1、梯次利用电池在微电网中的应用一二三四五背景介绍梯次利用电池的分选、重组技术梯次利用电池的均衡控制技术梯次利用电池在微电网中的应用展望国家能源产业政策的密集出台，大力推动了我国分布式电源的迅猛发展，分布式电源高渗透率、大规模接入配电网已成必然趋势开展分布式光伏发电示范区建设的通知-国能2013关于促进分布式可再生产业健康发展的若干意见-国发2013关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知-国能 2014微电网的提出：由分布式电源、储能设备、可控负荷及电力电子变流器等构成的局部电网，既可以并网运行，也可以孤岛运行。现有电力网络难以承受大规模分布式电源的并网，为了保证大电网的安全稳定、分布式电源潜
2、能充分释放和发挥。储能光伏风机负载分布式发电：分布式发电：有利于一次能源的多元化发展可再生能源，减少排放污染提高能源综合利用效率提高电网供电安全、可靠性背景介绍提高抗灾能力及应急供电新农村电气化最大化接纳分布式电源节能降耗、提高能效智能电网的有机组成部分满足用户多类电能质量需求背景介绍背景介绍储能在微电网中的应用平抑可再生能源波动改善电能质量提供短时供电能量优化调度背景介绍储能类型比容量（Wh/kg）比功率（W/kg）成本（$/kW/yr）寿命/次（放电深度80%）飞轮40230510340801046104铅酸电池3550753002521025103钠硫电池1502409023085x t
3、itle)Ramp Rate (kW/min)Pv1Pv2波动上界波动率分析Pv2（阴天）的波动带宽远远小于Pv1（多云），Pv2的RampRate基本上都满足要求，而 Pv1的RampRate一直延伸至12kW/min，大于自身容量的10%（40kW）。因此，Pv2基本上不需要进行补偿，而Pv1需要补偿以减少其对电网频率及电压的影响。由于爬坡率具有统计特性，故采用爬坡率的累计分布函数（CDF）来作为衡量整体波动性能的指标。从CDF图中可以看出，平抑前有大约10%的波动大于4kW/min，平抑后，基本上全部小于2kW/min，满足要求。自适应功率分配并网下，多组储能PCS均运行于P/Q控制模式
4、，接收上层能量管理器功率指令PvvvPpv+-PreKErefGnPerror+-PoEo滑动平均滤波模块滑动平均滤波模块死区模块死区模块变流器控制模块变流器控制模块+-系系统统总总体体控控制制框框图图通过滑动平均滤波，保证注入电网的目标功率满足爬坡率要求，由储能承担平抑可再生能源波动。19Moving average+-PPpvPsmoth3.83.853.93.9544.054.14.154.24.254.346810121416182022BW=200BW=400BW=600Ppv滑动平均算法滑动平均算法滑动窗对平抑效果的影响滑动窗对平抑效果的影响滑动平均算法为储能系统提供P，即采用了滑
5、动平均对原始输入功率进行平滑，并将平滑后的功率作为注入电网的目标功率，显然，混合储能系统将承担两者相减的功率，如式：PVsmoothPPP从上图中可以看出，当BW变大时，输出曲线的平滑程度越好，混合储能的输出功率就越大，对储能蓄电池的寿命将会有较大的影响。在实际应用时，应该综合考虑电网可以承受的爬坡率，并根据储能的利用情况选择合适的BW。控制参数优化综合分析不同参数对不同指标的影响关系及程度。如左二图所示如左二图所示，采用采用超立方采样超立方采样技 术技 术 （ L a t i nH y p e r c u b eSampling ，LHS)，对控制参数在所对控制参数在所给范围内独立采给范围内
6、独立采样样，并生成并生成300次次试验值试验值，记录指记录指标标。性能评价指标SOC运行范围平抑后效果电池寿命逆变器容量评价指标根据储能系统的四个性能评价指标，对控制参数进行优化，得到最优的功率分配系数Ga。实现平抑效果好，经济效益高的综合目标。SOC_refSOCmaxSOC=0SOC_up可运行范围可运行范围自由区域制动区域SOC_downSOCmin为了防止储能过冲过放，采用自适应反馈系数调整，从而调节SOC在规定的范围内。把储能的SOC分成自由区域和制动区域。SOC分区If socsoc_up|socsoc_upIf soc0 If P0If d( P)/dt1，储能在微电网中运行可以
7、获益约束条件约束条件minmaxSOCSOCSOC0(tT)SOC tSOC _t-1_t-1 batminbatbatmaxPSOCPtPSOC 储能单元超短时优化策略得到的充放电功率上下限， 储能一天的运行状态约束，便于管理维护 储能单元中短期优化得到的荷电状态上下限约束储能全寿命评估模型储能全寿命评估模型电池健康度SOH累计损伤Damage SOH的评估周期较长 累计损伤是放电深度(DOD)的函数11miiDamageC DOD 电池充放电深度小，对应的可循环次数较高，对电池的损伤也较小；反之，对应的循环次数减小，对电池的单次损伤也较大。 随着电池反复的充放电，电池的累计损伤逐渐增大，体
8、现出电池寿命的衰减。储能全寿命优化模型储能全寿命优化模型基于DOD反馈（中短期）充放电特性优化基于SOC反馈（超短期）充放电特性优化SOCP/kW10SOClowSOChighSOCminSOCmaxPcPdisPdis,maxPdis,ratedPc,maxPc,rated12345FULLHighNormalLowLimitSOCmaxSOChighSOClowSOCminSOC划分工作区域基于SOH/Damage反馈模糊控制储能充放电特性，制定放电深度决策表SOH1234Damage4321DOD0.70.60.50.4DOD（电池充放电深度）与与 SOH（电池健康度）有关有关对旧电池的
9、实际放电深度重新计算对旧电池的实际放电深度重新计算旧电池SOHDODs传统传统方法方法全寿命优化全寿命优化对各个储能单元缺乏区分优化，新旧电池的可放电深度预设值DODnew=DODold=DODs对各储能的寿命评估模型分别进行评价，优化得到的可放电深度预设值DODnewDODold 对于旧电池，利用储能全寿命优化策略得到的电池放电深度和单次损伤都低于传统方法，这体现出对旧电池的合理利用 对旧电池的单次损伤比新电池小，这体现出对旧电池运行维护的合理性。而传统方法旧电池的单次损伤大于新电池，进一步加剧旧电池的损耗。SOC1旧电池的荷电状态SOC2新电池的荷电状态储能荷电状态曲线图均可以表明，新电池
10、的放电深度大于旧电池的放电深度，这体现了考虑电池新旧程度（SOH）的放电深度优化，体现了对旧电池的合理维护和利用。PV SystemDistribution GridFuel CellPEI3PEI1PEI2PEI4PEI5PHEV BatteryPEI6Wind TurbineBattery System由于没有配电网的支撑，因此需要选择储能作为主电源或者多个储能共同做主电源承担功率。一）主从控制方式 混合储能高于单一储能（实现功能多样性） 容量大的储能高于容量小的储能（维持系统安全稳定） 新电池高于梯次利用电池（提高调节性能）主电源的主电源的确定确定3组储能参数确定优先级储能1最高；储能2
11、次之；储能3最低；确定分配系数1230.65220.21740.1304kkk组成单元组成单元额定容量额定容量（kWh）额定功率额定功率（kW）SOH储能储能1（H1）电池（新）150501.0超级电容0.01150/储能储能2（H2）电池（旧）150500.867储能储能3（B3）铅酸蓄电池30301.0MainGridMGCCU2VAVA#1#21 MVA0.4 kV / 10 kV4 ohmGraphPageBRK1PV (40kWp)#1#21.25 MVA0.4 kV / 10 kV4 ohmVA复合储能2SC#1#20.5 MVA0.4 kV / 0.4 kV0.035 MVARV
12、AP+jQP+jQP+jQP+jQVAVAVAVABRKB#1#20.5 MVA0.4 kV / 0.4 kV30kW电池VA#1#20.5 MVA0.4 kV / 0.4 kVBATTERYSC复合储能1BRK3Load1Load2BRK4BRK2Load3Load4BRK5BRKPVBRKH2BRKH1VAVAPCCU1BRK64 ohm4 ohm4 ohmBATTERY无功补偿光伏电池40kW、风机10kW单一储能30kWh、复合储能均为150kWh4回负荷共100kW研究实例图3 负荷变化波形图4 光伏发电单元输出功率波形图1 系统频率波形图2 系统电压标幺值波形t/s0 10 20
13、30 40 50 60 49.50 49.75 50.00 50.25 50.50 频率 (Hz)t/s0 10 20 30 40 50 60 0.900 0.950 1.000 1.050 1.100 标幺值t/s0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P(kW)Q(kVar)PQ0 10 20 30 40 50 60 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 P(kW)Q(kVar)t/sPQ图5 储能单元输出功率曲线0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 3
14、0 40 50 60 70 P(kW)t/sH1H2B3H1H2B3图6 H1功率分配波形结论系统电压、频率维持恒定各储能按照性能不同承担不同功率缺额；混合储能内，电池输出功率变化平缓0 10 20 30 40 50 60 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 Q(kVar)t/sH1H2B3H1B3H20 10 20 30 40 50 60 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 BSCP(kW)t/sBSC二）对等控制方式 对等控制无需通信环节，也无需确定储能的优先级，实施简单、经济节约、可靠性及可扩展性好。 但是，由于只有
15、本地信息，对等控制无法确定下垂系数间的相对大小，无法实现含梯次利用电池系统的最优运行。 通过分布式二次调节手段，实时迭代更新下垂系数，使得新旧电池能均衡出力，保证系统性能最优，同时保持较高的可靠性。FC1FC2FC3Ba1Ba2Agent1Agent2Agent3Agent4Agent5Load1Load2Load3Load6Load5Load4DC bus 2DC bus 3GCC AgentPower LineCommunication LinkPIPrefPsen+-0GCMIMGCC AgentPVPI+-0GCMIMDG AgentPVUoP0 or V0P0 or V0UaveIn
16、formation Consensus NetworkCurrent Consensus NetworkP or V Uo IoVirtual Resistance in Primary ControlRdT0Process of Average ConsensusT0T0+T T0+NT分布式二次调节策略储能单元输出功率变化曲线结论在二次调节的基础上，微电网能运行稳定各储能按照性能不同承担不同功率缺额；0 10 20 30 40 50 60 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 P(kW)H1H2B3t/sH1H2B30 10 20 30 40
17、 50 60 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 Q(kVar)H1H2B3t/sH1H2B30 10 20 30 40 50 60 49.50 49.75 50.00 50.25 50.50 频率(Hz)t/s0 10 20 30 40 50 60 0.900 0.925 0.950 0.975 1.000 1.025 1.050 1.075 1.100 标幺值t/s系统频率、电压变化曲线其他功能电能质量复合控制储能设备对分布式发电带来的电能质量问题进行主动治理，以达到提高整个系统稳定性、保证给负荷提供优质电能质量的目地，实现系统高效、稳定运行。
18、储能系统DCAC配网电网信号监测V、I测量控制方式切换运行模式切换主控制器光伏风机负荷1负荷2蓄电池负荷3静态开关PCC1km1km1km2km1km主并联逆变器 借鉴统一电能质量调节器（UPQC）的结构，构造基于储能的复合电能质量控制装置，即将储能接在直流侧，通过串、并联逆变器结构完成馈能与电能质量治理任务。储能MPPT主逆变器控制副逆变器控制本地负载配电网逆变器并网有功输出谐波治理无功补偿串补逆变器电压暂降补偿隔离网侧电压扰动功率因数校正谐波电压抑制0.190 0.210 0.230 0.250 0.270 0.290 -0.0250 -0.0200 -0.0150 -0.0100 -0.
19、0050 0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 kAIgACSILNIgPCCIwIw2ILL 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0 10 20 30 40 50 60 70 a 相畸变率loadNa 相畸变率gACS 0.090 0.110 0.130 0.150 0.170 -0.0150 -0.0100 -0.0050 0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 kAIgACSILNIgPCCIwIw2ILL0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 10.0 15.0 20.
20、0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 a 相畸变率loadNa 相畸变率gACS电源电流、负载电流、补偿电流储能在PCC点处做APF储能在PCC点处做PQ+APF控制配网电流配网电流装置电流装置电流A相电源和非线性负载电流畸变率0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 0.940 0.950 0.960 0.970 0.980 0.990 1.000 电压标幺值UgACSrms-0.0010 0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080 0.
21、0090 MWQgACSQw0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 0.940 0.950 0.960 0.970 0.980 0.990 1.000 电压标幺值UgACSrms-0.0010 0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 MWQgACSQw在配网有轻微电压暂降时，综合控制装置利用储能增发无功，协助配网保持电压稳定。无功支撑后的电压暂降得到改善没有无功支撑时的电压及配网无功功率1、百千瓦级退役电池风光储微电网示范工程分布式电源
22、分布式电源主要性能主要性能容量容量风力发电机风力发电机垂直轴微风风力发电210 kW光伏发电光伏发电单晶透光光伏50 kW储能系统储能系统移动式储能100kW/140kWh2、百千瓦级退役电池储能系统 储能系统：100kW/140kWh。 储能电池组规格：768V180Ah。电池系统由40个Pack组成，每个Pack串联6个180Ah的电池模块，并配套电池管理系统及高压控制部件。 电池分选标准：选用4A级退役电池（标称容量为20Ah）。 电池配组标准：容量差5%，内阻差0.2m，均压差50mV，搁置后压差50mV，恒流比差2%，3.0V平台差2%，3.1V平台差3%。 电池管理系统：基于智能分
23、时的电池主动和被动均衡管理系统。3、示范工程实验验证并离网切换均衡效果孤岛运行4、电池组性能验证 运行半年后进行数据分析，发现所有共计216支电池中电压低于3.200V的共计7支，电压位于3.200V到3.226V这个区域的数量有31支，电压位于3.226V到3.251V这个区域的数量占到大多数，有177支。 低于3.2V的电池需更换。5、示范工程效果 示范工程已连续运行了9个多月，累积发电超过20000kWh，目前系统运行状况良好；并网运行时能充分利用风电、光伏能源，给用户带来了实际收益；离网运行时储能系统支撑系统电压，光伏、风机输出能量，并离网切换功能也达到了设计要求；退役电池储能系统运行
24、良好，能量效率90%，动态响应时间200ms，功率转换时间200ms。模块内单体电池间温差3；共计循环100余次，电池储能系统年平均可利用率90%。 动力电池梯次利用在智能电网系统中有相当大的潜力，包括风光储能、智能电网的削峰填谷与频率平衡、偏远地区分布式供电、充换电站储能、家庭电能调节等众多领域。电动汽车淘汰锂离子电池梯次利用于储能系统将大大降低初始投资成本，为电池储能系统的大规模应用创造条件。 现今对于电动汽车用锂离子电池梯次利用的研究，都还处于回收电池的性能评估以及二次利用领域的试验阶段。为了实现梯次利用电池在电网系统中的应用，以下技术问题仍需要进一步的研究。（2）梯次利用电池储能系统的稳定供电技术研究梯次利用电池储能系统内储能变流器在电压源离网模式和电流源并网模式之间进行平稳切换，在切换过程中应保证负载的安全供电以及梯次利用电池储能系统的稳定运行。（3）梯次利用电池电网系统中的电能质量问题研究在非理想电网环境下，通过研究电网谐波与变流器的相互作用，通过储能变流器集成谐波补偿和无功补偿功能等合理的控制方法，提高分布式电源接入的电能质量。给出储能应用条件下梯次利用电池容量、可用功率衰退规律；提出动力电池储能系统的均衡方案；形成动力电池梯次利用经济性分析方法，为动力电池的定价机制提供参考。（1）达到纯电动汽车使用寿命的批量动力电池的筛选机制和评估方法
