慈松*，周楊林，王紅軍，石清良
（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 海淀區(qū) 100084）
摘要
儲能系統(tǒng)可以改變電力系統(tǒng)實時動態(tài)平衡特性，已成為智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要支撐。電池儲能技術(shù)作為一項復(fù)雜系統(tǒng)工程，其研究領(lǐng)域涉及電化學(xué)、材料、信息通信技術(shù)、電力電子及大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)建模和優(yōu)化等。儲能系統(tǒng)管理需要基于對電池的電化學(xué)和材料特性的感知，實現(xiàn)基于模型的高效均衡和控制。然而，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)采用的固定串并聯(lián)連接方式，無法實現(xiàn)電池單體層面的精準(zhǔn)檢測和管控，單點(diǎn)故障將極大影響到系統(tǒng)性能，儲能系統(tǒng)能量效率、可靠性和安全性難以保障。基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能技術(shù)通過高頻高效的電力電子半導(dǎo)體器件將電池單體產(chǎn)生的連續(xù)能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化處理，電池在物理域的映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)字域映射，從而消除電池單體物理和化學(xué)屬性所造成的差異性，克服電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，并可通過電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整能力實現(xiàn)與多種應(yīng)用場景需求的匹配。
關(guān)鍵詞 : 數(shù)字儲能系統(tǒng)；大規(guī)模電池儲能；電池梯次利用；通信基站供電
基金項目：國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目“面向 5G 的信息能源融合技術(shù)與裝備研制”（5206002000DB）。 Science and Technology Foundation of SGCC(5206002000DB).
0 引言
快速發(fā)展的儲能技術(shù)正在逐步改變電力系統(tǒng)即發(fā)即用的實時平衡特性，已然成為智能電網(wǎng)建設(shè)中大規(guī)模集中式/分布式新能源接入與利用的重要支撐技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[1]?？v觀全球能源技術(shù)發(fā)展動態(tài)和主要能源大國推動能源科技創(chuàng)新的舉措，綠色低碳是能源技術(shù)創(chuàng)新的主要方向，集中在能源互聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模儲能、先進(jìn)能源裝備及關(guān)鍵材料等重點(diǎn)領(lǐng)域?！跋冗M(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新”是《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》的重點(diǎn)任務(wù)，而掌握儲能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)是其重要內(nèi)容之一，行動計劃中明確提出發(fā)展目標(biāo)：研究面向可再生能源并網(wǎng)、分布式及微電網(wǎng)、電動汽車應(yīng)用的儲能技術(shù)，掌握儲能技術(shù)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)，引領(lǐng)國際儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年，中國國家發(fā)展改革委、國家能源局等五部門聯(lián)合印發(fā)了《貫徹落實〈關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見〉》，制定了“十三五”和“十四五”期間儲能技術(shù)的發(fā)展要求，明確提出“十三五”期間中國儲能技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，“十四五”期間實現(xiàn)完整的儲能產(chǎn)業(yè)體系及推廣應(yīng)用[2]。2020年，教育部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃（2020—2024）》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了儲能技術(shù)作為一個專業(yè)學(xué)科發(fā)展的重要性和緊迫性[3]。
電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有快速功率響應(yīng)、密集能量存儲、靈活方便部署等優(yōu)勢，是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的儲能技術(shù)之一，其規(guī)模化建設(shè)有望在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、波動平抑、緊急功率支援等應(yīng)用場景中發(fā)揮重要作用，并在電動汽車、微電網(wǎng)以及可再生能源并網(wǎng)應(yīng)用方面有著其他儲能方式不可比擬的優(yōu)勢。隨著電池儲能技術(shù)的進(jìn)步，大量的電池單體以預(yù)先設(shè)計的固定串/并聯(lián)拓?fù)浞庋b為電池模組，由于電池最小控制單元電壓和容量級別較低，大容量電池儲能系統(tǒng)通常將“數(shù)百萬”的電池單元進(jìn)行串/并聯(lián)，以提高電壓、電流等級。傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)的電池連接拓?fù)錈o法匹配由動態(tài)電化學(xué)行為、生產(chǎn)制造工藝和應(yīng)用工況帶來的電池單體的差異性，由此造成的系統(tǒng)“短板效應(yīng)”問題始終存在。作為可靠性評估的串聯(lián)環(huán)節(jié)，固定焊接連接的電池系統(tǒng)中任意電池單元失效將會造成“系統(tǒng)級”故障。采取提高備用冗余的提升系統(tǒng)可靠性的措施，降低了儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和集約性。此外，在固定串/并聯(lián)連接的儲能系統(tǒng)中，電池單元檢測和運(yùn)行控制顆粒度較大，電池系統(tǒng)無法實現(xiàn)對電池單元的精準(zhǔn)主動管理和精準(zhǔn)隔離，導(dǎo)致電池單元熱失控而引起的燃燒和爆炸事故頻發(fā)[4]。
基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池能量管控系統(tǒng)被公認(rèn)為克服這些缺陷最有前景的解決方案[5-11]，高頻電力電子開關(guān)陣列組成的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池單元之間的連接拓?fù)淇梢詣討B(tài)重構(gòu)以適應(yīng)電池特性和系統(tǒng)負(fù)載的動態(tài)變化。每個電池單元連續(xù)的能量流被電力電子離散化和數(shù)字化，進(jìn)而通過能量管控算法實時控制系統(tǒng)中每個電池單元參與充電或放電回路中占空比和電流大小，滿足不同儲能應(yīng)用場景的需求[12-13]。在實際工程應(yīng)用中，綜合考慮電池自身復(fù)雜電化學(xué)特性、電力電子集成的系統(tǒng)特性、外部電氣系統(tǒng)（電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用或電動汽車等）對儲能系統(tǒng)的能量調(diào)控的多樣化需求，數(shù)字儲能系統(tǒng)為解決電池“短板效應(yīng)”，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)定制化提供創(chuàng)新路徑。
本文從數(shù)字儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，著重闡述數(shù)字儲能系統(tǒng)電力電子集成的柔性控制架構(gòu)、基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池狀態(tài)檢測、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制以及系統(tǒng)安全評估方法，以應(yīng)用案例展示基于數(shù)字儲能的分布式退役動力電池梯次利用、儲能系統(tǒng)電池一致性管理與功率調(diào)節(jié)等方面的效果。
1 儲能行業(yè)痛點(diǎn)問題與儲能系統(tǒng)數(shù)字化
為滿足高電壓、高容量的電池儲能系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用的需求，電壓和容量級別較低的電池單元通常在“數(shù)百萬”數(shù)量級上進(jìn)行重組，傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過多個電池模組DC/DC隔離級后以并聯(lián)或功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（power conversion system, PCS）交流側(cè)并/級聯(lián)等形式提高電壓、電流等級[14]。儲能系統(tǒng)PCS部分通常采用單級型或者多級型電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接電池模組[15]：單級型直接采用DC-AC整流環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)，H橋和模塊化多電平是常采用的級聯(lián)方式；多級型則包含DC-AC整流級和DC-DC隔離級，隔離級可通過移相調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)靈活功率均衡和電氣隔離，尤其適合于差異化電池模組的充放電控制。
傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)固定焊接的電池模組構(gòu)成方式，僅依靠上層電力電子拓?fù)錈o法精細(xì)控制到電池單體。有學(xué)者提出用于高電壓串聯(lián)電池存儲系統(tǒng)的集成可重構(gòu)轉(zhuǎn)換器，能夠重新配置電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實現(xiàn)不同的運(yùn)行模式，并采用共享拓?fù)湓O(shè)計減少系統(tǒng)冗余，實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化，同時可以應(yīng)用于電池與超級電容組成的混合介質(zhì)的電池儲能系統(tǒng)[7,9]。相似地，在電池模組內(nèi)的電池單元通過開關(guān)器件構(gòu)成的可重構(gòu)電池電路拓?fù)?，電池單元之間的連接拓?fù)涓鶕?jù)負(fù)載變化動態(tài)地與需求進(jìn)行匹配重構(gòu)配置。
電池儲能系統(tǒng)作為一項系統(tǒng)工程需要從電池單體模型、電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）、電池健康狀態(tài)（state of health, SOH）、循環(huán)壽命等性能狀態(tài)感知出發(fā)，建立電池應(yīng)用過程中的系統(tǒng)性操作?；诳芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)構(gòu)建了電池管理的系統(tǒng)性理論方法[4-6,11,16-18]，高頻電力電子開關(guān)陣列與電池單體之間的耦合控制架構(gòu)將電池單元連續(xù)的能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化處理，通過時分和頻分的控制構(gòu)成了數(shù)字化、信息化能量管控系統(tǒng)[1,12,19]。通過軟件定義的方式靈活調(diào)整電池模組內(nèi)的連接形式，能量管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障容錯和均衡控制等[20-21]，有效避免固定串/并聯(lián)剛性系統(tǒng)架構(gòu)與電池差異化導(dǎo)致的系統(tǒng)“短板效應(yīng)”，其技術(shù)路線被稱為數(shù)字儲能系統(tǒng)，能夠滿足垂直行業(yè)的多樣化需求[13]。
目前，基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能系統(tǒng)已經(jīng)在電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)[22]、數(shù)據(jù)中心不間斷電源[23]和通信基站梯次利用動力電池供電[24-25]等場景中完成應(yīng)用示范。接下來，將介紹數(shù)字儲能系統(tǒng)在架構(gòu)與可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、電池狀態(tài)評估、運(yùn)行優(yōu)化等方面的關(guān)鍵技術(shù)。
2 數(shù)字儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
針對差異化性能的電池單體大規(guī)模集成的電池管理系統(tǒng)，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是電池狀態(tài)檢測和控制策略實施的基礎(chǔ)?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)解決傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)“斷不開”、“測不準(zhǔn)”的難題，實現(xiàn)基于電池單體與網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)檢測、運(yùn)行優(yōu)化與控制。
2.1 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)
規(guī)?；碾姵貎δ芟到y(tǒng)包含了大量電力電子開關(guān)器件（如PCS系統(tǒng)），可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池模組設(shè)計也包含大量可控開關(guān)管。以基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)為例，為實現(xiàn)精確控制，在電池模組內(nèi)每個最小控制單元需要連接K個可控開關(guān)，同時電池模組之間也采用電力電子開關(guān)連接，實現(xiàn)對整體模組的精準(zhǔn)管控。大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)通過功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用模塊化級聯(lián)的電力電子變壓器，耐壓等級高、傳輸功率大（如級聯(lián)H橋和MMC），同時采用雙有源橋含有直流隔離級，通過移相調(diào)節(jié)控制可以靈活地實現(xiàn)功率均衡和電氣隔離，對SOC差異性大的電池模組進(jìn)行充放電均衡控制。
學(xué)術(shù)界已經(jīng)較早地開展可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與應(yīng)用研究。Muhammad等從可重構(gòu)電池系統(tǒng)硬件架構(gòu)與應(yīng)用挑戰(zhàn)方面做了綜述，為可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究提出一些開放性問題[11]，比如：如何設(shè)計硬件架構(gòu)才能兼顧管控效率與控制復(fù)雜度，如何制定系統(tǒng)架構(gòu)建模與電池控制方法策略實現(xiàn)電池可感知“白盒”化的控制。文獻(xiàn)[5]從可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)模組與系統(tǒng)設(shè)計的角度綜述了發(fā)表文獻(xiàn)中可重構(gòu)模組架構(gòu)，給出了常見的電池模組可重構(gòu)電池結(jié)構(gòu)的對比。文獻(xiàn)[6]提供了可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化架構(gòu)理論研究方法。
文獻(xiàn)[13]研究可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)理論，完成基于26650鋰離子電池單體樣機(jī)研制，該系統(tǒng)構(gòu)成4并4串的可重構(gòu)電池模組，其可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計如圖1所示。電池儲能系統(tǒng)構(gòu)建12 V低壓直流數(shù)據(jù)中心不間斷供電系統(tǒng)，結(jié)合圖論的優(yōu)化配置方法生成電池均衡管理與可重構(gòu)策略[26]。
圖1 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[13]
Fig 1 Reconfigurable battery network design
2.2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的單體容量建模
數(shù)字儲能系統(tǒng)構(gòu)建基于斷路電壓檢測的單體電池和任意電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃У碾姵豐OC數(shù)學(xué)模型，支撐規(guī)?；瘮?shù)字儲能系統(tǒng)的實時精準(zhǔn)管控，對于任意電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮呻娙萘康木珳?zhǔn)估算是規(guī)?；芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基礎(chǔ)。
目前文獻(xiàn)中已經(jīng)有多種SOC估算方法，包括應(yīng)用最廣泛的安時積分法、開路電壓（open circuit voltage,OCV）與SOC映射法等，均依賴于電流或電壓的測量精度并受到電池非線性特性影響，其估算方法的精度受到質(zhì)疑。其中，SOC-OCV映射法是業(yè)界公認(rèn)的最簡單、最精確的電池SOC估算方法，但是傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)電池系統(tǒng)無法在電池系統(tǒng)充放電過程中動態(tài)實時測量電池單體的OCV，因此傳統(tǒng)固定拓?fù)溥B接的電池系統(tǒng)無法直接利用電池單體層面的OCV-SOC的一一對應(yīng)關(guān)系，只能通過測量工作電壓和電流推算電池內(nèi)阻，進(jìn)而通過內(nèi)阻估算值進(jìn)一步估算OCV，然后得到當(dāng)前的SOC，過程中將引入兩次估算誤差傳遞，導(dǎo)致最終得到的結(jié)果誤差過大，嚴(yán)重影響了實際系統(tǒng)的用戶體驗和系統(tǒng)能量控制精度。圖2為基于重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)SOC估計原理示意圖。
圖2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)SOC估計原理
Fig.2 SOC estimation method based on reconfigurable battery network
在可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字儲能系統(tǒng)中，電池單體能夠自主可控地從電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袛嚅_，從而實現(xiàn)電池單體層面的開路電壓測量?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中電池單體從電池網(wǎng)絡(luò)斷開的時間很短，能夠根據(jù)電池暫態(tài)響應(yīng)特性推斷長時間靜置后恢復(fù)的真正OCV，從而實現(xiàn)基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的開路電壓補(bǔ)償修正方法，消除了SOC-OCV映射法的估計誤差。
與傳統(tǒng)SOC估算方法相比，基于數(shù)字儲能系統(tǒng)架構(gòu)提出的電池狀態(tài)估計方法能夠得到更加準(zhǔn)確和可靠結(jié)果，并克服估算過程誤差傳遞和累積。由于估算過程不需要訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，相比目前流行的基于CNN、RNN等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法，該方法的計算復(fù)雜度可以根據(jù)系統(tǒng)計算能力和應(yīng)用對估算精度的要求進(jìn)行定制化的調(diào)整，更加適宜在實際系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。同時，該方法可用于在線精準(zhǔn)估算方法和SOH分析，通過添加學(xué)習(xí)過程建立馬爾可夫或時間序列的電池壽命模型實現(xiàn)電池SOH估算[27]。
2.3 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量建模
可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)模組能夠?qū)崿F(xiàn)基于電池單體層面的SOC精準(zhǔn)估算，可以得出任意給定電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡刃Ш呻娙萘磕Ｐ汀Ｈ我饨o定的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃Т?并聯(lián)原理示意如圖3所示。
圖3 電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡刃Т?并聯(lián)原理模型
Fig.3 Equivalent series-parallel principle model of battery network topology
串聯(lián)電池組中，電池電流相同，電池網(wǎng)絡(luò)可以等效為電池單體模型；并聯(lián)電池組中，電池電流分布不均勻但電池的端電壓相同。針對圖3（a）、圖3（b）所示的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)行為可表達(dá)為[28]
式中：f為串聯(lián)表達(dá)式；g為并聯(lián)表達(dá)式；I、φ分別表達(dá)電池單體的電流和電動勢。
在串聯(lián)電池組中，電池組容量性能由狀態(tài)最差的電池單體決定，即為避免電池單體過充或過放引起的安全問題。在并聯(lián)電池組中，電池組的容量是所有電池單體容量的總和。可重構(gòu)電池模組的等效SOC表達(dá)式為
綜合考慮電池單體在不同工況及其之間的拓?fù)溥B接狀態(tài)結(jié)構(gòu)與電池性能之間的關(guān)系，能夠為可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)在實踐中的工程簡化應(yīng)用提供理論依據(jù)。
2.4 數(shù)字儲能系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化與控制
電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)重構(gòu)是影響系統(tǒng)特性的重要因素，其性能優(yōu)化可建立電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)重構(gòu)優(yōu)化問題。設(shè)xi∈Rm表示m個電池單體狀態(tài)變量組成的向量，具體可表示為電池單體端電壓、電流或SOC等，X=[x1,x2,…,xN]∈Rm×N表示N種動態(tài)拓?fù)渥儞Q下電池狀態(tài)矩陣，其具體意義與電池狀態(tài)變量xi表示的物理意義相關(guān)，Y為與優(yōu)化變量相關(guān)的性能指標(biāo)。可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題可以建模為
式中：Hn(X)表示第n個電池拓?fù)渌苓壿嫾s束，考慮電池狀態(tài)、負(fù)載狀況和環(huán)境因素，電池的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型的收到上下界的限制，限制條件定義為Hn≥0。考慮電池本體在時間維度上的動態(tài)特性，電池單體的性能損耗可以通過細(xì)粒度計算電池SOC變化帶來的消耗和恢復(fù)特性得到，可以表示為電池性能指標(biāo)Y與電池拓?fù)鋁之間的哈達(dá)瑪積[6]
在T個拓?fù)渥儞Q周期內(nèi)電池性能損耗可表示為
由于電池容量在電池操作過程中表現(xiàn)為單調(diào)遞減特性，為了對動態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)在運(yùn)行期間的性能進(jìn)行建模，有向無環(huán)圖用來表示單元拓?fù)涞难莼^程，如圖4所示。
圖4 有向圖表示的動態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)
Fig.4 Directed acyclic graph of dynamic reconfigurable battery network system
有向無環(huán)圖中的每一個點(diǎn)代表可能的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由現(xiàn)在電池拓?fù)錉顟B(tài)選擇為下一個電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)所產(chǎn)生的電池性能損耗為邊的權(quán)重。在T個拓?fù)渥儞Q周期內(nèi)，儲能系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行過程中電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q控制策略可執(zhí)行為尋找有向無環(huán)圖中最短加權(quán)路徑。
3 數(shù)字儲能系統(tǒng)的應(yīng)用案例
目前通信基站、數(shù)據(jù)中心等存在大量碎片化、閑置的電池備用資源，如何在保證電池儲能系統(tǒng)備電功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)儲能資源的最大利用率是儲能系統(tǒng)運(yùn)維中的重要問題。為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的高效運(yùn)行和高水平的智能化運(yùn)維[12,19,22,24-25]，數(shù)字儲能系統(tǒng)采用數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的管控方式，利用本地和儲能云系統(tǒng)的分散自律協(xié)同控制。以數(shù)字儲能系統(tǒng)在通信基站備用電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，采用基于“云儲能”和能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營模式，對電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量管理與調(diào)度。
3.1 系統(tǒng)應(yīng)用概述
在落實“智慧廣州”、樞紐型國家信息港建設(shè)的戰(zhàn)略背景下，廣州市白云區(qū)、越秀區(qū)、天河區(qū)等部署超高密度的通信基站基礎(chǔ)設(shè)施。為探索通信基站儲能系統(tǒng)在城市智慧能量管理中的優(yōu)勢作用，廣州市白云區(qū)選取100個符合建設(shè)條件的通信基站進(jìn)行備用電池系統(tǒng)的數(shù)字化改造，并選取8個站點(diǎn)作為與電網(wǎng)雙向互動的試點(diǎn)示范，以期待能夠改善該地區(qū)供電負(fù)荷分布不均衡和供電容量的限制，發(fā)掘通信基站電池儲能系統(tǒng)未來參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)等電力市場輔助服務(wù)的潛力。
3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計
數(shù)字儲能系統(tǒng)應(yīng)用示范方案采用動態(tài)重構(gòu)拓?fù)涔芾淼哪芰拷粨Q機(jī)電池管理方案，方案中包括電池能量網(wǎng)卡、電池能量集線器、電池能量交換機(jī)、電池能量適配器、以及云平臺（巡檢云平臺及調(diào)度云平臺）及通信信道等，構(gòu)建能量流、信息流統(tǒng)一收集、傳輸、處理及控制的分布式儲能管控系統(tǒng)[25]，整體架構(gòu)如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
Fig.5 Overview of the system architecture diagram
電池能量網(wǎng)卡集成了MOSFET等電力電子開關(guān)，開關(guān)頻率范圍為10～100 kHz，電池連續(xù)的能量流被離散為能量片段，電壓控制范圍為0～3.8 V；電池能量集線器組合構(gòu)成可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，同時也是電池狀態(tài)信息的匯集，采用CAN和RS-485通信方式，構(gòu)建底層的信息物理融合；電池能量交換機(jī)連接了電池能量集線器與電池能量適配器，控制局域電池系統(tǒng)的能量管理策略生成與執(zhí)行；電池能量適配器將電池能量交換機(jī)輸出的能量進(jìn)行整流控制，使之滿足電池儲能系統(tǒng)輸出及與外部負(fù)載匹配的能量要求。
在構(gòu)成與電網(wǎng)互動的數(shù)字儲能系統(tǒng)中，以雙向互動試點(diǎn)為例，交流備電系統(tǒng)直流側(cè)工作電壓范圍為216～292 V（單體2.7～3.65 V），該電壓范圍與雙向儲能變流器的直流側(cè)電壓匹配（200～900 V）。直流備電系統(tǒng)直流側(cè)工作電壓范圍為43.2～58.4 V（單體2.7～3.65 V），通過AC/DC電源（AC 380 V/DC 48 V）對電池能量交換系統(tǒng)（含電池）進(jìn)行充電和對基站核心直流負(fù)載進(jìn)行供電，現(xiàn)場部署如圖6所示。
圖6 通信基站數(shù)字無損梯次利用儲能系統(tǒng)應(yīng)用部署
Fig 6 Deployment of DES in communications base station
本應(yīng)用案例選用退役動力電池替代鉛酸電池應(yīng)用于分布式儲能系統(tǒng)，不需要將退役動力電池模組拆解至電池單體，而是采用可重構(gòu)電池模組構(gòu)成的電池網(wǎng)絡(luò)消除電池的差異性。傳統(tǒng)梯次利用電池儲能系統(tǒng)設(shè)計方案先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過多個電池模組DC/DC隔離級后以并聯(lián)或PCS交流側(cè)并/級聯(lián)等形式提高電壓、電流等級，多級能量變換過程損失了系統(tǒng)能量效率。相比之下，數(shù)字儲能系統(tǒng)省掉多級DC/DC隔離級或PCS交流側(cè)并/級聯(lián)，能量效率損耗僅來自于MOSFET電力電子開關(guān)，由于其電壓等級較低，在降低系統(tǒng)能量損耗方面存在優(yōu)勢。
3.3 功能和性能驗證
在保持電池一致性的前提下，完成電池放電并保持功率穩(wěn)定是儲能系統(tǒng)設(shè)計的性能要求。為驗證數(shù)字儲能系統(tǒng)性能，特進(jìn)行數(shù)字儲能系統(tǒng)放電過程均衡測試、多站點(diǎn)功率聯(lián)動測試和有功/無功調(diào)節(jié)測試。
3.3.1 儲能系統(tǒng)電池均衡性能測試
選取長崗村C基站儲能系統(tǒng)進(jìn)行測試，數(shù)字儲能系統(tǒng)采用3.2 V/100 Ah的退役磷酸鐵鋰電池，構(gòu)成4并80串?dāng)?shù)字儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)容量為102.4 kWh。在室溫條件下，設(shè)定數(shù)字儲能系統(tǒng)的放電倍率為0.3 C，平均測量時隙約為0.5 min，驗證數(shù)字儲能系統(tǒng)SOC在[70%,100%]運(yùn)行范圍內(nèi)電池模組SOC、端電壓的均衡特性。
運(yùn)行狀態(tài)下，數(shù)字儲能系統(tǒng)電池SOC、端電壓的變化曲線及對應(yīng)的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差如圖7所示。結(jié)果顯示，在0.3 C倍率放電條件下，電池SOC最大差異為1%，最大統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為0.508%；電池端電壓最大差異為28 mV，最大統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為6.631 mV。
圖7 電池SOC和端電壓一致性測試
Fig.7 Battery SOC and terminal voltage consistency test
3.3.2 儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)功率測試
通信基站數(shù)字儲能系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)削峰填谷能量調(diào)度中發(fā)揮作用，單個通信基站的數(shù)字儲能系統(tǒng)站點(diǎn)裝配雙向電池能量交換系統(tǒng)，通過云平臺遠(yuǎn)程控制電池能量交換系統(tǒng)某個時段充電、放電行為，使之能夠滿足通信基站參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)的功能要求。
為驗證特定臺區(qū)變壓器內(nèi)多個通信基站數(shù)字儲能系統(tǒng)功率聯(lián)動輸出的穩(wěn)定性，設(shè)定長崗村臺區(qū)變壓器下4個通信基站中的數(shù)字無損梯次利用儲能系統(tǒng)以24 kW功率放電50 min，聯(lián)合輸出功率曲線如圖8所示。結(jié)果表明數(shù)字儲能系統(tǒng)能夠維持輸出功率的穩(wěn)定性。
圖8 系統(tǒng)輸出功率測試
Fig.8 System output power test
3.3.3 儲能系統(tǒng)有功/無功測試
儲能系統(tǒng)參與電力市場輔助服務(wù)，要求具備功率調(diào)節(jié)和維持電網(wǎng)穩(wěn)定的功能。對安裝在長崗村通信基站中數(shù)字儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率測試，分析系統(tǒng)總進(jìn)線功率與子系統(tǒng)進(jìn)線總線數(shù)據(jù)。儲能變流器額定功率100 kW，額定電壓380 V AC，功率因數(shù)為1。該裝置支持并/離網(wǎng)模式，在市電斷電時，雙向儲能變流器的并/離網(wǎng)切換裝置能夠在20 ms內(nèi)無縫切換至離網(wǎng)模式。系統(tǒng)總進(jìn)線三相基波功率如圖9所示，單相基波功率如圖10所示，系統(tǒng)總進(jìn)線基波功率較子系統(tǒng)功率穩(wěn)定，表明數(shù)字儲能系統(tǒng)在維持系統(tǒng)總線輸出功率穩(wěn)定中發(fā)揮作用。
圖9 總線基波功率
Fig.9 Fundamental wave power trend of bus base line
圖10 單相基波功率趨勢
Fig.10 Fundamental wave power trend of one phase
4 結(jié)論與展望
儲能技術(shù)正在經(jīng)歷重大變革，基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能技術(shù)成為一項系統(tǒng)性工程，其技術(shù)核心是采用高頻電力電子開關(guān)實現(xiàn)模擬能量流的離散化、數(shù)字化處理，實現(xiàn)電池電化學(xué)模型、電池狀態(tài)建模以及系統(tǒng)集成應(yīng)用。
作為一種新生業(yè)態(tài)，數(shù)字儲能技術(shù)將橫向貫穿電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用的全行業(yè)，將在通信基站、數(shù)據(jù)中心、用戶側(cè)儲能、大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)儲能中形成較廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體功率器件高壓化、大容量化的發(fā)展，用于構(gòu)建電力電子開關(guān)器件的半導(dǎo)體價格呈現(xiàn)下降趨勢，數(shù)字儲能系統(tǒng)建設(shè)成本將大幅降低?？紤]基于數(shù)字儲能系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)集成、運(yùn)行優(yōu)化等，數(shù)字儲能系統(tǒng)滿足場景要求的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性。對于行業(yè)關(guān)注的儲能系統(tǒng)成本、能量效率等問題，后續(xù)將會開展更多實驗及示范項目，完成數(shù)字儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、能量效率等定量分析，驗證數(shù)字儲能性能。在當(dāng)今儲能行業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，數(shù)字儲能系統(tǒng)將突破系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性束縛，有望革新當(dāng)今儲能行業(yè)，實現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
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Modeling and Operation Control of Digital Energy Storage System Based on Reconfigurable Battery Network
——Base Station Energy Storage Application
CI Song*, ZHOU Yanglin, WANG Hongjun, SHI Qingliang
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)
Abstract: Energy storage systems (ESSs)are changing the realtime balance characteristics of ready-to-use power systems use and have become an important supporting technology for the construction of smart grids.Battery energy storage technology is a systematic project whose research fields include chemistry,dynamic modeling, and system management.Designers need to understand the electrochemical and material properties of batteries to design and implement efficient battery management algorithms based on mathematical models and control systems.Nevertheless, traditional ESSs using fixed welding connections cannot achieve accurate detection and control based on battery cells.The failure of any battery cell will cause a system-level failure, and its safety cannot be guaranteed.With the aid of reconfigurable battery networks, the digital energy storage (DES)technology discretizes and digitizes the continuous energy flow of the battery cells, thereby shielding the differences caused by the physical and chemical properties of the battery cells, as well as flexibly adjusting the battery topology to achieve load matching with multiple application scenarios.
Keywords: digital energy storage system; large-scale energy storage system; second battery utilization; base station powering
pagenumber_ebook=17,pagenumber_book=435
慈松
作者簡介：
慈松（1970），男，教授，主要研究方向大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)建模、控制與優(yōu)化理論研究及其在信息能源交叉研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。通信作者，E-mail: [email protected]。
周楊林（1991），男，助理研究員，主要研究方向分布式能量管控技術(shù)與綠色通信，E-mail: [email protected]。
王紅軍（1982），男，高級工程師，研究方向為信息通信系統(tǒng)、分布式能量管控及嵌入式軟件開發(fā)，E-mail:[email protected]。
石清良（1983），男，工程師，主要研究方向為分布式數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)，E-mail: [email protected]。
