储能电站智能运维系统技术研究

储能电站智能运维系统技术研究

1.赵磊 2.叶妮

1.水发兴业能源（珠海）有限公司 广东珠海 519085

2.水发兴业能源（珠海）有限公司 广东珠海 519085

摘 要：针对储能电站发展趋势及储能电站运维成本高的的特点，文章提出了一种低成本的外挂式储能电站智能运维系统设计方案，并对其实施的关键技术研究内容作了阐述。

关键词：外挂式 储能电站 智能运维

1 背景

随着近些年大量储能电站的出现，储能电站的一些技术缺陷也在集中暴发出来。通过市场调研，大型储能电站运维工作的90%以上都花在“补电”上。

“补电”的主要原因是电池不均衡，充电时SOC接近100%的电池迅速跃过“平台期”，电压迅速上升而发出“过充保护”告警；放电时SOC接近0%的电池电压迅速下降而发出“过放保护”告警。宏观上看电池既充不进电，也放不出电。经过人工补电后（将所有的电池都充到100%），储能电站功能恢复。但随着储能电站工作时间增加，情况又会逐步恶化，并且随着电池系统的老化，“补电”频率将会越来越快。

因此，储能电站需要实现均衡功能。

2 国内外技术发展

近些年国内外储能行业的前沿技术发展迅速：如日本东京大学开发出了新一代锂离子电池极“浓电解液”[1]；“会呼吸的电池”[2]：用太阳能直接充电（光能转化成化学能），转换率近100% ，需要时将化学能转换成电能提供给用电负荷；新型电化学储能技术：半固态锂电池[3]；北京低碳清洁能源研究院与清华大学化工系合作完成的"高能量密度全液体有机电化学活性物质液流电池"[4]等等。

蓄电池管理系统相关技术研究伴随着蓄电池技术的发展而得到发展，现有的技术已经非常成熟，但由于成本限制，好的技术不能很好地应用在项目中。几安培的主动均衡技术现有BMS厂家都有，针对于几乎恒流工作方式下的储能电站，在电池一致性较好，以及当前的热管理技术水平上看，几安培均衡能力完全可以应对电池系统的均衡问题。但是现有的储能电站的BMS系统几乎都是100mA左右的被动均衡，无法满足储能电站的需求。不用主动均衡的主要原因还是成本问题，现有的主动均衡的BMS约占储能成本30%左右。在目前的储能市场环境下，无法推动应用。

国内外均有主动均衡方式的蓄电池管理系统，均衡能力完全可以满足当前储能电站的要求，但成本过高，目前国内大型储能电站基本都是采用被动均衡方式，这种均衡方式无法满足储能电站对均衡功能的需求，储能电站因为均衡问题损失的效果非常巨大。现有的补救方式都只能人工“补电”，导致运维工作压力很大。主动均衡的BMS系统在一些国外的储能示范项目中有零散的应用，未见大规模使用。

因此，为了在不增加电站建设成本的情况下，实现储能电站均衡功能，本文提出了一种外挂式储能电站智能运维系统并对其主要技术研究作了阐述，为解决储能电站运维问题提供利于规模应用的智能工具。

3 外挂式储能电站智能运维系统主要技术

3.1 运行数据诊断器

根据运维需求，运行数据诊断器应具备的主要功能有：采集BMS历史数据，并进行数据分析，判断是否需要进行均衡作业，定位需均衡作业的工作点及工作时长。其软件结构设计要点如下：

图1 运行数据诊断器软件结构图

3.2 接口技术

运维工具与现有储能系统运维前快速接入与运维结束后快速断开是降低运维人员工作量，提高运维质量重要方法。考虑到储能系统的现状，首先应开发快速插接接头。

作为一个运维工具，需将运维设备与电池系统快速便捷并准确地连接（或断开），而且均衡电流不大，可考虑用磁吸式等快速连接。如图2所示为均衡快速插接头。

图2 均衡快速插接头

3.3 Pack内大电流均衡单元

首先，储能系统蓄电池在成组过程中虽然生产工艺完全相同，并进行了筛选分容，但容量也不会绝对相同。

其次，虽然电池系统的热管理可以将电池温度控制在最佳温度附近，但无论空调和风机控温能力多强也很难保证所有的电芯温度完全相同。

不同的温度下电化学反应速度不同，在宏观上表现为容量各不相同。因此在充放电过程中出现部分电芯由于极化电阻，率先进入电压迅速变化期，导致“过充保护”或“过放保护”发生。容量较小的电芯极化现象使其衰减速度上升，容量变得更小，从而加剧了不均衡状态，形成恶性循环。最后会出现如图3电池容量不均衡需均衡情况，其中在d、e、f三种情况下，如果不能及时进行均衡，偏差将会越来越大。

图3 电池容量不均衡需均衡的情况

均衡目标是SOC，不是电压均衡。由于Pack内部电芯均处于串联状态（并联部分无法监控，故将多电芯并联看作一个大电芯），其中一两个电芯的电压偏高或偏低对外电路没有影响。实际由于种种原因，如连接电阻、电池内阻等，会导致电芯电压出现偏差，这个偏差较小，但将多个电芯放在一起比较就比较明显，LFP电池SOC在20%~80%电压表现相差很小；实验表明，电压“偏低”的电芯SOC不一定偏低。这也是基于电压的均衡方式几乎均以失败告终的原因。

图4 电芯不均衡时充放电示意图

均衡的主要目的是SOC均衡，如图4所示，因此，均衡设计步骤要点如下：

1. 
   

2. 读取BMS中充放电历史数据；

3. 寻找出放电曲线中第一个进入保护电压的电芯（并）；

4. 计算每个电芯的△Q，如果所有的△Q < 0.1Ah，则进入第7步，否则计算相对于先后达到相同的数值的电芯的电量差；

图5 均衡电芯选择数据

4. 
   

5. 根据△Q计算均衡所需的时间；

6. 打开均衡电路对进行时长为均衡；

7. 延时到一个充放电循环完成，当△Q < 0.1Ah进入第7步，否则重复1~5步；

8. 结束均衡。

3.4 电池簇内Pack间均衡

Pack容量一般为10KWh左右，电压不高于50V，2A的均衡电流，故DC/DC功率约100W。采用120W隔离型宽电压双向DC/DC器件作为主均衡模块，输入电压为600~1200V，输入电流为200mA；输出电压为18~75V可调，输出电流为2000mA。

采用双MOS管作为开关，防止开关过程接弧，实现Pack间快速切换。

均衡算法与Pack内算法相同，可控制高压箱，实现电池簇的快速并入与切离。

均衡原理如图6所示：

图6 Pack间均衡原理图

首先，找到Pack间SOC最大的Pack，标记为PackH；其次，找到Pack间SOC最小的Pack，标记为PackL；如果需要均衡，则可参考如下设计步骤进行：

（1）由运行数据诊断器向运维人员发送PackH和PackL的位置及均衡时长，并发出“均衡请求”；

（2）运维人员将工具输入输出两端分别接入PackH和PackL；

（3）设置好均衡时长，确认启动均衡；

（4）均衡结束后Pack间大电流均衡单元自动停止运行，并向运行数据诊断器发送“均衡结束”状态字；

（5）运行数据诊断器根据均衡结果自动调节计算参数。

4 结语

针对储能电站发展趋势及储能电站运维的特点，文章提出了一种外挂式储能电站智能运维系统设计方案，并对其实施的关键技术研究内容作了阐述，为实现储能电站的智能运维提速降费提供又一个参考路径。

参考文献：

[1]佚名. 日本东京大学开发出锂离子电池高浓度电解液[J]. 电源技术, 2014(11).

[2]佚名. 美科学家研制会呼吸的电池:转换率近100%[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2014, 32(5):1.

[3]冯彩梅, 张晓虎, 陈永翀,等. 新型电化学储能技术:半固态锂电池[J]. 科技通报, 2017, 33(8):9.

[4]佚名. 储能技术研究获突破,有机液流电池面世[J]. 新能源经贸观察, 2019.