儲(chǔ)能電站電池一致性綜合評(píng)估方法研究*

靳文濤, 李煜陽, 賈學(xué)翠, 李相俊

[新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司),北京 100192]

0 引 言

近期,國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確了“十四五”及中長(zhǎng)期新型儲(chǔ)能發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù),預(yù)計(jì)到2050年儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將達(dá)3 000萬kW以上,新型儲(chǔ)能將逐步實(shí)現(xiàn)從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展的轉(zhuǎn)變。儲(chǔ)能是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]、促進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、保障我國能源安全的重要裝備基礎(chǔ)和關(guān)鍵支撐技術(shù),是實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵支撐技術(shù)[2],儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的深度和廣度對(duì)新能源的進(jìn)一步發(fā)展起決定性作用[3-4]。

單體電池通過串并聯(lián)的方式[5]實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)從kW級(jí)到GW級(jí)的不斷邁進(jìn),隨著電化學(xué)儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)間逐漸增加,因其能量密度大、電池材料活性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊密等固有特點(diǎn)[6-7],單體電池電壓、容量、溫度逐漸出現(xiàn)差異性[8],其一致性差距逐漸變大,進(jìn)而降低電池組的可用容量和循環(huán)壽命[9],在運(yùn)行及維護(hù)過程中的安全問題是一大難題。

目前,對(duì)電池一致性的研究包含動(dòng)力電池梯次利用[10]、模型仿真[11]、單體電池參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性分析[12-13]等方面,儲(chǔ)能電池一致性表征指標(biāo)方面主要考慮容量、電壓和內(nèi)阻等[14]。文獻(xiàn)[15]以4.5 kW的燃料電池為研究對(duì)象,通過分析特征電流密度來反映單體電池的電壓一致性水平。文獻(xiàn)[16]結(jié)合容量、內(nèi)阻、電壓分布方面定性分析134節(jié)退役動(dòng)力電池一致性,重點(diǎn)研究考慮儲(chǔ)能單元SOC一致性的主被動(dòng)協(xié)同均衡控制方法。

上述多針對(duì)搭建的電池模型或退役動(dòng)力電池,開展一致性定性分析,并未針對(duì)單體電池一致性進(jìn)行總體評(píng)估或定量分析。本文選取某儲(chǔ)能電站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),分析儲(chǔ)能電池不同充放電階段表征單體電池一致性的指標(biāo)變化情況,考慮單體電池極差電壓、電壓標(biāo)準(zhǔn)差、電壓變異系數(shù)、最大溫度、極差溫度等指標(biāo),采用模糊閾值設(shè)置各指標(biāo)權(quán)重,建立基于層次分析法的電池一致性評(píng)估方法,對(duì)儲(chǔ)能電站單體電池一致性狀況進(jìn)行定量標(biāo)定。

1 儲(chǔ)能電站電池一致性表征

儲(chǔ)能電站一般由多個(gè)MW級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)組成,儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由2個(gè)或多個(gè)500 kW的儲(chǔ)能子系統(tǒng)并聯(lián),儲(chǔ)能子系統(tǒng)由若干個(gè)電池簇(SBMU單元)并聯(lián),而每個(gè)電池簇由若干單體電池通過串并聯(lián)構(gòu)成,儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)前世界電化學(xué)儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),但電站安全運(yùn)行壓力和安全隱患明顯增加,引起了社會(huì)強(qiáng)烈關(guān)注。2019年,美國亞利桑那州的電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。期間,亞利桑那州儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故時(shí)間軸示意圖如圖2所示。

圖2 亞利桑那州儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故時(shí)間軸示意圖

該事故發(fā)生初期儲(chǔ)能電站15號(hào)電池簇的2號(hào)模組中7號(hào)單體電池電壓由4.06 V下降了0.24 V,對(duì)應(yīng)電池簇的總電壓下降3.8 V,10 s之后電池簇后部的溫度開始升高。

繼韓國LG化學(xué)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)起火、北京某光儲(chǔ)充項(xiàng)目中儲(chǔ)能電站爆炸事故后,7月30日,位于澳大利亞維多利亞州、特斯拉旗下最大的儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi),大火持續(xù)3天,直至8月2日,當(dāng)?shù)卣判蓟饎?shì)得到控制。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),近10年全球發(fā)生的三十多起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故,其中有21起發(fā)生在儲(chǔ)能電站充電中或充電后休止中。

結(jié)合目前儲(chǔ)能電站事故時(shí)儲(chǔ)能所處運(yùn)行工況,儲(chǔ)能電站運(yùn)行中需重點(diǎn)關(guān)注的時(shí)間段為電池充電過程及充電后的靜置時(shí)間段。本文選取主要儲(chǔ)能電站單體一致性的表征分析對(duì)象為單體電池溫度和電壓,通過開展儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估,為其安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

2 儲(chǔ)能電站電池一致性評(píng)估指標(biāo)

基于層次分析法的一致性綜合評(píng)估方法模型由目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層構(gòu)成,指標(biāo)包含單體平均電壓、單體極差電壓、單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差、單體電壓變異系數(shù)、單體極差溫度、單體最大溫度。儲(chǔ)能電站單體電池一致性評(píng)估模型如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能電站單體電池一致性評(píng)估模型

(1) 極差電壓Δuk:極差電壓值越大單體電池間的一致性越差,計(jì)算方法為

Δuk=uk_max-uk_min

(1)

式中:uk_max、uk_min——k時(shí)刻各單體電池的最大電壓和最小電壓值。

(2) 電壓標(biāo)準(zhǔn)差SD:用于統(tǒng)計(jì)當(dāng)前時(shí)刻各單體電池在與平均電壓間的偏差程度,該值越大單體電池間的電壓離散程度越大,計(jì)算方法為

(2)

式中:ui——編號(hào)為i的單體電池電壓;

n——單體電池?cái)?shù)。

(3) 電壓變異系數(shù)CV:反映單體電壓數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值,其數(shù)據(jù)大小不僅受電壓值離散程度的影響,而且還受電壓平均水平大小的影響。

(3)

(4) 單體極差溫度ΔTk:極差溫度用于判斷同一時(shí)刻各采集點(diǎn)間的溫度偏差情況。

ΔTk=Tk_max-Tk_min

(4)

式中:Tk_max、Tk_min——k時(shí)刻所有采集點(diǎn)中單體電池的最大、最小溫度值。

3 儲(chǔ)能電池一致性評(píng)估模型

準(zhǔn)則層指標(biāo)包含平均電壓(指標(biāo)1)、極差電壓(指標(biāo)2)、電壓標(biāo)準(zhǔn)差(指標(biāo)3)、電壓變異系數(shù)(指標(biāo)4)、極差溫度(指標(biāo)5)、最大溫度(指標(biāo)6)。對(duì)6個(gè)指標(biāo)因素間的重要程度進(jìn)行比較,結(jié)合九級(jí)標(biāo)度法構(gòu)建比較矩陣,Aij為指標(biāo)i與指標(biāo)j重要性比較結(jié)果。

(5)

結(jié)合現(xiàn)有單體電池一致性狀態(tài)劃健康、亞健康、嚴(yán)重、惡劣4個(gè)類型[17],考慮儲(chǔ)能電站單體電池的一致性指標(biāo)閾值的統(tǒng)計(jì)特性,儲(chǔ)能電站電池一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)參量如表1所示。

表1 儲(chǔ)能電站電池一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)參量

(6)

計(jì)算各單體電池指標(biāo)判斷矩陣的特征向量BW和各準(zhǔn)則矩陣的最大特征根λ。

(7)

式中:k——特征相量行數(shù);

W——各準(zhǔn)則判斷矩陣的特征向量。

計(jì)算k時(shí)刻的單體電池電壓一致性指標(biāo)γk為

γk=∑λi·Wi

(8)

考慮各指標(biāo)閾值范圍,利用本文結(jié)合層次分析法的單體電池一致性綜合評(píng)估模型,算例單體電池一致性系數(shù)結(jié)果范圍為0≤γk≤0.5。

4 儲(chǔ)能單體電池一致性評(píng)估分析

選取數(shù)據(jù)來源儲(chǔ)能電站的10#集裝箱,其中兩個(gè)500 kW×2 h的儲(chǔ)能子系統(tǒng)分別由6個(gè)電池簇并聯(lián)組成。每個(gè)電池簇由14串×16并的3.2 V/250 Ah磷酸鐵鋰單體電池組成,500 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)各電池簇單體典型日電壓曲線如圖4所示。

圖4 500 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)各電池簇典型日單體電壓曲線

由圖4可知,電池簇內(nèi)各單體電池電壓有一定的變化,簇間單體電池電壓的整體變化趨勢(shì)保持一致。以SBMU1簇內(nèi)單體電池為例,典型日起始、結(jié)束時(shí)刻各單體電池電壓曲線如圖5所示。

圖5 典型日起始、結(jié)束時(shí)刻各單體電池電壓曲線

各時(shí)刻單體電池電壓隨電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行,存在整體偏移,且同一時(shí)刻各單體電池間的電壓不一致情況存在較大差異性。結(jié)合樣本儲(chǔ)能電站一充一放的工況特性,將各天數(shù)據(jù)分為電池充電前的靜置階段(工況a)、充電階段(工況b)、充電后的靜置階段(工況c)、放電階段(工況d)、充電后的靜置階段(工況e)5個(gè)工況數(shù)據(jù)段,分析不同充放電工況下單體電池極差電壓變化情況。選取2019.06.06電池簇1#的數(shù)據(jù)為例,各充/放電階段單體電池極差電壓變化曲線如圖6所示。

圖6 各充/放電階段單體電池極差電壓變化曲線

分析6個(gè)電池簇,各階段充/放電工況的單體電池極差電壓的最大、平均、最小值變化情況。各充放電工況階段極差電壓最大值、極差電壓平均值、最大電壓標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 各充放電工況階段極差電壓最大值曲線

圖8 各充放電工況階段極差電壓平均值曲線

圖9 各充放電工況階段最大電壓標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線

由圖7～圖9可見,在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行不同充放電階段,單體電池極差電壓、電壓標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢(shì)不一致,其中放電階段單體電池的極差電壓、電壓標(biāo)準(zhǔn)差較其他階段變化大,其次為放電后的靜置階段。

各充放電工況階段最大極差溫度變化曲線如圖10所示。

圖10 各充放電工況階段最大極差溫度變化曲線

各階段單體電池平均溫度變化曲線如圖11所示。由圖11可見,在5種不同充放電工況下,SBMU1～SBMU6單元的各單體電池的平均溫度變化較明顯,充/放電階段單體電池溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),充/放電靜置階段各單體電池溫度隨時(shí)間及散熱環(huán)境影響呈逐漸下降趨勢(shì)。

圖11 各階段單體電池平均溫度變化曲線

結(jié)合層次分析法分析典型日各時(shí)刻單體電池一致性綜合評(píng)估結(jié)果,典型日各時(shí)刻單體電池一致性系數(shù)曲線如圖12所示。

圖12 典型日各時(shí)刻單體電池一致性系數(shù)曲線

單體電池一致性水平受電池運(yùn)行工況的影響,其一致性水平不同。由圖12可知,該典型日的單體電池一致性系數(shù)最大值為0.360 2,最小值為0.244 0,在放電階段各單體電池一致性系數(shù)較低。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),分析單體電池各充放電階段的多指標(biāo)變化,提出了結(jié)合層次分析法的儲(chǔ)能電站電池一致性平價(jià)模型,通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析,得出如下結(jié)論。

(1) 構(gòu)建的電池一致性評(píng)估方法綜合評(píng)估指標(biāo)模型中,考慮單體電池平均電壓、單體電池極差電壓、電壓標(biāo)準(zhǔn)差、電壓變異系數(shù)、極差溫度、單體最大溫度的典型指標(biāo),該方法可以更加準(zhǔn)確地反映單體電池的一致性程度,避免了分級(jí)評(píng)估的不統(tǒng)一性和粗放性。

(2) 結(jié)合儲(chǔ)能電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采用文中評(píng)估方法驗(yàn)證,儲(chǔ)能電站電池一致性較差的時(shí)間段為電池充電后的靜置和充電階段,明晰儲(chǔ)能電站電池一致性系數(shù)較低時(shí)刻為單體電池安全隱患重點(diǎn)關(guān)注時(shí)刻,此時(shí)需采取合理的措施提高儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行。

(3) 本文構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系是進(jìn)行儲(chǔ)能電站運(yùn)維評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),可應(yīng)用于儲(chǔ)能電站現(xiàn)有運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)中;通過修正各指標(biāo)閾值取值和模型指標(biāo)矩陣,進(jìn)而明晰各單體電池指標(biāo)一致性系數(shù)的合理取值區(qū)間,滿足工程應(yīng)用需求。