储能电站电池一致性综合评估方法研究*

靳文涛, 李煜阳, 贾学翠, 李相俊

[新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京 100192]

0 引 言

近期,国家发展改革委和国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,明确了“十四五”及中长期新型储能发展目标和重点任务,预计到2050年储能装机规模将达3 000万kW以上,新型储能将逐步实现从商业化初期向规模化发展的转变。储能是构建以新能源为主体的新型电力系统[1]、促进能源绿色低碳转型、保障我国能源安全的重要装备基础和关键支撑技术,是实现能源领域碳达峰、碳中和的关键支撑技术[2],储能系统应用的深度和广度对新能源的进一步发展起决定性作用[3-4]。

单体电池通过串并联的方式[5]实现储能系统从kW级到GW级的不断迈进,随着电化学储能电站实际运行时间逐渐增加,因其能量密度大、电池材料活性强、结构紧密等固有特点[6-7],单体电池电压、容量、温度逐渐出现差异性[8],其一致性差距逐渐变大,进而降低电池组的可用容量和循环寿命[9],在运行及维护过程中的安全问题是一大难题。

目前,对电池一致性的研究包含动力电池梯次利用[10]、模型仿真[11]、单体电池参数的统计特性分析[12-13]等方面,储能电池一致性表征指标方面主要考虑容量、电压和内阻等[14]。文献[15]以4.5 kW的燃料电池为研究对象,通过分析特征电流密度来反映单体电池的电压一致性水平。文献[16]结合容量、内阻、电压分布方面定性分析134节退役动力电池一致性,重点研究考虑储能单元SOC一致性的主被动协同均衡控制方法。

上述多针对搭建的电池模型或退役动力电池,开展一致性定性分析,并未针对单体电池一致性进行总体评估或定量分析。本文选取某储能电站历史运行数据,分析储能电池不同充放电阶段表征单体电池一致性的指标变化情况,考虑单体电池极差电压、电压标准差、电压变异系数、最大温度、极差温度等指标,采用模糊阈值设置各指标权重,建立基于层次分析法的电池一致性评估方法,对储能电站单体电池一致性状况进行定量标定。

1 储能电站电池一致性表征

储能电站一般由多个MW级的储能系统并联组成,储能系统通常由2个或多个500 kW的储能子系统并联,储能子系统由若干个电池簇(SBMU单元)并联,而每个电池簇由若干单体电池通过串并联构成,储能系统拓扑结构示意图如图1所示。

图1 储能系统拓扑结构示意图

当前世界电化学储能电站装机容量呈现快速增长的态势,但电站安全运行压力和安全隐患明显增加,引起了社会强烈关注。2019年,美国亚利桑那州的电化学储能电站发生火灾爆炸事故。期间,亚利桑那州储能电站的火灾事故时间轴示意图如图2所示。

图2 亚利桑那州储能电站的火灾事故时间轴示意图

该事故发生初期储能电站15号电池簇的2号模组中7号单体电池电压由4.06 V下降了0.24 V,对应电池簇的总电压下降3.8 V,10 s之后电池簇后部的温度开始升高。

继韩国LG化学光伏储能系统起火、北京某光储充项目中储能电站爆炸事故后,7月30日,位于澳大利亚维多利亚州、特斯拉旗下最大的储能电站发生火灾,大火持续3天,直至8月2日,当地政府才宣布火势得到控制。据不完全统计,近10年全球发生的三十多起储能电站火灾事故,其中有21起发生在储能电站充电中或充电后休止中。

结合目前储能电站事故时储能所处运行工况,储能电站运行中需重点关注的时间段为电池充电过程及充电后的静置时间段。本文选取主要储能电站单体一致性的表征分析对象为单体电池温度和电压,通过开展储能运行状态评估,为其安全稳定运行提供技术支撑。

2 储能电站电池一致性评估指标

基于层次分析法的一致性综合评估方法模型由目标层、指标层和方案层构成,指标包含单体平均电压、单体极差电压、单体电压标准差、单体电压变异系数、单体极差温度、单体最大温度。储能电站单体电池一致性评估模型如图3所示。

图3 储能电站单体电池一致性评估模型

(1) 极差电压Δuk:极差电压值越大单体电池间的一致性越差,计算方法为

Δuk=uk_max-uk_min

(1)

式中:uk_max、uk_min——k时刻各单体电池的最大电压和最小电压值。

(2) 电压标准差SD:用于统计当前时刻各单体电池在与平均电压间的偏差程度,该值越大单体电池间的电压离散程度越大,计算方法为

(2)

式中:ui——编号为i的单体电池电压;

n——单体电池数。

(3) 电压变异系数CV:反映单体电压数据离散程度的绝对值,其数据大小不仅受电压值离散程度的影响,而且还受电压平均水平大小的影响。

(3)

(4) 单体极差温度ΔTk:极差温度用于判断同一时刻各采集点间的温度偏差情况。

ΔTk=Tk_max-Tk_min

(4)

式中:Tk_max、Tk_min——k时刻所有采集点中单体电池的最大、最小温度值。

3 储能电池一致性评估模型

准则层指标包含平均电压(指标1)、极差电压(指标2)、电压标准差(指标3)、电压变异系数(指标4)、极差温度(指标5)、最大温度(指标6)。对6个指标因素间的重要程度进行比较,结合九级标度法构建比较矩阵,Aij为指标i与指标j重要性比较结果。

(5)

结合现有单体电池一致性状态划健康、亚健康、严重、恶劣4个类型[17],考虑储能电站单体电池的一致性指标阈值的统计特性,储能电站电池一致性评价指标参量如表1所示。

表1 储能电站电池一致性评价指标参量

(6)

计算各单体电池指标判断矩阵的特征向量BW和各准则矩阵的最大特征根λ。

(7)

式中:k——特征相量行数;

W——各准则判断矩阵的特征向量。

计算k时刻的单体电池电压一致性指标γk为

γk=∑λi·Wi

(8)

考虑各指标阈值范围,利用本文结合层次分析法的单体电池一致性综合评估模型,算例单体电池一致性系数结果范围为0≤γk≤0.5。

4 储能单体电池一致性评估分析

选取数据来源储能电站的10#集装箱,其中两个500 kW×2 h的储能子系统分别由6个电池簇并联组成。每个电池簇由14串×16并的3.2 V/250 Ah磷酸铁锂单体电池组成,500 kW储能系统各电池簇单体典型日电压曲线如图4所示。

图4 500 kW储能系统各电池簇典型日单体电压曲线

由图4可知,电池簇内各单体电池电压有一定的变化,簇间单体电池电压的整体变化趋势保持一致。以SBMU1簇内单体电池为例,典型日起始、结束时刻各单体电池电压曲线如图5所示。

图5 典型日起始、结束时刻各单体电池电压曲线

各时刻单体电池电压随电池储能系统的运行,存在整体偏移,且同一时刻各单体电池间的电压不一致情况存在较大差异性。结合样本储能电站一充一放的工况特性,将各天数据分为电池充电前的静置阶段(工况a)、充电阶段(工况b)、充电后的静置阶段(工况c)、放电阶段(工况d)、充电后的静置阶段(工况e)5个工况数据段,分析不同充放电工况下单体电池极差电压变化情况。选取2019.06.06电池簇1#的数据为例,各充/放电阶段单体电池极差电压变化曲线如图6所示。

图6 各充/放电阶段单体电池极差电压变化曲线

分析6个电池簇,各阶段充/放电工况的单体电池极差电压的最大、平均、最小值变化情况。各充放电工况阶段极差电压最大值、极差电压平均值、最大电压标准差变化曲线分别如图7～图9所示。

图7 各充放电工况阶段极差电压最大值曲线

图8 各充放电工况阶段极差电压平均值曲线

图9 各充放电工况阶段最大电压标准差变化曲线

由图7～图9可见,在储能系统运行不同充放电阶段,单体电池极差电压、电压标准差变化趋势不一致,其中放电阶段单体电池的极差电压、电压标准差较其他阶段变化大,其次为放电后的静置阶段。

各充放电工况阶段最大极差温度变化曲线如图10所示。

图10 各充放电工况阶段最大极差温度变化曲线

各阶段单体电池平均温度变化曲线如图11所示。由图11可见,在5种不同充放电工况下,SBMU1～SBMU6单元的各单体电池的平均温度变化较明显,充/放电阶段单体电池温度总体呈现上升趋势,充/放电静置阶段各单体电池温度随时间及散热环境影响呈逐渐下降趋势。

图11 各阶段单体电池平均温度变化曲线

结合层次分析法分析典型日各时刻单体电池一致性综合评估结果,典型日各时刻单体电池一致性系数曲线如图12所示。

图12 典型日各时刻单体电池一致性系数曲线

单体电池一致性水平受电池运行工况的影响,其一致性水平不同。由图12可知,该典型日的单体电池一致性系数最大值为0.360 2,最小值为0.244 0,在放电阶段各单体电池一致性系数较低。

5 结 语

本文结合储能电站实际运行数据,分析单体电池各充放电阶段的多指标变化,提出了结合层次分析法的储能电站电池一致性平价模型,通过实际运行数据验证分析,得出如下结论。

(1) 构建的电池一致性评估方法综合评估指标模型中,考虑单体电池平均电压、单体电池极差电压、电压标准差、电压变异系数、极差温度、单体最大温度的典型指标,该方法可以更加准确地反映单体电池的一致性程度,避免了分级评估的不统一性和粗放性。

(2) 结合储能电站现场运行数据采用文中评估方法验证,储能电站电池一致性较差的时间段为电池充电后的静置和充电阶段,明晰储能电站电池一致性系数较低时刻为单体电池安全隐患重点关注时刻,此时需采取合理的措施提高储能电站的安全运行。

(3) 本文构建的评估指标体系是进行储能电站运维评价的基础,可应用于储能电站现有运维平台系统中;通过修正各指标阈值取值和模型指标矩阵,进而明晰各单体电池指标一致性系数的合理取值区间,满足工程应用需求。