认为是电芯的状态评估技术,我们有两条路可以走,大家一条认为叫物理模型,或者说我把电池拆开来了,我去做不同的,根据你的卷绕过程、根据你的化成过程我们来判定。但是我们觉得电池寿命的评估是整个电芯状态评估的重中之重,你怎么去根据在线监控的数据和电池本身参数,我们说有两条路爱走,一手去抓数据,一手去抓电池本身参数,进行锂离子电池的精细建模,表征这个电芯的容量和内阻变化情况,从而对电芯的实际状态、老化程度和寿命进行评估。

现实我们做了一些分析和评估,比如说你对这个电池,从电池的制造开始,实际上我们拿到手,无论你是软包的、硬包的、圆柱形的电池,你的这些数据可能需要我们通过物理的办法来做,比如说你做电极、颗粒、反应参数,通过这些办法来做,我们来模拟电池运行,大家知道这块工作两说,像美国的一些国家实验室,他们做的比较多,现在我们也在不断的跟他们合作,包括我们自己做建模工作。但是物理模型有一个特点,物理模型准确,但是工作量比较大,就是说你要去标定一款电池,它是比较耗时的,需要比较长的时间。

还有一条路就是基于数据驱动电芯评估技术,就是说我们根据电池的在线数据和立体数据进行电池的实际状态监测,它分析的时效性好,但是需要庞大的算力,就是说我现在拿到,根据我电站运行的数据之后,通过我的算力确定我现在电池状态,它的问题是来源于数据不确定性和不完整性,就是说你的估算是需要回归的,你的后期怎么样去做更精确的估计,我们也希望和各个研究机构,包括我们一些评价机构,有更多的合作。因为现在看来,评价是有方法的,但是快速评价现在是有困难的,这是需要大家一起去做的工作。

我们除了这个技术合作以外我们还有项目合作,我们通过综合考虑,分布式发电、分布式容量,我们最后解决,我们希望能够解决新能源的接入与接纳,实现弃风弃光的问题。当然有很多方案,比如说我们可以各种方案,比如分布的配置或者集中控制,现在都有很多的方式。

最终的目的是通过统筹我们各种方案,统筹区域内的储能资源,我们希望通过南瑞自己的优势,南瑞因为做二次比较多的,我们的控制协调优化策略,这是南瑞的倾向,最后实现电网负荷在时间维度的重构和再分配,实现储能在电网中的快速推广。

我们现在的优势是在哪些方面呢,是在大型储能电站规划设计、调度、安全稳定、综合监控系统、变流器、一次设备,最终我们的目的是以系统集成为方式,形成满足客户需求、覆盖领域比较全面的一个完整的储能产业。

最后我们说一个愿景,希望通过南瑞与国网系统内企业,我们联系储能的厂家、用户、电网侧,包括我们的金融服务和配套服务,实现多方共赢,也欢迎储能的朋友多多跟南瑞进行交流和沟通,我们也希望通过我们这次的努力能够把储能产业往前推进。我们是一个综合能源的机构,如果大家有兴趣可以跟我联系,我们共同商讨一下,或者看看储能在电网侧有什么样更好的推动。

我的分享就是这些。谢谢大家!

(本文根据演讲录音整理,未经演讲人本人审核)

关键字:储能大会

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