鉅大LARGE | 點擊量：631次 | 2022年11月08日
電網(wǎng)側(cè)儲能對電池本體和管理系統(tǒng)有什么需求
4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“儲能電站與技術(shù)應(yīng)用（四）“專場，南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）高級工程師李欣在會上分享了主題報告《電網(wǎng)側(cè)儲能對電池本體和管理系統(tǒng)的需求》，以下為演講實錄：
李欣：非常感謝大家，我們有機會跟大家交流一下。南瑞集團(tuán)對電網(wǎng)側(cè)儲能對電池本體和電池管理的需求。大家知道，我們參加儲能大會來說，電網(wǎng)側(cè)儲能目前是大家認(rèn)為是比較火熱的一個方向，具體來說對電池和管理系統(tǒng)有那些需求呢？
首先我們簡單介紹一下關(guān)于電網(wǎng)側(cè)儲能的一些管理。儲能的重要性這里不再贅述了，我想在座的各位都是專家，對于儲能目前的發(fā)展趨勢也非常了解。對于電網(wǎng)來說，儲能目前來說可能有三大方向，我們所謂的調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓，現(xiàn)在來看，對于各個領(lǐng)域的需求都非常旺盛，從保險公司和從區(qū)域電網(wǎng)也好、對于分布式能源來說，儲能都有非常大的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
我們看到，不同的送端和受端電網(wǎng)，比如東北電網(wǎng)，送端和受端我們有不同的需求，比如說我們在送端可能新能源裝機占比比較大，火電調(diào)峰能力不足。對于受端電網(wǎng)來說，比如華東電網(wǎng)，它因為多直流匯入的問題，電網(wǎng)調(diào)壓能力是比較低的，有一些低頻風(fēng)險。我們知道過去因為發(fā)生過特高壓直流雙極閉鎖，所以對華東電網(wǎng)的頻率發(fā)生非常大的擾動，這個時候儲能就有了它應(yīng)用的場所。
我們可以看一下，對于儲能的容量選擇來說我們現(xiàn)在需要考慮哪些點？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第一，潮流、調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓的需求，現(xiàn)在電網(wǎng)側(cè)儲能可能受建設(shè)運營成本的約束。我們做過一個仿真或者我們做過一個計算，我們一個直流雙基閉鎖下，儲能的容量越大對頻率支撐越強，因為我們知道電網(wǎng)對頻率的穩(wěn)定是非常關(guān)注的?，F(xiàn)在對于調(diào)峰需求來說，一般配置在0.5C，就是2小時的儲能電站。比如做調(diào)頻的時候可能會用2C的，是我們常用的辦法。除了調(diào)頻以外還有調(diào)壓，需要考慮電網(wǎng)動態(tài)無功的需求。
對于電網(wǎng)側(cè)來說，實際上電網(wǎng)側(cè)儲能是從去年鎮(zhèn)江的儲能電站101兆瓦/202兆瓦時的我電站興起之后，大家對電網(wǎng)側(cè)儲能非常關(guān)注。對于電網(wǎng)來說，儲能電站的優(yōu)勢在于它的建設(shè)周期比較短，鎮(zhèn)江儲能電站去年從立項大建成非常短，大概就是三四個月的時間，去年夏季就已經(jīng)投運了，為了保證鎮(zhèn)江電網(wǎng)迎峰度夏，這是儲能的優(yōu)勢。
我們來說一說電網(wǎng)側(cè)儲能對于電池的需求。因為今年南瑞也做了一些比如說湖南省的儲能電站或者說我們以前包括今年江蘇也有一些，電網(wǎng)側(cè)儲能對于電池的需求來說，比如說你要滿足調(diào)頻，你要有穩(wěn)定性，你要免維護(hù)、你要易維護(hù)，同時你要滿足高效使用SOC的范圍，這是電池金字塔。
每當(dāng)提起電池本體的時候我們都會把這張表請出來，當(dāng)然這張表不斷的更新，我們儲能能選擇的范圍其實也就在這四種里面，目前帶說鉛炭或者鉛酸電池，我們的磷酸鐵鋰，包括我們的三元，還有一種是全釩液流，當(dāng)然根據(jù)我們這兩天拿到的數(shù)據(jù)來說，儲能領(lǐng)域的電池量差不多只有電動汽車的2/3。這張表里可以看到，用的比較多，可以說目前國內(nèi)投用的儲能里面絕大多數(shù)選擇了磷酸鐵鋰，這兩年來說，尤其因為去年鎮(zhèn)江電網(wǎng)側(cè)儲能選擇磷酸鐵鋰之后，現(xiàn)在湖南的電網(wǎng)側(cè)儲能、河南的電網(wǎng)側(cè)儲能包括江蘇省二期都用磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰是有一定優(yōu)勢的，在目前我們說賽跑之內(nèi)，它可能會跑的比較快，我們知道現(xiàn)在有的四種里面。大家當(dāng)時是認(rèn)為磷酸鐵鋰的安全性是最高的，或者說是現(xiàn)在目前條件下優(yōu)選中的優(yōu)選。
我們看看它的技術(shù)參數(shù)。我們當(dāng)時有三種：鉛炭、全釩液流、鋰離子。鉛炭成本相對較低一點，它的循環(huán)壽命比較低。對于電網(wǎng)側(cè)來說我們其實也考慮過全釩液流，全釩液流的倍率特性比較高、循環(huán)次數(shù)比較好，液流的效率因為它的循環(huán)次數(shù)比較多，一般我們認(rèn)為應(yīng)該過1萬，現(xiàn)在也有企業(yè)說我們可以到2萬次左右的循環(huán)，這樣可以攤薄，雖然建設(shè)成本比較高，壽命比較長，攤薄我的運營成本。鋰離子電池，能量密度比較高，對于車來說用三元比較多，因為三元本身來說，它會有輕微的析出氧氣的問題，所以現(xiàn)在對于電站來說，包括我們?nèi)ツ暝诮o湖南省公司做方案的時候，湖南省公司問南瑞，說你們對電池選型有什么想法，我說在2019年這個時間點下，可能磷酸鐵鋰是一個比較好的方式，但是磷酸鐵鋰代不代表一定是完美的，我個人持一定的保留態(tài)度，原因是因為今年也出了一些磷酸鐵鋰的問題。對于電網(wǎng)側(cè)儲能的需求來說，我們需要兼顧調(diào)頻、調(diào)峰包括調(diào)壓所有的場景。
這是關(guān)于儲能電站的問題，我們知道每次出現(xiàn)這種問題的時候我們就要把韓國朋友請出來，因為韓國去年燒了21個站。韓國去年燒的最好的是7月2日，在全羅南道燒了一個EES就是儲能電站，它是一個三元站，我們知道韓國儲能路線往往走的都是三元，我們認(rèn)為磷酸鐵鋰是不是足夠的安全。在我們2017年以前，我們在儲能電站選型的時候，可能都會覺得，磷酸鐵鋰對針刺、對擠壓這些比較苛刻的一些測試條件是能過的，所以我們對于磷酸鐵鋰是認(rèn)為比較靠譜的，但是我們?nèi)ツ暌舶l(fā)現(xiàn)，去年在鎮(zhèn)江揚州用戶側(cè)儲能的時候也發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰集裝箱燒毀。這兩天因為做儲能的朋友可能圈子都差不多，也聽說美國這兩天燒了一個儲能電站，2兆瓦/2兆瓦時的儲能電站，也造成了一些消防員的傷害。所以儲能電站的事故一旦發(fā)生了就比較嚴(yán)重，因為不光是燒的問題，還有炸的問題，一般來說燒的話，可能初期去滅火，但是儲能電站還有后期爆炸甚至還有爆燃的現(xiàn)象，我們前期也和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)重點實驗室也做了關(guān)于爆燃或者電池的一些研究，我們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的燃燒特性還是有一些沒有完全闡釋明白的，因為它的階段過程有自身的特點。所以我們覺得對于鋰離子電池的熱事故的特征參數(shù)識別，熱失控的早期預(yù)警安全聯(lián)動和消防就比較重要。因為對于電網(wǎng)側(cè)儲能具備兩個特點，一個是足夠安全，或者說安全，安全是電網(wǎng)側(cè)儲能重中之重的問題，包括我們跟公司科技部做鋰離子選型或者儲能電站做推廣的時候，第一個問題都是安全。第二個問題成本，就是說我們希望一個既安全又便宜的儲能方式能夠推動這樣一個儲能整個行業(yè)在走。
大家看這張圖，基本上各種儲能方式仍然是按照當(dāng)時不同的等級在走。我們可以看到，比如說鋰離子電池，比如說全釩液流，比如說鎳鉻或者各種各樣的儲能方式，基本上有鋰離子、有全釩液流、有鉛炭。所以我們就想，如果是從安全性角度來說，對于電網(wǎng)側(cè)的儲能選型來說有沒有可能找一個成本和安全性都兼顧的方式，或者說我們作為探索，所以我們后來把眼光落在了鋅溴上，鋅溴也不是特別新的，跟全釩液流從2014您都有一些進(jìn)展，全釩液流是從NASA開始引進(jìn)的，我們在想能不能做一些關(guān)于合適的電化學(xué)儲能體系的選擇，因為要找一個合適的電化學(xué)儲能體系還是比較稀缺的，具備幾個特征，價格要合適，安全性是要保證的，同時要易于部署，我們早上也在討論，關(guān)于儲能方式，比如現(xiàn)在有人說我用峰水打捆或者峰火打捆這種方式，或者說上抽蓄，電化學(xué)儲能我個人認(rèn)為仍然在一些場景下是有獨到性的，就是怎么控制它的安全性。
我們目前在做的單液流鋅溴電池，現(xiàn)在來說因為目前正處于小試的過程，所以我沒有放產(chǎn)品的圖像。傳統(tǒng)的液流電池里面是兩個罐體的，一個正極罐、一個負(fù)極罐，尺寸比較大，我們知道全釩液流電池現(xiàn)在也有一些試點，比如在蝸牛石，比如當(dāng)時湖南打算想上全釩液流。大家目光投到液流電池上面有一些特性，共同的特性，比方說安全性比較高，因為是水系體系的。鋰離子電池為什么容易燒或者容易炸，有兩個原因，第一個，鋰這種金屬元素本身就比較活潑，第二個，它的電解液體系是有機體系，比如它用六氟磺酸鋰。液流電池雖然價格比較高，但是大家仍然對液流保持一定的好感。液流電池我們想做哪些更新呢或者想做新一代的，我們想做單液流體系的鋅溴液流，因為電解液的正極側(cè)和負(fù)荷側(cè)是一致的，我們做了單液流體系。目前我們做到了千萬級的單液流體系。鋅溴液流2009、2010年有一個機會，當(dāng)時大家有一個疑惑，覺得溴這個元素可能會對人體有一定的傷害，這也是為什么鋅溴液流電池推廣會稍微慢一點。通過我們實驗發(fā)現(xiàn)，通過單液流這個技術(shù)，可以把溴封閉在上層，我們也在跟瑞士的公司在合作，我們希望下半年拿到安全性的評價報告，也對鋅溴液流有一個推廣、推介。因為我們自己的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過單液流技術(shù)，溴一旦固定在電堆里面，對環(huán)境基本上沒有什么太大影響的，因為不存在管路體系中間，這個溴就會好很多。
談完了電池本體來說，下一步對于電池就是電池管理系統(tǒng)?，F(xiàn)在大家知道，對電池管理系統(tǒng)來說要求是非常高的，我要能夠做狀態(tài)監(jiān)控，我要能夠?qū)OC進(jìn)行估算，我要能夠?qū)OH進(jìn)行估算。儲能電站或者儲能電站級的BMS有什么不同呢？我們覺得在車用的BMS基礎(chǔ)之上，我們覺得把它的層級多擴展了一塊。在總控和主控之外，我們加了一個總控模塊，實際上是三級的體系，不再是汽車?yán)锩娴膬杉夡w系，它實際上是對儲能電站有一個新的想法。它需要具備的功能，比如說我需要算電池模型，灌注到我的BMS里面，實時進(jìn)行一個數(shù)據(jù)。我們前期也做了一些SOC估算的工作，比如說我們做了一個關(guān)于利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對SOC進(jìn)行估算，我們哪一個25安時的鋰離子電池，在這個工況下面做了測試，發(fā)現(xiàn)這個模型還是不錯的，能夠捕捉我們現(xiàn)在需要的電池特性。我們也曾經(jīng)做過一些訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)誤差還是可控的，我們覺得還是不錯的一個技術(shù)。包括我們的均衡，現(xiàn)在大家知道希望做61850的規(guī)約，我們做這個轉(zhuǎn)換器，也是我們新的想法。
下面談一個關(guān)鍵的問題，對于電網(wǎng)側(cè)儲能來說，我們對安全的監(jiān)控和安全的需求。因為在常規(guī)的BMS中，我們對溫度、電壓和電流的監(jiān)控來說，現(xiàn)在可能我們覺得不夠，我們覺得是不是要增加新的參考的依據(jù)，或者我們做特征參量的判定。比如我們現(xiàn)在說要做這種多傳感器融合。原因是因為現(xiàn)在通過電壓、電流和溫度能夠直接去做預(yù)警或者預(yù)判，我們覺得是有難度的，所以我們在今年包括去年在跟江蘇省電科院、經(jīng)研院我們在做儲能電站規(guī)劃的時候我們希望加入氣體傳感器，今年來說我們月看到有很多國內(nèi)的科研院所和機構(gòu)也做了氣體傳感的工作，需要抓一些特征的氣體參量，比如一氧化碳、比如氫氣，現(xiàn)在大家還有一個新的想法，在一氧化碳和氫氣之外還要加一些新的特征性氣體，比如說乙烯、丙烯，是因為出現(xiàn)了隔膜短路，發(fā)現(xiàn)了不可逆的熱失控現(xiàn)象，最后導(dǎo)致了電池的燃燒或者爆炸。我們現(xiàn)在也在跟國內(nèi)的一些廠商合作，我們希望加入氣體傳感的過程，包括現(xiàn)在江蘇省整個省公司的想法，就是說希望在BMS或者是整站的監(jiān)控系統(tǒng)里面加入氣體監(jiān)控，我們覺得氣體監(jiān)控確實是一個很好的方法。當(dāng)然我們覺得還有其他的這種非電類的方法，因為我們前期也在跟中科大的重點實驗室做了一些煙氣的分析，保險中間還是有能有其他的抽的特征性氣體的提取。但關(guān)鍵現(xiàn)在我們需要更多的實驗來說明我們怎么去抓這個氣體，因為大家認(rèn)為一般氣體的預(yù)警時間會比電流電壓的溫度預(yù)警時間要快，因為你是先出生了特征性氣體的預(yù)遷，再發(fā)生了溫時空，因為溫度的失控以后一旦發(fā)生以后往往都比較后期了。
我們說一下南瑞對于儲能的工作和一些業(yè)績。張北風(fēng)光儲當(dāng)然國內(nèi)的系統(tǒng)幾家企業(yè)都參與了，我們做了調(diào)頻電站，在貴州興義做了20兆瓦/20兆瓦時的，包括長沙電網(wǎng)側(cè)，我們剛剛竣工，4月5日已經(jīng)竣工了，靠近長沙機場，26兆瓦/56兆瓦時的，我們希望跟更多的朋友在儲能方面有更多的合作。
現(xiàn)在對于電池或者電站級來說，會遇到儲能電站運行維護(hù)系統(tǒng)，它是一個分級分層的結(jié)構(gòu)，比如有展示、數(shù)據(jù)處理、公共服務(wù)。大家知道中國的ICT行業(yè)發(fā)展是非?？斓?，對于儲能電站智能運維系統(tǒng)里面最難的在哪里？我們分析了一下，有兩塊，第一塊，健康評估，這塊是現(xiàn)在我們覺得一個熱點，包括我們跟省公司，也包括跟各個地市，包括各個省的電科院在聊的時候，跟他們做交流，他們認(rèn)為難度在電池的評價，這塊非常難做，我們說昨天也在跟比如說一些評價機構(gòu)、評測機構(gòu)在聊這個問題，對于電池的健康評估技術(shù)現(xiàn)在是一個非常需要突破的。我們知道按照現(xiàn)行國標(biāo)來說，比如儲能電站電池的使用，比如36276標(biāo)準(zhǔn)來說，前期要做循環(huán)測試的，循環(huán)測試我們也跟電科院也聊這個事情，這個評價測試往往時間很長，一般儲能電站的運行是沒有時間周期，來不及的，往往是說我現(xiàn)在要下計劃，我們兩三個月以后就需要去上儲能電站，就要落成，這個周期測試可能都完不成。對于健康評估來說，包括對怎么去做電池的，隨著它的使用壽命的衰減，對它進(jìn)行全生命周期的管理現(xiàn)在是一個熱點。牽扯到健康評估來說，就牽扯到下面一個，比如說電池模型的估計。大家如果，如果電池能建模就用大數(shù)據(jù)，如果電池建模建不了就得反過來用數(shù)據(jù)規(guī)律的辦法。
難點我們現(xiàn)在認(rèn)為是電芯的狀態(tài)評估技術(shù)，我們有兩條路可以走，大家一條認(rèn)為叫物理模型，或者說我把電池拆開來了，我去做不同的，根據(jù)你的卷繞過程、根據(jù)你的化成過程我們來判定。但是我們覺得電池壽命的評估是整個電芯狀態(tài)評估的重中之重，你怎么去根據(jù)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)和電池本身參數(shù)，我們說有兩條路愛走，一手去抓數(shù)據(jù)，一手去抓電池本身參數(shù)，進(jìn)行鋰離子電池的精細(xì)建模，表征這個電芯的容量和內(nèi)阻變化情況，從而對電芯的實際狀態(tài)、老化程度和壽命進(jìn)行評估。
現(xiàn)實我們做了一些分析和評估，比如說你對這個電池，從電池的制造開始，實際上我們拿到手，無論你是軟包的、硬包的、圓柱形的電池，你的這些數(shù)據(jù)可能需要我們通過物理的辦法來做，比如說你做電極、顆粒、反應(yīng)參數(shù)，通過這些辦法來做，我們來模擬電池運行，大家知道這塊工作兩說，像美國的一些國家實驗室，他們做的比較多，現(xiàn)在我們也在不斷的跟他們合作，包括我們自己做建模工作。但是物理模型有一個特點，物理模型準(zhǔn)確，但是工作量比較大，就是說你要去標(biāo)定一款電池，它是比較耗時的，需要比較長的時間。
還有一條路就是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動電芯評估技術(shù)，就是說我們根據(jù)電池的在線數(shù)據(jù)和立體數(shù)據(jù)進(jìn)行電池的實際狀態(tài)監(jiān)測，它分析的時效性好，但是需要龐大的算力，就是說我現(xiàn)在拿到，根據(jù)我電站運行的數(shù)據(jù)之后，通過我的算力確定我現(xiàn)在電池狀態(tài)，它的問題是來源于數(shù)據(jù)不確定性和不完整性，就是說你的估算是需要回歸的，你的后期怎么樣去做更精確的估計，我們也希望和各個研究機構(gòu)，包括我們一些評價機構(gòu)，有更多的合作。因為現(xiàn)在看來，評價是有方法的，但是快速評價現(xiàn)在是有困難的，這是需要大家一起去做的工作。
我們除了這個技術(shù)合作以外我們還有項目合作，我們通過綜合考慮，分布式發(fā)電、分布式容量，我們最后解決，我們希望能夠解決新能源的接入與接納，實現(xiàn)棄風(fēng)棄光的問題。當(dāng)然有很多方案，比如說我們可以各種方案，比如分布的配置或者集中控制，現(xiàn)在都有很多的方式。
最終的目的是通過統(tǒng)籌我們各種方案，統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)的儲能資源，我們希望通過南瑞自己的優(yōu)勢，南瑞因為做二次比較多的，我們的控制協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，這是南瑞的傾向，最后實現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷在時間維度的重構(gòu)和再分配，實現(xiàn)儲能在電網(wǎng)中的快速推廣。
我們現(xiàn)在的優(yōu)勢是在哪些方面呢，是在大型儲能電站規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度、安全穩(wěn)定、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、變流器、一次設(shè)備，最終我們的目的是以系統(tǒng)集成為方式，形成滿足客戶需求、覆蓋領(lǐng)域比較全面的一個完整的儲能產(chǎn)業(yè)。
最后我們說一個愿景，希望通過南瑞與國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)，我們聯(lián)系儲能的廠家、用戶、電網(wǎng)側(cè)，包括我們的金融服務(wù)和配套服務(wù)，實現(xiàn)多方共贏，也歡迎儲能的朋友多多跟南瑞進(jìn)行交流和溝通，我們也希望通過我們這次的努力能夠把儲能產(chǎn)業(yè)往前推進(jìn)。我們是一個綜合能源的機構(gòu)，如果大家有興趣可以跟我聯(lián)系，我們共同商討一下，或者看看儲能在電網(wǎng)側(cè)有什么樣更好的推動。
我的分享就是這些。謝謝大家！
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