基于新型功率架构的退役动力电池储能系统在配网中的应用

谭志龙，刘涛，刘俊峰

（云南电力技术有限责任公司，昆明 650217）

0 前言

随着全世界石油资源的逐渐枯竭和电池技术的进步，电动汽车开始在全国乃至全世界范围内逐渐推广应用，然而应用于电动汽车的动力电池的性能随充放电次数的增加而衰减，当动力电池SOC 下降到原来的80%时，将无法满足电动汽车严苛的使用要求。随着电动汽车保有量的持续增加，在未来几年将有大批车用动力电池达到使用寿命而退役，现有的拆解回收无法充分利用其残余价值。然而应用于配电网中的电化学储能系统应用场景较为温和，对电池的性能要求较低，将退役电池梯次利用于配网的储能系统是充分挖掘其残值的好方法，国内外也展开相关的研究，国际上的储能技术以特斯拉的Powerpack 最为热门，我国的比亚迪新能源、阳光三星电源、中行锂电等也进行储能电站系统的研发，推出多种类型的电化学储能产品[1-6]，但是现有的技术方案对退役电池一致性要求高，测试和筛选成本高，存在整体转换效率较低和BMS 系统技术复杂的问题，无法实现真正意义上的梯次利用，因此如何实现退役电池真正的梯次利用是亟待解决的关键问题。

1 梯次利用退役电池的现状

电化学储能系统在配电网中可以对配变削峰填谷、作为应急电源紧急供电，保障配网供电可靠性，同时可以解决配网中配变三相不平衡、低电压和谐波污染等电能质量问题，但是锂电池高昂的价格是该技术推广应用的瓶颈，梯次利用退役动力锂电池是打破价格瓶颈的方法，国内外学者对该领域争相研究。

美国能源部阿贡国家实验室（ANL）研究量化评估了退役电池的储能容量衰减规律；美国Sandia 国家实验室（SNL）分析了退役动力电池的再应用成本，并构建了相应的经济性分析模型，发现决定其应用效果的关键因素包括电池模组的标准化、重组电池模块的人力成本、电动汽车用户参与电池二次利用的激励机制和电池容量保持率状态预测精度。2016 年9 月特斯拉推出了其第二代Powerpack 储能解决方案，并在18 个国家布署了近300 MWh 的特斯拉电池。特斯拉的储能功率变换架构中电池均由小容量的18650 电池单体组成，其单个电池模组的额定电压仅为48V，需要通过一级隔离型DC/DC 变换器将电压升至储能变流器的直流侧几百伏的直流电压电压，由于DC/DC 模块变比较大，导致损耗严重，整个系统的能量循环效率大为降低。此外特斯拉第二代Powerpack 储能系统电池的串并联规模较大增大，使得BMS结构复杂并且在电池模组的成本当中占据了相当的比重。

我国科研技术人员也紧跟国际形式和国内需求，进行储能电站系统的研发，比如比亚迪新能源公司等陆陆续续研发出各种类型的电化学储能产品，形成光伏、储能等智能微网一体化的产品，并有很多实用化的应用案例，国网河南电力公司和南瑞集团于2014 年8 月在河南建成退役动力电池储能示范工程，该工程位于郑州市尖山真型输电线路试验基地，是国内首个真正意义上的基于退役动力电池的混合微电网系统。当前国内主流的储能系统解决方案如图1 所示，其直流母线的电池均由多个电池单体串联，以得到较高的直流母线电压，电池组串进行大规模并联得到较大的等效电池容量，通过大功率AC/DC 变流器并网。这种架构中单个电池串有数百个电芯组成，对电池的一致性要求较高。而当前市面上的电动汽车型号繁多，不同车型的动力电池标准与容量不一，即使是同一车型，退役的动力电池也会拥有不同的健康状况与剩余容量。当前一种解决方案是将电池单体进行拆解、筛选与重组，测出电池的容量、欧姆内阻、极化内阻、自放电值等数据，并利用加权k-means 聚类方法，将整体一致的电池编为一组，但是该方法测试和筛选工作量较大，淘汰率大，整体成本已接近购置新电池，实际中无法实施。另一方案是依靠昂贵的主动均衡电路来保持电池的一致性，以省去电池成组时测试和筛选的繁杂工序。但对于混搭储能的退役电池模组而言，其容量等特性的差异远远超过主动均衡电路的输出能力，在实际应用中无法实现。

综上所述，目前退役动力电池梯次利用过程中存在转换效率低、测试筛选成本高和BMS系统复杂的问题，无法实现退役电池组的自由混搭，导致梯次利用缺乏实际可操作性。

图1 国内主流厂商的储能系统拓扑图

2 新架构的退役电池储能系统

对于当前退役电池梯次利用中存在的问题，提出一种能够减小退役电池颗粒度、提高整体转换效率和简化BMS 系统的一种新型储能系统架构，新架构能实现不同厂家不同状态的退役动力电池的真正意义上的梯次利用。

2.1 储能系统新架构拓扑

新型储能系统拓扑如图2 所示。统包括交流配电网、配电网变压器、配电网断路器、本地负荷、控制调度中心和储能系统，储能系统包括断路器、变压器、储能变流器（PCS）、AC/DC 变换器和储能电池组。该架构采用多个AC/DC 变换器采用共交流母线的结构，每个AC/DC 变换器下面接一组特性基本一致的储能电池，但是每个AC/DC 变换器所接的储能电池组之间可以存在SOC 或者容量上的差别。该储能系统架构与国外技术相比，仅有一级AC/DC 功率变换，转换效率高于特斯拉等公司的二级功率变换。与国内主流的储能系统相比，从结构上将1 个大功率PCS 变成在每个电池串和交流母线之间多个AC/DC 模块，具有以下优点：①即使每串电池端电压不同，也可通过调节AC/DC 模块，让每串电池组并联在交流母线上运行，即性能和容量不同的电池串可以混合使用；②可通过控制系统调节每个AC/DC 模块变比，保证每串电池组输出到交流母线电压基本一致，本质上消除各串之间的环流，不依赖BMS 中复杂的能量均衡系统，大大简化BMS。但是此种架构也有自身的局限性，要求直流侧电池组的电压应至少高于600 V，与国内主流的电池组端电压相当。

在整个系统运行时，一般由交流配电网给本地负荷供电，储能系统可以根据主动配电网中控调度系统的指令输出或吸收有功功率和无功功率，实现无功补偿或者削峰填谷的功能；当交流配电网发生故障时，配电网断路器断开，储能系统可以运行在应急电源模式，为本地负荷紧急供电。

图2 新型储能系统拓扑图

2.2 新型储能系统硬件电路

新型储能系统硬件电路如图3 所示。储能系统通过交流断路器与本地负荷相连，d/Yn11型号的升压变压器低压侧与交流母线相连，每串电池组通过AC/DC 变换器与交流母线相连，AC/DC 变换器采用三相三桥臂两电平（或三电平）拓扑结构，其中AC/DC 的交流滤波器部分可以采用LCL 型滤波器可将变流器开关频率成分的高频谐波滤除[7]，AC/DC 经过滤波后与交流缓冲电路相连，缓冲电路可以在合闸时抑制浪涌的冲击。配电网通过静态开关为本地负荷供电，根据配电网运行需要，通过并网断路器向配网中注入有功、发出（或吸收）无功功率进行无功补偿，改变三相输出电流治理三相不平衡或作为谐波源治理配网谐波污染，当配网发生故障时，静态开关可以快速断开为配网应急供电。

图3 新型储能系统硬件电路

2.3 新型储能系统削峰填谷控制策略

梯次利用退役动力电池的储能系统的重要的功能之一就是削峰填谷，平滑配网中配电变压器负荷曲线，PCS 具有双向潮流控制能力，当配变负载过大时，PCS 作为逆变器将退役电池电能上传到电网，减小配变负载率，当配变轻载时，PCS 作为整流器将电网富裕电能存储到退役电池中，使配变始终运行在经济容量。在紧急的情况下，它也可以为局域配网提供紧急功率和峰荷的电力支持，并作为智能电网一个坚强的支撑节点，有效地保障智能电网的稳定运行。新型储能系统削峰填谷控制流程如图4 所示。削峰控制策略的原则是“待机电池组优先，剩余电量多的电池组优先”，填谷控制策略的原则是“待机电池组优先，剩余电量少的电池组优先”。

图4 新型储能系统削峰填谷控制流程

图4 中，S 为配变当前负载；S0为配变满载定值；S1为配变空载定值；S2（i）为第i 串电池组当前容量；S3（i）为第i 串电池组剩余容量定值；S4（i）为第i 串电池组满容量定值。

当配变当前负荷高于S0 时，判定配变峰值出现，首先将待机的PCS 按照容量从大到小排序并对电池组编号1，2，.......，m，优先释放剩余容量较多的电池组电能，若1 号PCS 电池组容量超过该串电池组剩余容量定值，则发出放电指令，随后循环到下一PCS 放电，当每个电池组实际容量小于等于该串电池组剩余容量定值时，停止放电。

充电过程与放电过程控制策略类似，当配变当前负荷低于S1 时，判定配变谷值出现，首先将待机的PCS 按照容量从小到大排序并对电池组编号1，2，.......，m，优先充剩余容量较少的电池组电能，若1 号PCS 电池组容量低于该串电池组满容量定值，则发出充电指令，随后循环到下一PCS 充电，当每个电池组实际容量大于等于该串电池组满容量定值时，停止放电。

3 结束语

本文对国内外梯次利用退役电池的储能系统现状进行分析，总结现有技术存在的不足，提出一种小颗粒度、高转换效率的新型功率架构的退役动力电池储能系统，对系统拓扑结构、硬件电路和控制策略等进行分析，为退役动力电池真正意义上梯次利用提供技术参考。