慈松*，周楊林，王紅軍，石清良
（清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市 海淀區(qū) 100084）
摘要
儲能系統(tǒng)可以改變電力系統(tǒng)實時動態(tài)平衡特性，已成為智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設的重要支撐。電池儲能技術作為一項復雜系統(tǒng)工程，其研究領域涉及電化學、材料、信息通信技術、電力電子及大規(guī)模復雜系統(tǒng)建模和優(yōu)化等。儲能系統(tǒng)管理需要基于對電池的電化學和材料特性的感知，實現(xiàn)基于模型的高效均衡和控制。然而，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)采用的固定串并聯(lián)連接方式，無法實現(xiàn)電池單體層面的精準檢測和管控，單點故障將極大影響到系統(tǒng)性能，儲能系統(tǒng)能量效率、可靠性和安全性難以保障?；诳芍貥嬰姵鼐W(wǎng)絡的數(shù)字儲能技術通過高頻高效的電力電子半導體器件將電池單體產(chǎn)生的連續(xù)能量流進行離散化和數(shù)字化處理，電池在物理域的映射關系轉(zhuǎn)化為數(shù)字域映射，從而消除電池單體物理和化學屬性所造成的差異性，克服電池系統(tǒng)的“短板效應”，并可通過電池網(wǎng)絡拓撲結構的靈活調(diào)整能力實現(xiàn)與多種應用場景需求的匹配。
關鍵詞 : 數(shù)字儲能系統(tǒng)；大規(guī)模電池儲能；電池梯次利用；通信基站供電
基金項目：國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目“面向 5G 的信息能源融合技術與裝備研制”（5206002000DB）。 Science and Technology Foundation of SGCC(5206002000DB).
0 引言
快速發(fā)展的儲能技術正在逐步改變電力系統(tǒng)即發(fā)即用的實時平衡特性，已然成為智能電網(wǎng)建設中大規(guī)模集中式/分布式新能源接入與利用的重要支撐技術，具有廣闊的發(fā)展和應用前景[1]。縱觀全球能源技術發(fā)展動態(tài)和主要能源大國推動能源科技創(chuàng)新的舉措，綠色低碳是能源技術創(chuàng)新的主要方向，集中在能源互聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模儲能、先進能源裝備及關鍵材料等重點領域?！跋冗M儲能技術創(chuàng)新”是《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》的重點任務，而掌握儲能技術各環(huán)節(jié)的關鍵核心技術是其重要內(nèi)容之一，行動計劃中明確提出發(fā)展目標：研究面向可再生能源并網(wǎng)、分布式及微電網(wǎng)、電動汽車應用的儲能技術，掌握儲能技術各環(huán)節(jié)的關鍵核心技術，引領國際儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年，中國國家發(fā)展改革委、國家能源局等五部門聯(lián)合印發(fā)了《貫徹落實〈關于促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見〉》，制定了“十三五”和“十四五”期間儲能技術的發(fā)展要求，明確提出“十三五”期間中國儲能技術達到國際先進水平，“十四五”期間實現(xiàn)完整的儲能產(chǎn)業(yè)體系及推廣應用[2]。2020年，教育部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《儲能技術專業(yè)學科發(fā)展行動計劃（2020—2024）》，進一步強調(diào)了儲能技術作為一個專業(yè)學科發(fā)展的重要性和緊迫性[3]。
電化學儲能系統(tǒng)具有快速功率響應、密集能量存儲、靈活方便部署等優(yōu)勢，是目前發(fā)展最快、應用最廣的儲能技術之一，其規(guī)模化建設有望在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、波動平抑、緊急功率支援等應用場景中發(fā)揮重要作用，并在電動汽車、微電網(wǎng)以及可再生能源并網(wǎng)應用方面有著其他儲能方式不可比擬的優(yōu)勢。隨著電池儲能技術的進步，大量的電池單體以預先設計的固定串/并聯(lián)拓撲封裝為電池模組，由于電池最小控制單元電壓和容量級別較低，大容量電池儲能系統(tǒng)通常將“數(shù)百萬”的電池單元進行串/并聯(lián)，以提高電壓、電流等級。傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)的電池連接拓撲無法匹配由動態(tài)電化學行為、生產(chǎn)制造工藝和應用工況帶來的電池單體的差異性，由此造成的系統(tǒng)“短板效應”問題始終存在。作為可靠性評估的串聯(lián)環(huán)節(jié)，固定焊接連接的電池系統(tǒng)中任意電池單元失效將會造成“系統(tǒng)級”故障。采取提高備用冗余的提升系統(tǒng)可靠性的措施，降低了儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性和集約性。此外，在固定串/并聯(lián)連接的儲能系統(tǒng)中，電池單元檢測和運行控制顆粒度較大，電池系統(tǒng)無法實現(xiàn)對電池單元的精準主動管理和精準隔離，導致電池單元熱失控而引起的燃燒和爆炸事故頻發(fā)[4]。
基于可重構電池網(wǎng)絡的電池能量管控系統(tǒng)被公認為克服這些缺陷最有前景的解決方案[5-11]，高頻電力電子開關陣列組成的可重構電池網(wǎng)絡，電池單元之間的連接拓撲可以動態(tài)重構以適應電池特性和系統(tǒng)負載的動態(tài)變化。每個電池單元連續(xù)的能量流被電力電子離散化和數(shù)字化，進而通過能量管控算法實時控制系統(tǒng)中每個電池單元參與充電或放電回路中占空比和電流大小，滿足不同儲能應用場景的需求[12-13]。在實際工程應用中，綜合考慮電池自身復雜電化學特性、電力電子集成的系統(tǒng)特性、外部電氣系統(tǒng)（電網(wǎng)側應用或電動汽車等）對儲能系統(tǒng)的能量調(diào)控的多樣化需求，數(shù)字儲能系統(tǒng)為解決電池“短板效應”，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)定制化提供創(chuàng)新路徑。
本文從數(shù)字儲能系統(tǒng)關鍵技術出發(fā)，著重闡述數(shù)字儲能系統(tǒng)電力電子集成的柔性控制架構、基于可重構電池網(wǎng)絡的電池狀態(tài)檢測、系統(tǒng)運行優(yōu)化控制以及系統(tǒng)安全評估方法，以應用案例展示基于數(shù)字儲能的分布式退役動力電池梯次利用、儲能系統(tǒng)電池一致性管理與功率調(diào)節(jié)等方面的效果。
1 儲能行業(yè)痛點問題與儲能系統(tǒng)數(shù)字化
為滿足高電壓、高容量的電池儲能系統(tǒng)規(guī)?；瘧玫男枨螅妷汉腿萘考墑e較低的電池單元通常在“數(shù)百萬”數(shù)量級上進行重組，傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過多個電池模組DC/DC隔離級后以并聯(lián)或功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（power conversion system, PCS）交流側并/級聯(lián)等形式提高電壓、電流等級[14]。儲能系統(tǒng)PCS部分通常采用單級型或者多級型電力電子拓撲結構連接電池模組[15]：單級型直接采用DC-AC整流環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)，H橋和模塊化多電平是常采用的級聯(lián)方式；多級型則包含DC-AC整流級和DC-DC隔離級，隔離級可通過移相調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)靈活功率均衡和電氣隔離，尤其適合于差異化電池模組的充放電控制。
傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)固定焊接的電池模組構成方式，僅依靠上層電力電子拓撲無法精細控制到電池單體。有學者提出用于高電壓串聯(lián)電池存儲系統(tǒng)的集成可重構轉(zhuǎn)換器，能夠重新配置電池拓撲結構以實現(xiàn)不同的運行模式，并采用共享拓撲設計減少系統(tǒng)冗余，實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化，同時可以應用于電池與超級電容組成的混合介質(zhì)的電池儲能系統(tǒng)[7,9]。相似地，在電池模組內(nèi)的電池單元通過開關器件構成的可重構電池電路拓撲，電池單元之間的連接拓撲根據(jù)負載變化動態(tài)地與需求進行匹配重構配置。
電池儲能系統(tǒng)作為一項系統(tǒng)工程需要從電池單體模型、電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）、電池健康狀態(tài)（state of health, SOH）、循環(huán)壽命等性能狀態(tài)感知出發(fā)，建立電池應用過程中的系統(tǒng)性操作。基于可重構電池網(wǎng)絡的大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)構建了電池管理的系統(tǒng)性理論方法[4-6,11,16-18]，高頻電力電子開關陣列與電池單體之間的耦合控制架構將電池單元連續(xù)的能量流進行離散化和數(shù)字化處理，通過時分和頻分的控制構成了數(shù)字化、信息化能量管控系統(tǒng)[1,12,19]。通過軟件定義的方式靈活調(diào)整電池模組內(nèi)的連接形式，能量管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障容錯和均衡控制等[20-21]，有效避免固定串/并聯(lián)剛性系統(tǒng)架構與電池差異化導致的系統(tǒng)“短板效應”，其技術路線被稱為數(shù)字儲能系統(tǒng)，能夠滿足垂直行業(yè)的多樣化需求[13]。
目前，基于可重構電池網(wǎng)絡的數(shù)字儲能系統(tǒng)已經(jīng)在電網(wǎng)側規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)[22]、數(shù)據(jù)中心不間斷電源[23]和通信基站梯次利用動力電池供電[24-25]等場景中完成應用示范。接下來，將介紹數(shù)字儲能系統(tǒng)在架構與可重構電池網(wǎng)絡設計、電池狀態(tài)評估、運行優(yōu)化等方面的關鍵技術。
2 數(shù)字儲能系統(tǒng)關鍵技術
針對差異化性能的電池單體大規(guī)模集成的電池管理系統(tǒng)，可重構電池網(wǎng)絡是電池狀態(tài)檢測和控制策略實施的基礎?？芍貥嬰姵鼐W(wǎng)絡解決傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)“斷不開”、“測不準”的難題，實現(xiàn)基于電池單體與網(wǎng)絡的狀態(tài)檢測、運行優(yōu)化與控制。
2.1 可重構電池網(wǎng)絡
規(guī)?；碾姵貎δ芟到y(tǒng)包含了大量電力電子開關器件（如PCS系統(tǒng)），可重構電池網(wǎng)絡的電池模組設計也包含大量可控開關管。以基于可重構電池網(wǎng)絡的規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)為例，為實現(xiàn)精確控制，在電池模組內(nèi)每個最小控制單元需要連接K個可控開關，同時電池模組之間也采用電力電子開關連接，實現(xiàn)對整體模組的精準管控。大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)通過功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用模塊化級聯(lián)的電力電子變壓器，耐壓等級高、傳輸功率大（如級聯(lián)H橋和MMC），同時采用雙有源橋含有直流隔離級，通過移相調(diào)節(jié)控制可以靈活地實現(xiàn)功率均衡和電氣隔離，對SOC差異性大的電池模組進行充放電均衡控制。
學術界已經(jīng)較早地開展可重構電池網(wǎng)絡設計與應用研究。Muhammad等從可重構電池系統(tǒng)硬件架構與應用挑戰(zhàn)方面做了綜述，為可重構電池網(wǎng)絡領域的研究提出一些開放性問題[11]，比如：如何設計硬件架構才能兼顧管控效率與控制復雜度，如何制定系統(tǒng)架構建模與電池控制方法策略實現(xiàn)電池可感知“白盒”化的控制。文獻[5]從可重構電池網(wǎng)絡模組與系統(tǒng)設計的角度綜述了發(fā)表文獻中可重構模組架構，給出了常見的電池模組可重構電池結構的對比。文獻[6]提供了可重構電池網(wǎng)絡優(yōu)化架構理論研究方法。
文獻[13]研究可重構電池網(wǎng)絡理論，完成基于26650鋰離子電池單體樣機研制，該系統(tǒng)構成4并4串的可重構電池模組，其可重構電池網(wǎng)絡的設計如圖1所示。電池儲能系統(tǒng)構建12 V低壓直流數(shù)據(jù)中心不間斷供電系統(tǒng)，結合圖論的優(yōu)化配置方法生成電池均衡管理與可重構策略[26]。
圖1 可重構電池網(wǎng)絡設計[13]
Fig 1 Reconfigurable battery network design
2.2 基于可重構電池網(wǎng)絡的單體容量建模
數(shù)字儲能系統(tǒng)構建基于斷路電壓檢測的單體電池和任意電池網(wǎng)絡拓撲等效的電池SOC數(shù)學模型，支撐規(guī)?；瘮?shù)字儲能系統(tǒng)的實時精準管控，對于任意電池網(wǎng)絡拓撲的荷電容量的精準估算是規(guī)?；芍貥嬰姵鼐W(wǎng)絡設計的基礎。
目前文獻中已經(jīng)有多種SOC估算方法，包括應用最廣泛的安時積分法、開路電壓（open circuit voltage,OCV）與SOC映射法等，均依賴于電流或電壓的測量精度并受到電池非線性特性影響，其估算方法的精度受到質(zhì)疑。其中，SOC-OCV映射法是業(yè)界公認的最簡單、最精確的電池SOC估算方法，但是傳統(tǒng)固定串/并聯(lián)電池系統(tǒng)無法在電池系統(tǒng)充放電過程中動態(tài)實時測量電池單體的OCV，因此傳統(tǒng)固定拓撲連接的電池系統(tǒng)無法直接利用電池單體層面的OCV-SOC的一一對應關系，只能通過測量工作電壓和電流推算電池內(nèi)阻，進而通過內(nèi)阻估算值進一步估算OCV，然后得到當前的SOC，過程中將引入兩次估算誤差傳遞，導致最終得到的結果誤差過大，嚴重影響了實際系統(tǒng)的用戶體驗和系統(tǒng)能量控制精度。圖2為基于重構電池網(wǎng)絡SOC估計原理示意圖。
圖2 基于可重構電池網(wǎng)絡SOC估計原理
Fig.2 SOC estimation method based on reconfigurable battery network
在可重構電池網(wǎng)絡構成的數(shù)字儲能系統(tǒng)中，電池單體能夠自主可控地從電池網(wǎng)絡拓撲中斷開，從而實現(xiàn)電池單體層面的開路電壓測量?？芍貥嬰姵鼐W(wǎng)絡中電池單體從電池網(wǎng)絡斷開的時間很短，能夠根據(jù)電池暫態(tài)響應特性推斷長時間靜置后恢復的真正OCV，從而實現(xiàn)基于可重構電池網(wǎng)絡的開路電壓補償修正方法，消除了SOC-OCV映射法的估計誤差。
與傳統(tǒng)SOC估算方法相比，基于數(shù)字儲能系統(tǒng)架構提出的電池狀態(tài)估計方法能夠得到更加準確和可靠結果，并克服估算過程誤差傳遞和累積。由于估算過程不需要訓練和學習，相比目前流行的基于CNN、RNN等神經(jīng)網(wǎng)絡的SOC估算方法，該方法的計算復雜度可以根據(jù)系統(tǒng)計算能力和應用對估算精度的要求進行定制化的調(diào)整，更加適宜在實際系統(tǒng)中推廣應用。同時，該方法可用于在線精準估算方法和SOH分析，通過添加學習過程建立馬爾可夫或時間序列的電池壽命模型實現(xiàn)電池SOH估算[27]。
2.3 可重構電池網(wǎng)絡系統(tǒng)容量建模
可重構電池網(wǎng)絡模組能夠?qū)崿F(xiàn)基于電池單體層面的SOC精準估算，可以得出任意給定電池網(wǎng)絡拓撲的等效荷電容量模型。任意給定的電池網(wǎng)絡拓撲等效串/并聯(lián)原理示意如圖3所示。
圖3 電池網(wǎng)絡拓撲的等效串/并聯(lián)原理模型
Fig.3 Equivalent series-parallel principle model of battery network topology
串聯(lián)電池組中，電池電流相同，電池網(wǎng)絡可以等效為電池單體模型；并聯(lián)電池組中，電池電流分布不均勻但電池的端電壓相同。針對圖3（a）、圖3（b）所示的可重構電池網(wǎng)絡，電池網(wǎng)絡的可重構行為可表達為[28]
式中：f為串聯(lián)表達式；g為并聯(lián)表達式；I、φ分別表達電池單體的電流和電動勢。
在串聯(lián)電池組中，電池組容量性能由狀態(tài)最差的電池單體決定，即為避免電池單體過充或過放引起的安全問題。在并聯(lián)電池組中，電池組的容量是所有電池單體容量的總和?？芍貥嬰姵啬＝M的等效SOC表達式為
綜合考慮電池單體在不同工況及其之間的拓撲連接狀態(tài)結構與電池性能之間的關系，能夠為可重構電池網(wǎng)絡在實踐中的工程簡化應用提供理論依據(jù)。
2.4 數(shù)字儲能系統(tǒng)的運行優(yōu)化與控制
電池網(wǎng)絡拓撲動態(tài)重構是影響系統(tǒng)特性的重要因素，其性能優(yōu)化可建立電池網(wǎng)絡拓撲動態(tài)重構優(yōu)化問題。設xi∈Rm表示m個電池單體狀態(tài)變量組成的向量，具體可表示為電池單體端電壓、電流或SOC等，X=[x1,x2,…,xN]∈Rm×N表示N種動態(tài)拓撲變換下電池狀態(tài)矩陣，其具體意義與電池狀態(tài)變量xi表示的物理意義相關，Y為與優(yōu)化變量相關的性能指標。可重構電池網(wǎng)絡優(yōu)化問題可以建模為
式中：Hn(X)表示第n個電池拓撲所受邏輯約束，考慮電池狀態(tài)、負載狀況和環(huán)境因素，電池的動態(tài)網(wǎng)絡重構模型的收到上下界的限制，限制條件定義為Hn≥0。考慮電池本體在時間維度上的動態(tài)特性，電池單體的性能損耗可以通過細粒度計算電池SOC變化帶來的消耗和恢復特性得到，可以表示為電池性能指標Y與電池拓撲X之間的哈達瑪積[6]
在T個拓撲變換周期內(nèi)電池性能損耗可表示為
由于電池容量在電池操作過程中表現(xiàn)為單調(diào)遞減特性，為了對動態(tài)可重構電池系統(tǒng)在運行期間的性能進行建模，有向無環(huán)圖用來表示單元拓撲的演化過程，如圖4所示。
圖4 有向圖表示的動態(tài)可重構電池系統(tǒng)
Fig.4 Directed acyclic graph of dynamic reconfigurable battery network system
有向無環(huán)圖中的每一個點代表可能的電池網(wǎng)絡拓撲，由現(xiàn)在電池拓撲狀態(tài)選擇為下一個電池網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)所產(chǎn)生的電池性能損耗為邊的權重。在T個拓撲變換周期內(nèi)，儲能系統(tǒng)在連續(xù)運行過程中電池網(wǎng)絡拓撲變換控制策略可執(zhí)行為尋找有向無環(huán)圖中最短加權路徑。
3 數(shù)字儲能系統(tǒng)的應用案例
目前通信基站、數(shù)據(jù)中心等存在大量碎片化、閑置的電池備用資源，如何在保證電池儲能系統(tǒng)備電功能的基礎上實現(xiàn)儲能資源的最大利用率是儲能系統(tǒng)運維中的重要問題。為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的高效運行和高水平的智能化運維[12,19,22,24-25]，數(shù)字儲能系統(tǒng)采用數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化的管控方式，利用本地和儲能云系統(tǒng)的分散自律協(xié)同控制。以數(shù)字儲能系統(tǒng)在通信基站備用電池儲能系統(tǒng)中的應用為例，采用基于“云儲能”和能源互聯(lián)網(wǎng)的運營模式，對電池儲能系統(tǒng)進行能量管理與調(diào)度。
3.1 系統(tǒng)應用概述
在落實“智慧廣州”、樞紐型國家信息港建設的戰(zhàn)略背景下，廣州市白云區(qū)、越秀區(qū)、天河區(qū)等部署超高密度的通信基站基礎設施。為探索通信基站儲能系統(tǒng)在城市智慧能量管理中的優(yōu)勢作用，廣州市白云區(qū)選取100個符合建設條件的通信基站進行備用電池系統(tǒng)的數(shù)字化改造，并選取8個站點作為與電網(wǎng)雙向互動的試點示范，以期待能夠改善該地區(qū)供電負荷分布不均衡和供電容量的限制，發(fā)掘通信基站電池儲能系統(tǒng)未來參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、需求側響應等電力市場輔助服務的潛力。
3.2 系統(tǒng)方案設計
數(shù)字儲能系統(tǒng)應用示范方案采用動態(tài)重構拓撲管理的能量交換機電池管理方案，方案中包括電池能量網(wǎng)卡、電池能量集線器、電池能量交換機、電池能量適配器、以及云平臺（巡檢云平臺及調(diào)度云平臺）及通信信道等，構建能量流、信息流統(tǒng)一收集、傳輸、處理及控制的分布式儲能管控系統(tǒng)[25]，整體架構如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)整體架構圖
Fig.5 Overview of the system architecture diagram
電池能量網(wǎng)卡集成了MOSFET等電力電子開關，開關頻率范圍為10～100 kHz，電池連續(xù)的能量流被離散為能量片段，電壓控制范圍為0～3.8 V；電池能量集線器組合構成可重構電池網(wǎng)絡，同時也是電池狀態(tài)信息的匯集，采用CAN和RS-485通信方式，構建底層的信息物理融合；電池能量交換機連接了電池能量集線器與電池能量適配器，控制局域電池系統(tǒng)的能量管理策略生成與執(zhí)行；電池能量適配器將電池能量交換機輸出的能量進行整流控制，使之滿足電池儲能系統(tǒng)輸出及與外部負載匹配的能量要求。
在構成與電網(wǎng)互動的數(shù)字儲能系統(tǒng)中，以雙向互動試點為例，交流備電系統(tǒng)直流側工作電壓范圍為216～292 V（單體2.7～3.65 V），該電壓范圍與雙向儲能變流器的直流側電壓匹配（200～900 V）。直流備電系統(tǒng)直流側工作電壓范圍為43.2～58.4 V（單體2.7～3.65 V），通過AC/DC電源（AC 380 V/DC 48 V）對電池能量交換系統(tǒng)（含電池）進行充電和對基站核心直流負載進行供電，現(xiàn)場部署如圖6所示。
圖6 通信基站數(shù)字無損梯次利用儲能系統(tǒng)應用部署
Fig 6 Deployment of DES in communications base station
本應用案例選用退役動力電池替代鉛酸電池應用于分布式儲能系統(tǒng)，不需要將退役動力電池模組拆解至電池單體，而是采用可重構電池模組構成的電池網(wǎng)絡消除電池的差異性。傳統(tǒng)梯次利用電池儲能系統(tǒng)設計方案先將電池單體串/并聯(lián)形成電池模組，然后通過多個電池模組DC/DC隔離級后以并聯(lián)或PCS交流側并/級聯(lián)等形式提高電壓、電流等級，多級能量變換過程損失了系統(tǒng)能量效率。相比之下，數(shù)字儲能系統(tǒng)省掉多級DC/DC隔離級或PCS交流側并/級聯(lián)，能量效率損耗僅來自于MOSFET電力電子開關，由于其電壓等級較低，在降低系統(tǒng)能量損耗方面存在優(yōu)勢。
3.3 功能和性能驗證
在保持電池一致性的前提下，完成電池放電并保持功率穩(wěn)定是儲能系統(tǒng)設計的性能要求。為驗證數(shù)字儲能系統(tǒng)性能，特進行數(shù)字儲能系統(tǒng)放電過程均衡測試、多站點功率聯(lián)動測試和有功/無功調(diào)節(jié)測試。
3.3.1 儲能系統(tǒng)電池均衡性能測試
選取長崗村C基站儲能系統(tǒng)進行測試，數(shù)字儲能系統(tǒng)采用3.2 V/100 Ah的退役磷酸鐵鋰電池，構成4并80串數(shù)字儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)容量為102.4 kWh。在室溫條件下，設定數(shù)字儲能系統(tǒng)的放電倍率為0.3 C，平均測量時隙約為0.5 min，驗證數(shù)字儲能系統(tǒng)SOC在[70%,100%]運行范圍內(nèi)電池模組SOC、端電壓的均衡特性。
運行狀態(tài)下，數(shù)字儲能系統(tǒng)電池SOC、端電壓的變化曲線及對應的統(tǒng)計標準差如圖7所示。結果顯示，在0.3 C倍率放電條件下，電池SOC最大差異為1%，最大統(tǒng)計標準差為0.508%；電池端電壓最大差異為28 mV，最大統(tǒng)計標準差為6.631 mV。
圖7 電池SOC和端電壓一致性測試
Fig.7 Battery SOC and terminal voltage consistency test
3.3.2 儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)功率測試
通信基站數(shù)字儲能系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)削峰填谷能量調(diào)度中發(fā)揮作用，單個通信基站的數(shù)字儲能系統(tǒng)站點裝配雙向電池能量交換系統(tǒng)，通過云平臺遠程控制電池能量交換系統(tǒng)某個時段充電、放電行為，使之能夠滿足通信基站參與電網(wǎng)需求側響應的功能要求。
為驗證特定臺區(qū)變壓器內(nèi)多個通信基站數(shù)字儲能系統(tǒng)功率聯(lián)動輸出的穩(wěn)定性，設定長崗村臺區(qū)變壓器下4個通信基站中的數(shù)字無損梯次利用儲能系統(tǒng)以24 kW功率放電50 min，聯(lián)合輸出功率曲線如圖8所示。結果表明數(shù)字儲能系統(tǒng)能夠維持輸出功率的穩(wěn)定性。
圖8 系統(tǒng)輸出功率測試
Fig.8 System output power test
3.3.3 儲能系統(tǒng)有功/無功測試
儲能系統(tǒng)參與電力市場輔助服務，要求具備功率調(diào)節(jié)和維持電網(wǎng)穩(wěn)定的功能。對安裝在長崗村通信基站中數(shù)字儲能系統(tǒng)進行功率測試，分析系統(tǒng)總進線功率與子系統(tǒng)進線總線數(shù)據(jù)。儲能變流器額定功率100 kW，額定電壓380 V AC，功率因數(shù)為1。該裝置支持并/離網(wǎng)模式，在市電斷電時，雙向儲能變流器的并/離網(wǎng)切換裝置能夠在20 ms內(nèi)無縫切換至離網(wǎng)模式。系統(tǒng)總進線三相基波功率如圖9所示，單相基波功率如圖10所示，系統(tǒng)總進線基波功率較子系統(tǒng)功率穩(wěn)定，表明數(shù)字儲能系統(tǒng)在維持系統(tǒng)總線輸出功率穩(wěn)定中發(fā)揮作用。
圖9 總線基波功率
Fig.9 Fundamental wave power trend of bus base line
圖10 單相基波功率趨勢
Fig.10 Fundamental wave power trend of one phase
4 結論與展望
儲能技術正在經(jīng)歷重大變革，基于可重構電池網(wǎng)絡的數(shù)字儲能技術成為一項系統(tǒng)性工程，其技術核心是采用高頻電力電子開關實現(xiàn)模擬能量流的離散化、數(shù)字化處理，實現(xiàn)電池電化學模型、電池狀態(tài)建模以及系統(tǒng)集成應用。
作為一種新生業(yè)態(tài)，數(shù)字儲能技術將橫向貫穿電池儲能系統(tǒng)應用的全行業(yè)，將在通信基站、數(shù)據(jù)中心、用戶側儲能、大規(guī)模電網(wǎng)側儲能中形成較廣泛的應用。隨著半導體功率器件高壓化、大容量化的發(fā)展，用于構建電力電子開關器件的半導體價格呈現(xiàn)下降趨勢，數(shù)字儲能系統(tǒng)建設成本將大幅降低。考慮基于數(shù)字儲能系統(tǒng)架構的系統(tǒng)集成、運行優(yōu)化等，數(shù)字儲能系統(tǒng)滿足場景要求的安全性、可靠性與經(jīng)濟性。對于行業(yè)關注的儲能系統(tǒng)成本、能量效率等問題，后續(xù)將會開展更多實驗及示范項目，完成數(shù)字儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性、能量效率等定量分析，驗證數(shù)字儲能性能。在當今儲能行業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，數(shù)字儲能系統(tǒng)將突破系統(tǒng)經(jīng)濟性束縛，有望革新當今儲能行業(yè)，實現(xiàn)廣泛的商業(yè)應用。
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Modeling and Operation Control of Digital Energy Storage System Based on Reconfigurable Battery Network
——Base Station Energy Storage Application
CI Song*, ZHOU Yanglin, WANG Hongjun, SHI Qingliang
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)
Abstract: Energy storage systems (ESSs)are changing the realtime balance characteristics of ready-to-use power systems use and have become an important supporting technology for the construction of smart grids.Battery energy storage technology is a systematic project whose research fields include chemistry,dynamic modeling, and system management.Designers need to understand the electrochemical and material properties of batteries to design and implement efficient battery management algorithms based on mathematical models and control systems.Nevertheless, traditional ESSs using fixed welding connections cannot achieve accurate detection and control based on battery cells.The failure of any battery cell will cause a system-level failure, and its safety cannot be guaranteed.With the aid of reconfigurable battery networks, the digital energy storage (DES)technology discretizes and digitizes the continuous energy flow of the battery cells, thereby shielding the differences caused by the physical and chemical properties of the battery cells, as well as flexibly adjusting the battery topology to achieve load matching with multiple application scenarios.
Keywords: digital energy storage system; large-scale energy storage system; second battery utilization; base station powering
pagenumber_ebook=17,pagenumber_book=435
慈松
作者簡介：
慈松（1970），男，教授，主要研究方向大規(guī)模復雜系統(tǒng)建模、控制與優(yōu)化理論研究及其在信息能源交叉研究領域中的應用。通信作者，E-mail: sci@tsinghua.edu.cn。
周楊林（1991），男，助理研究員，主要研究方向分布式能量管控技術與綠色通信，E-mail: zhouylstu@tsinghua.edu.cn。
王紅軍（1982），男，高級工程師，研究方向為信息通信系統(tǒng)、分布式能量管控及嵌入式軟件開發(fā)，E-mail:wanghongjun@tsinghua.edu.cn。
石清良（1983），男，工程師，主要研究方向為分布式數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)，E-mail: sqlzy@mail.tsinghua.edu.cn。
