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2024光储端信|| 清华大学程林:大规模电池储能系统运行可靠性评估理论与提升技术

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2024-05-07 17:05:08   点击量:22

  浩博电池网讯:4月27-28日,由中国化学与物理电源行业协会主办的中国光储端信协同发展大会在重庆国际博览中心召开。

  此次大会以“协同创新 融合发展”为主题,设置开幕式暨碳达峰高峰论坛、工商业储能与车网互联专场、光储氢协同发展专场、储能系统集成与智能安全预警系统专场、人工智能与碳足迹专场五个专场论坛。

  来自行业主管机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的300余家产业链供应链企业参加了本次大会对话与交流。

  中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国储能网与数字储能网联合承办,中国化学与物理电源行业协会储能应用分会专家委员会提供学术支持。

  4月28日下午,清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室副主任程林受邀在储能系统集成与智能安全预警系统专场分享主题报告,报告题目《大规模电池储能系统运行可靠性评估理论与提升技术》。以下为报告主要内容:

  程林:大家好,非常高兴来到美丽的山城重庆,分享我在清华做的一些研究。对储能来说,安全是很大的瓶颈问题,随着电动汽车的发展,我们电力储能也在跟进。但是实际上电力储能跟动力电池还是有差别的,电池方面我们理论并没有真正突破。前面的报告很好,讲到安全,我觉得讲得挺好的。真正的安全不应该只是说我这个工程做多好、运行多好。在运行过程中,电芯级、模组级,然后才是集装箱,然后才到系统。从行业统计来说,电力系统看到的电池储能利用率极低,轻拿轻放、慢充慢放,限制了储能的利用率。从可靠性角度,电池要用好就是元件、拓扑和运行策略,电池单体、如何连接、如何集成、最后怎么样用,数据驱动,用数据说话,所有电芯连接,要符合短时的安全、长时的可靠,这是我们的研究背景。

  安全和可靠,安全就是一把火烧没了,可靠是长期滥用后来谈寿命,所以很多问题是安全可靠耦合在一起了。因为电池衰减影响电池健康状态,进一步影响电池安全性能,所以安全是动态的,并不是一成不变的。可靠的问题取决于你怎么用,所以是取决于用的过程中能不能用久。所以把安全和可靠混在一起联合研究,就是我们讲的运行可靠性,电池全生命周期都要运行安全,还要皮实。目前的电池安全研究,很多搞电芯的大量研究,数据也堆了很多,完全从机理上开展研究,机理研究的出路就是改变材料,改变技术路线。在运行过程中,在不同健康衰减状态下一样要安全,所以这是动态的。我们是通过实测中的电压、电流、温度,模组里面一般配置了温度,加上时间,连续的时间颗粒度要满足充放电的动态特性感知,通过真正的物联网去获取数据,对它的动态安全阈值要做预估和匹配,这是一个基本思想。具体来做,从机理开始借助模型,现在的消防都只关心测温、测气、着火,这些都不够,真正应该做到防范于未然。电池真正着火特别快,但是前面的过程很长,而且前面有一个T1、T2、T3,T1之前电池发热是可修复,能不能回去,这是可以知道的。但是这个温度到底在哪,与运行状态、环境、电池状态都是相关的。我们现在电池中间不带感知,全靠EMS管控,这是很难的。所以这里面核心的问题是找出它的温度阈值,用数据驱动去估计和实测匹配,然后加以控制、评价。

  安全运行短时间马上可以验证,但是真正的衰减就比较麻烦了,这个数据就很难,要长时间数据积累。我们提出要建立真正的储能的长周期数据库,我们也正在做。这里面的基本思想,也要从电池本身开始研究,本体来说电池为什么会失效,既有活性锂的损失,也有活性材料颗粒的机械问题。所以既有电化学问题,也有机械问题,而且占据的主导是不一样的,经过大量数据统计得出了这样的结论。我们还需要在运行中估计这些数据,在运行中建立模型,实际上就是电池的活性材料后面的衰减速度,我们提出全生命周期获取数据以后定期维修抽检去拟合这个参数,从2020年到现在我们合作厂家已经在积累这些数据了,去做出每个电池的参数是要跟自己匹配的,所以我们希望在座有电池厂的,我们给你模型,你给出参数,运行中我们根据数据驱动进行控制。

  运行优化,理论是一方面,能不能干出来是另外一方面。就算我知道模型了,就算我知道参数需要用实际数据来驱动,但是你能不能控?我已经预测进入危险状态了,你能不能控?我们提倡柔性连接,我们现在已经做到了每个电池模组增加能量网卡,这就是一个固态开关加连接,意味着我们的模组是可以开断的。我们模组都是一并八串、一并16串,模组只要能够精准检测到电池电芯的感知和模型的预测,控制的话直接控制到模组,今年清华的研发专项刚启动,就是希望把这个技术继续深入到电芯级的管控。能量网卡直接嵌入到模组内部,这是第一方面,你得有手段。

  接下来你要有策略,策略是靠感知、靠数据驱动。利用软开关,我们可以直接检测,而且在运行中检测,精准获取SOC是我们感知电池状态的基础。有了精准的估计,就对电池的健康状态包括一致性可以精准的估计,然后就可以对它进行评价。有了这个,我们就可以对它做到:一是有保护,保护是毫秒级的检测,微妙级的开断,检测出问题直接开断;二是能做到用PCS跟能量网卡协同起来进行一致性充放电优化控制;三是再往上跟EMS配合做电网互动的优化运行,这是集装箱内部的电池模块匹配策略和验证效果。

  现在咱们直接谈维修是不够的,应该先谈运行,运行是维修的基础。但是维修的问题主要是数据太多,如果我们把运行微观的做好以后,宏观再用大数据的思想进行学习,解决真正量大面广、又要精细运维、又要解决量的问题,所以这里提的是基于大数据平台来做,既要做到电芯级的检测诊断,又要做到模组级安全控制和集装箱优化运行,基于这些数据,我们积累大数据平台来支撑后面的运维。基本思想,通过信号的预处理、特征提取,我们不是简单把数据堆到大数据平台里面去,而是用压缩感知的技术提取特征,以及对应特征的有效样本进行电池元件的学习,去预测早期的故障,基于早期故障的预警来做后面的维修策略。

  这是平台开发案例:

  这个三峡项目今年是投运,后面的数据没有出来,因为运维是需要长期的,我们承诺是25年质保和运维,但是质保不包括电芯更换,我们能够进行全生命周期的数据积累和运维,当然也是为了科研。

  这个项目是2020年的重点基金项目,落到工程角度一个是18年的重点研发专项主要是梯次利用项目,主要是验证理论基础是否可行。这个当时做的兆瓦级的不大,但是用的是他们回收的旧电池,包括他们仓库里报废的上不了车的电池。所以说白了就直接越到我们认为既然早期不怎么衰减,我们直接进入衰减后面一段进行功能验证,这是检测报告,目前正在运行,已经验收有一年多了,一直处在运行状态,这个是复合式储能,数据直接传到清华,清华做数据分析。

  这是铁塔项目,分布式梯次利用电池储能系统,国家重点研发计划示范工程,不同型号、不同批次,各种参差不齐的电池一起做分布式基站,现在在天津运行。

  三峡的乌兰察布项目,这个项目比较大,完整项目550兆瓦1.1GWh,我们只做了50兆瓦100兆瓦时的数字储能。项目要解决数字储能的验证,我们跟三峡提的同台验证,旁边还有500兆瓦1GWH,我们要进行同台竞技,现在正在投运,这是平台的情况。

  因为时间原因,我就说到这里,谢谢大家。

【责任编辑:孟瑾】


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