电网侧储能对电池本体和管理系统的需求南瑞集团有限公司2019年4月26日目录CONTENTS储能电池综述1234合作展望电池本体产品需求电池管理系统需求设计灵活、配置方便模块化设计，通过并联可实现20MW以上级别系统规模，不受地理条件限制响应速度快毫秒级时间尺度内实现额定功率范围内的有功无功的输入和输出精确控制能够在可调范围内的任何功率点保持稳定输出双向调节能力充电为用电负荷，放电为发电电源，额定功率双倍的调节能力绿色环保，促进环境友好集约用地，减少资源消耗科学安全，建设周期短技术成熟其他优势相比较其它储能方式，电化学储能电站（系统）主要优势包括：1储能电池综述1储能电池综述1-1电化学储能综述储能电站面向电网侧及新能源消纳实际运行需求，在以下方面开展应用示范：移峰填谷动态无功支撑断面功率控制新能源储能互补0102030506大电网紧急控制07调频服务+“虚拟同步机”1储能电池综述微网/冷热综合能源04黑启动/热备用081储能电池综述1-1电化学储能综述储能容量选择，需综合考虑系统潮流、调峰、调频、调压及紧急控制等各方面需求；目前，储能容量选择主要受限于建设运营成本约束。u调峰、调频、紧急控制：主要是面向解决全网性问题，客观上储能配置越大越有效。调峰需求能量型储能，一般不小于2h，调频和紧急控制需求功率型储能，持续时间一般小于0.5h即可。u调压：主要考虑电网的动态无功需求，功率型储能，容量越大，动态无功支撑能力越强。华东电网典型小负荷方式下雁淮直流双极闭锁下储能对系统频率最低点的改善效果48.848.94949.149.249.349.449.549.605001000150020002500300035004000系统频率最低点/Hz储能配置容量/MW1储能电池综述1储能电池综述1-2储能容量选择目录CONTENTS储能电池综述1234合作展望电池本体需求电池管理系统需求满足电网调频的持续高倍率充放电满足电网调频，调峰需求的充放电循环次数满足电池易维护，电站无人值守的设计要求满足收益要求的成本及系统效率满足电池高效使用的SOC运行范围满足环境要求的宽工作范围满足电网要求的稳定运行以及安全性满足电网调频需求的满充放转换的快速响应123456781储能电池综述2电池本体需求2-1电池选型：选型原则1储能电池综述电池类型铅炭电池锂离子电池（磷酸铁锂）锂离子电池（三元锂）全钒液流电池工作电压（V）22.8-3.73.2-4.21.5能量密度(Wh/kg)25-50130-160200-2207-15功率密度（W/kg）150-500500-10001000-150010-40倍率性能0.25C长期2C/瞬时5C长期2C/瞬时5C2～5CSOC推荐使用范围30%~80%10%～90％10%～85％30%~90%电池组循环次数1000-30003000-50002500-4000＞10000工作温度-20~60℃充电-10~45℃/放电-20~55℃充电-30~55℃/放电-30~60℃-5~60℃响应速度<10ms毫秒级毫秒级毫秒级安全性析氢等弱风险保护措施得当燃烧风险较低燃点低，燃烧等风险较高五氧化二钒等毒性弱风险环保性存在一定环境风险环境友好环境友好环境友好能量成本(元/kWh)800-13001300-16001500-20002200-2300电池效率80~90%98%@0.1C/90%@1C98%@0.1C/90%@1C60%~75%2-2电池参数对比2电池本体需求1储能电池综述储能系统类型铅炭电池锂离子电池（磷酸铁锂）锂离子电池（三元锂）全钒液流电池集装箱规格40呎40呎40呎20呎集装箱数量100个100个50个400个（另需配置电解液储罐）BMS设计难度简单，主要以监控为主复杂，需要考虑SOC估算精度以及均衡算法十分复杂，电压抖动剧烈，SOC估算难度较大，一致性需要精准的均衡算法一般系统集成可行性可行可行，国内主流技术路线，方案相对成熟待验证，日韩为代表的国外技术路线，尚未掌握核心技术，一致性问题较为严重，标准尚未统一待验证运维特点电池寿命短，运维差别化服务难可实现无人运维难实现无人运维，安全因素是制约可长时间运行，但增添电解液作业繁琐，工程浩大初始投资相对少适中较大较大2-3电池选型：成组方案对比2电池本体需求综合比较各电池技术参数：p铅炭电池成本较低，但倍率特性低、循环寿命短、响应速度慢及存在环保问题；p全钒液流电池具有较高的倍率特性、循环次数高，但其功率及能量密度低、占地面积大，且高成本；p锂离子电池具有较高的能量和功率密度，较高的倍率特性、宽SOC运行范围、循环次数高等优势，其中三元锂离子电池具有更高的能量及功率密度，但存在安全性及成本问题。p根据总体需求，兼顾电网调频和调峰等其他应用场景。2-4选型建议2电池本体需求2-5锂离子电池的风险2电池本体需求国内外近期发生多起锂离子电池储能电站火灾事故。Ø7月2日，韩国灵岩一风力发电园区内ESS储能设备发生重大火灾事故，造成706㎡规模电池建筑和3500块以上锂电池全部烧毁。Ø镇江扬中某用户侧储能项目，8月初项目中的磷酸铁锂电池集装箱起火并烧毁。事故一旦发生就会造成严重后果，对锂离子电池热事故特征参数识别、热失控早期预警、安全联动和消防防护显得尤为重要。2-6锌溴液流电池的探索2电池本体需求合适的电化学储能体系特征1、价格合适2、安全可控3、易于部署4、资源丰富2-6锌溴液流电池的探索2电池本体需求传统液流电池单液流锌溴电池安全性高、不存在燃烧爆炸风险的化学体系1单液流体系管路简单电解液为水体系，利于散热，不会燃烧23体系封闭、环境压力小4原料易得、价格适中5目录CONTENTS储能电池综述1234合作展望电池本体需求电池管理系统需求3-1储能电站BMS系统概述3BMS需求大型储能系统电站可应用于发电侧或电网侧的调频调峰或削峰填谷，其中储能电站BMS实现对电池运行状态量（电压、电流、温度、绝缘等）的监测，进而实现对电池状态剩余电量（SOC）、电池健康状态（SOH）的分析和评估，对电池组（堆）实现均衡管理、控制、故障告警、保护及通讯管理的系统装置，其目的是实现电池组的安全、稳定、可靠、高效、经济的使用。3-1储能电站BMS系统概述3BMS需求储能系统BMS采用三层典型架构：p从控模块（电池数据采集单元）第一层主要采集单体电池电压、温度等信息，对电池状态进行计算，作均衡、热管理执行控制。p主控模块（电池簇控制模块）第二层主要负责电池组端电压采集、电流采集、绝缘检测、电池状态计算、继电器控制、均衡策略、数据通信等。p总控模块（电池堆控制模块）第三层主要进行数据显示、查询、参数设置、数据计算、通讯、数据保存等。3-2功能需求3BMS需求电池模型采用增强型自校正(ESC)锂离子电池等效电路模型，考虑温度、滞回电压、欧姆电阻、RC阶数等影响因素，并能够为SOC估计算法提供模型基础。模型考虑开路电压与温度、SOC的关系，以及其它参数与温度的关系，能够准确描述锂离子电池工作的外特性。图中是ESC锂离子电池在simulink中的模型，采用非线性系统辨识方法对模型参数进行优化，使得模型预测电压与测量电压的均方根误差最小。3-2功能需求3BMS需求电池模型采用增强型自校正(ESC)锂离子电池等效电路模型，考虑温度、滞回电压、欧姆电阻、RC阶数等影响因素，并能够为SOC估计算法提供模型基础。3-2功能需求3BMS需求电池储能设备荷电状态（SOC）采用高精度的安时积分+开路电压校正方法，采用神经网络法对磷酸铁锂电池SOC进行估算，将估算误差控制在5%范围内，具有较高的估算精度。以3.2V/40Ah的磷酸铁锂电池为实验对象，电池测试仪选用新威CT-4008电池充放电测试仪，进行电池充放电实验，将实验数据对BP神经网络进行训练。仿真结果表明，训练以后的BP神经网络具有较好地跟随性，估算误差在5%以内。采用“三输入一输出”结构，将影响电池特性的主要因素：电压、电流、电池表面温度作为输入量，SOC为输出。3-2功能需求3BMS需求基于电池单体电压、单体SOC、单体SOH以及历史数据等综合均衡判据，采用被动均衡+主动均衡控制策略，大幅改善成组电池的一致性、可用容量、电池寿命。3-2功能需求3BMS需求支持双网冗余连接模式，通信协议采用IEC-104、IEC-61850系列等标准规约，提升信息传输速率。61850server解析模型及配置文件组成了服务端，服务端从数据库取得实时数据通过MMS网络（ISO七层模型的应用层）映射到BMS主站客户端。IEC61850面向对象建模，把实际设备按功能划分成单个的功能点，确定每个功能点需要包含的、可以拥有的数据和属性，以及可以提供的访问服务然后在把这些逻辑节点按照需要，进行组织到相同的逻辑设备中。3-2功能需求3BMS需求ü采用ASIL-B级保护策略，具备先进的自我故障诊断和容错技术，对模块自身软硬件具备自我检测功能，硬件保护措施不会因为BMS故障造成储能系统安全问题；ü具备完善的软硬件保护设计，采用分级预警、告警以及保护动作等分级保护系统，电压、温度等具备变化率保护、多级阈值保护等。ü具备完善的SOE以及故障录波功能，丰富的本地与远程的数据记录功能，满足现场运行状态的监控以及事后分析的要求，做到历史事件可追溯、故障问题可分析，做到历史事件可追溯、故障问题可分析，有效解决储能系统发生故障时责任不清问题；3-2功能需求3BMS需求ü具备多层级消防联动保护系统设计，具备pack级的消防，采用多传感器融合技术（特征气体、烟雾、温度），结合非标锂电池热失控判断算法，实时监控电池热失控阶段，实现锂电池热失控早期分级预警，并在锂电池发生火情第一时间进行灭火最小单元干预控制。热失控分析：外因--过充电触发热失控、外力导致热失控、过热触发热失控；内因--电池内部短路触发热失控。3-2功能需求3BMS需求防护措施1内部安全1、添加对电池电化学性能影响小的阻燃添加剂。2、热失控阻隔设计发展的“三明治”式结构阻隔方法能够有效阻隔电池组内的热失控传播。1、电池系统安全防护技术和防护装置联动控制策略。2、PACK箱体的热扩展防护扑灭初期电池火灾，延迟热失控传播时间。防护技术及控制防护措施4防护措施51、根据电池热失控前表征参数体系体系，进行早期的热失控探测。2、系统的联动控制（BMS、PCS、空调等）防护措施3早期热失控预警防护措施2外部安全设计1、电气系统的安全设计。2、BMS在线热管理及干预（干预包括：切断充电电源、降低功率等）。3、电解液泄漏检测发现早期隐患。4、综合热管理系统保证电池工作在正常温度。外部消防接口1、对接消防车全淹没式消防设计。目录CONTENTS储能电池综述1234合作展望电池本体需求电池管理系统需求4合作展望4-1南瑞储能相关业绩贵州兴义储能电站天津中新生态城示范项目黄上共和储能系统长沙电网侧储能项目4合作展望4-2技术合作4合作展望4-2技术合作根据储能电站在线监控数据及电池本征参数进行锂离子电池精细建模，表征电芯最大容量及内阻变化情况，进而对电芯实际状态、老化程度、剩余寿命等进行评估电芯状态评估技术电池寿命评估是核心问题！4合作展望4-2技术合作基于物理模型的电芯状态评估技术模拟电池实际运行过程电池整体参数正负电极参数正负极层间参数正负极材料颗粒特性化学反应参数电压数据电流数据温度数据技术特点电池健康状态的准确描述和老化机理最直接的证据电池性能退化因素的定量分析模型复杂，参数众多，计算量大锂电池内部物理、化学参数读取所需工作量大4合作展望4-2技术合作基于数据驱动的电芯状态评估技术技术特点锂电池外部参数便于测量分析时效性好易受数据不确定性和不完整性的影响需要庞大数据量以提升评估精度在线数据历史数据•电池实际状态4合作展望4-2技术合作特点：1.不区分关键数据和详细数据，集中上送。2.通讯协议不统一，需要规约转换器进行中转。3.监控主机资源消耗大。4.网络拥堵，全站控制速率较慢，效率低。储能电站监控系统现状分析——常见电站架构4合作展望4-2技术合作储能电站监控系统现状分析——某电化学储能电站电池数据分析存在问题1.电站监控主机性能要求高，负荷大，可靠性差。2.数据网络拥挤，上、下行关键数据堵塞，电站控制响应缓慢。3.大量非关键数据与关键数据一起配置，运行维护复杂、低效。现状总结目前，主流储能电站基本采取了数据集中式上送方式。而储能站的大量遥测、遥信数据中，大部分不是实时监控必须的关键数据。造成了监控系统网络的拥堵和浪费，使整个系统效率和可靠性降低。即便配置了本地监控，也没有起到分流计算和数据通道负担的作用。这种集中式控制方式，网络简单，成本较低，在小数据量储能站有其优势；但是在大容量储能电站中这种架构是存在一定的隐患。4合作展望4-2技术合作特点：1.在保证网络承载力和主机性能的前提，数据集中上送。2.统一协议（61850），全站无规约转换器。3.架构简单，建设成本较低。4.全站控制速率较高。5.推荐应用于总数据量≤10万的中小储能电站。解决方案——集中式方案4合作展望4-2技术合作解决方案——分层式方案特点：1.关键数据实时上送；详细数据分层存储，按需调阅(SOA)。2.统一协议（61850），全站无规约转换器。3.上、下行数据分流，全站控制速率快，效率高。4.本地监控按需配置。5.推荐应用于总数据量＞10万的中大储能电站。4合作展望4-3项目合作35综合考虑分布式发电站分布和容量、地区负荷特征、主变及配网架构，制定科学合理的储能配置方案和商业模式，实现储能资源的优化配置和全局共享；采用储能全景监视和源网荷储协调管控等技术，实现电网负荷在时间维度上的重构和再分配，获取运营利润的最大化。解决新能源接入与消纳、潮流倒送过载、电能质量等问题。Ø灵活充放电，实现削峰（负荷高峰、分布式发电高峰）填谷Ø响应快速，增加电网可调度资源，提升调度能力Ø投资建设便捷，降低配网扩容扩建投资成本，解决弃风弃光问题4合作展望4-3项目合作36为充分利用社会资源，鼓励、引导社会企业参与储能站建设，需要制定科学合理的储能配置方案和经济运行策略，从投资建设、商业模式、运营管理等多方面进行研究和分析，形成合理、可行的整体解决方案。Ø配置方案Ø投资建设与运营管理Ø控制策略（经济优化模型）Ø获益方式Ø补贴原则Ø……………方案一：分布配置、分布自治方案二：分布配置、集中控制方案三：集中配置、集中控制4合作展望4-3项目合作37有效解决区域分布式能源消纳问题，促进新能源健康、可持续发展以电网运行安全约束条件，制定科学合理的储能配置方案和商业模式，实现储能资源的优化配置和全局共享。空间维度统筹区域内储能资源，采用源网荷储的协调优化控制策略，实现电网负荷在时间维度上的重构和再分配。时间维度充电放电面向电网：优化配置能量迁移削峰填谷面向电站：补贴方式优化控制利润最大补偿区利润最大化预期目标展望以系统集成为主要方式，联合优质战略合作伙伴，面向客户定制化的需求，共同形成高可靠、高安全、高收益的储能系统整体解决方案，为储能系统并网规范化提供支撑，实现分布式新能源发电高渗透率接入。提供从咨询、设计，到施工、运维全过程的一站式服务，以实施储能电站总承包工程为主要形式，充分发挥集团在智能电网中的技术积累优势，形成切实满足客户需求、覆盖领域全面的完整储能产业。南瑞在大型储能电站规划设计、调度、安全稳定分析、综合监控系统、变流器、一次设备接入、典型示范应用等方面有核心竞争优势。用户储能厂家社会配套服务电网金融降低峰谷差提高负荷利用率节能减排降低用电成本储能业绩增长创新商业模式储能实现多方共赢谢谢聆听THANKYOU