电池储能系统精细化管控的关键技术与装备

研究背景

• 储能系统是新型电力系统的核心要素，可平抑风光能源波动，提升电网稳定性，是实现“双碳”目标和保障能源安全的战略需求。
• 构建新型电力系统需要大容量、高效率、强支撑型储能场站。
• 传统低压储能系统面临高效集成、一致性管控、主动支撑和安全可靠运行等难题。

高压直挂储能系统

• 提出电池族分散接入H桥直流侧，交流侧串联升压直接接入高压电网的交直流一体化结构。
• 优势：效率高（91.6%），电气距离近，支撑能力强，单机容量大（单机50MW），管控精细（簇间SOC偏差小于2%），系统复杂度低。
• SOC均衡控制：
  • 相间均衡：通过注入零序电压重新分配三相有功功率实现。
  • 相内均衡：在子模块平均调制波上叠加与SOC偏差相关的电压偏移量实现。
  • 多工况自适应SOC快速均衡控制：构建多工况下相间/相内均衡系数与调制比裕度及电池充放电功率边界的数学关系，求解最优均衡系数。
• 工程实证：基于广西贺州市35kV/25MW/50MWh项目，验证了均衡控制效果，电池簇SOC偏差控制在1%以内。

构网型高压直挂储能系统

• 构网控制需求：电压源外特性，通过模拟同步机制实现无锁相环自同步，并提供惯量/频率及电压支撑。
• 构网控制难点：单电抗并网导致控制回路与电网外特性耦合严重，宽短路比电网中电压稳定构建困难。
• 虚拟电容控制技术：模拟滤波电容的积分效应，实现装备控制与电网外特性的解耦，提升宽短路比下电压控制的鲁棒性。
• 控制稳定性分析：闭环传递函数中的谐振尖峰被抑制至0dB以下，显著提升电压控制性能与系统稳定性。
• 仿真验证：系统功率动态性能优异，振荡与波动幅度显著减小，具备良好的电网适应性。
• 工程实证：甘肃干河口南北风电场项目验证了稳态控制性能、惯量响应与一次调频能力，暂态电流不小于3倍额定值，持续时间625ms。

支撑能力增强

• 过载能力尽限利用技术：基于损耗和结温模型在线观测功率器件结温，实现结温反馈约束电流，不超配下暂态电流不小于3倍额定值，持续时间625ms。

低损耗并联扩容技术

• 需求：长时储能下单簇受倍率约束难以匹配单H桥额定功率。
• 低损耗并联扩容难题：电池簇直接并联因阻抗和容量失配导致并联环流，增加损耗并加速老化。
• 部分功率补偿思路：在电池簇上串联可调电压源，抑制簇间参数差异导致的环流与SOC差异。
• 变换器设计：变换器功率占电池族功率3.7%，实现低成本、低损耗并联扩容。
• 调制优化：基于电感电流应力最小进行计算，使用TCM和EPS模式，保证软开关功率变化、变比变化下的移相连续性。
• 控制技术：通过串联补偿电压构建统一的虚拟内阻容量积，使SOC速率保持一致，实现并联电池间的SOC偏差控制在1%以内。
• 示范验证：方案已通过设备验证，具备均衡能力和成本优势。

状态辨识技术

• 难题：储能系统控制依赖电池状态，但有限的外部信息难以精确辨识电池状态。
• 无扰在线测量思路：利用级联储能系统多模块互为冗余的特性，构建互补调制信号，实现网侧无扰电化学阻抗谱在线测量。
• 调制信号生成方法：基于时频对偶原理，将网侧电流的主要频率分量搬移至所需频率。
• 实验验证：模块级测试样机验证了阻抗测量的精度（MAPE<1.98%）。
• 状态辨识：利用阻抗在线测量频率点[1,2,4,10,16,25,40|Hz的实部及虚部数据作为输入，训练神经网络，SOCMAE<1.45%，SOHMAE<1.21%。

总结

• 高压直挂储能装备具备强支撑、宽短路比、宽频稳定特性，频率、电压暂态支撑能力初步达到同步发电机组水平，具备黑启动、孤网运行能力。
• 电池单元并联式储能广泛适合直流侧并联扩容应用，均衡变换器成本降低95%。
• 融合功率变换模块的智能电池单元技术，可提升电池单元的经济性和安全性。