梯次利用電池在高光伏滲透率主動(dòng)配電網(wǎng)中應(yīng)用分析

陳 哲 ，王世文 ，王立挺 ，楊 昕 ，董亮清

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000；5.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

國(guó)家“十三五”規(guī)劃明確提出能源消費(fèi)清潔化、低碳化，能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)［1］。山東省政府工作報(bào)告中也明確提出要加速山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換進(jìn)程。我國(guó)大力推動(dòng)電動(dòng)汽車（Electric Vehicle，EV）發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)電動(dòng)汽車保有量將超過(guò)500萬(wàn)輛［2］。伴隨電動(dòng)汽車推廣使用，將產(chǎn)生大量的退役動(dòng)力電池。動(dòng)力電池如果不能有效回收處理，將會(huì)引起資源與環(huán)境之間的矛盾。在新能源發(fā)電方面，國(guó)家在一些貧困農(nóng)村地區(qū)推出“光伏扶貧”政策，具有低壓分散接入、就地消納等特點(diǎn)，使光伏發(fā)電滲透率逐步增大［3］。光伏發(fā)電具有間歇性和不可控性，大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定和控制帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)［4］。

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電網(wǎng)友好型發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵組成，在支撐光能、風(fēng)能等新能源接入與消納，提高電網(wǎng)安全裕度等方面具備廣泛的應(yīng)用前景［5］。一般動(dòng)力電池衰減至標(biāo)稱容量的80%就不再滿足電動(dòng)汽車使用要求，但電池僅處于循環(huán)使用壽命前半段，仍可適用于工況溫和的場(chǎng)景。利用退役動(dòng)力電池構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)電池資源利用最大化，而且在平抑光伏出力波動(dòng)、維持供需平衡、削峰填谷等方面具有重要作用［6］。

電池單體生產(chǎn)過(guò)程中電化學(xué)特性不同和使用過(guò)程中充放電工況不同，極易導(dǎo)致單體間性能差異顯著，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能。文獻(xiàn)［7］從電池單體機(jī)理建模出發(fā)，提出采用偏差補(bǔ)償最小二乘法的模型參數(shù)在線辨識(shí)方法。文獻(xiàn)［8］考慮電池單體串并聯(lián)后放電與單體放電的特性差異，建立了多電池單元放電模型。文獻(xiàn)［9-13］從電池單體本身出發(fā)，設(shè)計(jì)新型電池管理系統(tǒng)用于電池工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，健康狀態(tài)檢測(cè)，充放電管理，均衡控制等，在一定程度上減小電池單體差異對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體工作性能的影響，提高能量利用效率和安全性。

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主動(dòng)配電網(wǎng) （Active Distribution Network，ADN）的必備環(huán)節(jié)［14］，對(duì)平抑新能源出力波動(dòng)、提高就地接納能力、降低高滲透率下配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜程度有不可替代的作用。文獻(xiàn)［15］建立光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，通過(guò)光伏、儲(chǔ)能等協(xié)調(diào)控制提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平；文獻(xiàn)［16］采用虛擬同步機(jī)作為光儲(chǔ)分布式電源與主網(wǎng)間的接口，以提高分布式電源的自治特性；文獻(xiàn)［17］以儲(chǔ)能系統(tǒng)為光儲(chǔ)微網(wǎng)黑啟動(dòng)主電源，避免儲(chǔ)能容量不足導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。

以上文獻(xiàn)從不同角度對(duì)儲(chǔ)能電池的設(shè)計(jì)、管理及在ADN中應(yīng)用進(jìn)行了研究，但都停留在理論層面。對(duì)于梯次利用電池應(yīng)用，尤其是梯次利用電池構(gòu)建的儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用的分析較少。對(duì)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng) （Second-life Battery Energy Storage System，SLBESS）構(gòu)建技術(shù)及其在高光伏滲透率ADN中應(yīng)用進(jìn)行分析，研制SLBESS樣機(jī)進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量化評(píng)估其在平抑波動(dòng)，削峰填谷，支撐新能源消納等方面的作用。

1 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建原理

傳統(tǒng)擴(kuò)展電池容量和功率的方法是電池單體固定的串并聯(lián)。然而，傳統(tǒng)方法無(wú)法適應(yīng)電池單體充放電動(dòng)態(tài)行為變化，電池單體老化程度、充放電特性等差異不斷惡化，從而使性能衰減嚴(yán)重的電池單體影響儲(chǔ)能系統(tǒng)整體使用效率，在退役動(dòng)力電池梯次利用方面，該問(wèn)題尤為突出［18-19］。針對(duì)梯次電池復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池儲(chǔ)能拓?fù)洌ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)投切，實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)均衡控制，隔離性能衰減嚴(yán)重或滿充滿放的單體，提高系統(tǒng)能量利用效率和使用安全性。

SLBESS動(dòng)態(tài)重構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示，由電池本體（Battery Cell，BC），電池能量管理器（Battery Energy Manager，BEM）和電池能量交換器 （Battery Energy Converter，BEC）組成。每節(jié)電池單體串聯(lián)一個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)（Power Electronic Switch，PES），每個(gè)電池并聯(lián)支路并聯(lián)一個(gè)PES控制投切的電阻，為電池均衡控制提供充放電回路，非均衡控制狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的PES處于常開(kāi)狀態(tài)。BEM管理所有的電池單體，并通過(guò)BEC實(shí)現(xiàn)電池與外界的能量交換。

1）當(dāng)BEM檢測(cè)電池均處于正常的工況狀態(tài)，閉合所有電池串聯(lián)的PES，使電池全部投入使用。

2）當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，若BEM檢測(cè)到電池性能衰減嚴(yán)重或已達(dá)到滿放狀態(tài)，則斷開(kāi)與之串聯(lián)的PES，使儲(chǔ)能系統(tǒng)降功率出力。例如，若電池B1性能衰減嚴(yán)重或已達(dá)到滿放狀態(tài)，斷開(kāi)S1，退出運(yùn)行B1。

3）當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，若檢測(cè)到電池已經(jīng)達(dá)到滿充狀態(tài)，則斷開(kāi)與之串聯(lián)的PES，其他電池繼續(xù)并聯(lián)分流充電。例如，若檢測(cè)到B2滿充，斷開(kāi)S2。

圖1 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)拓?fù)?/p>

4）當(dāng)電池單體能量差異過(guò)大，系統(tǒng)進(jìn)入均衡管理狀態(tài)：同一并聯(lián)支路電池單體均衡控制可通過(guò)閉合相應(yīng)的PES實(shí)現(xiàn)，例如B1與B2；非并聯(lián)支路單體均衡需投切電阻提供充電回路實(shí)現(xiàn)，例如，若B3和B5能量較低，閉合S3和S5，斷開(kāi)其他電池的PES，投入并聯(lián)電阻R3和R4，實(shí)現(xiàn)對(duì)B3和B5充電均衡管理；若某一電池單體能量較高，則閉合該電池的PES和投入與之并聯(lián)的電阻進(jìn)行放電均衡。

SLBESS動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法可以用較少的開(kāi)關(guān)器件和簡(jiǎn)便的控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)整電池單體間的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有效屏蔽電池單體特性的差異，又可通過(guò)增加BEM模塊擴(kuò)展儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，滿足工程應(yīng)用要求，具有“即插即用”的靈活性。

2 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用分析體系

2.1 應(yīng)用分析框架

在高光伏滲透率ADN中安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要是為了平抑光伏出力波動(dòng)，解決光伏發(fā)電功率與本地負(fù)荷在時(shí)間上不匹配的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高滲透率光伏電量就地消納，減少與主網(wǎng)功率交換。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入會(huì)影響配電網(wǎng)原有的電壓特性，且其通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)，必然會(huì)引入諧波污染。因此，在對(duì)SLBESS進(jìn)行應(yīng)用分析時(shí)，應(yīng)考慮ADN與主網(wǎng)間總功率交換量和波動(dòng)性，以及儲(chǔ)能并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)性、三相不平衡度及電流諧波含量，具體分析框架如圖2所示。

圖2 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用分析框架

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于測(cè)量設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，少量時(shí)標(biāo)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)值缺失，采用三階拉格朗日插值方法對(duì)缺失值進(jìn)行預(yù)處理。依據(jù)缺失數(shù)據(jù)的前后各2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值， 取 A=｛-2，-1，1，2｝， 則缺失的數(shù)據(jù)點(diǎn)（tn，xn）為

由于測(cè)量數(shù)據(jù)為電流、電壓數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)功率值需要由處理后的三相電流、電壓計(jì)算得到

式中：Pi為 i時(shí)刻的實(shí)時(shí)功率值，kW；Ui，A，Ui，B和 Ui，C分別為 i時(shí)刻的三相電壓值，V；Ii，A，Ii，B和 Ii，C分別為i時(shí)刻的三相電流值，A。

2.2 應(yīng)用分析量化指標(biāo)

ADN與主網(wǎng)間功率交換量用功率交換系數(shù)Re衡量表示為

式中：Sb為主變壓器容量，kVA；Ne為上網(wǎng)功率序列的長(zhǎng)度。

SLBESS對(duì)上網(wǎng)功率交換量的改善程度，可用交換縮減率Cr表示為

式中：Re，o和 Re，b分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)接入前后的功率交換系數(shù)。

上網(wǎng)功率波動(dòng)性可用變異系數(shù)Se表示為：

式中：ue為上網(wǎng)功率的均值，kW。

SLBESS對(duì)上網(wǎng)功率波動(dòng)性的改善程度，可用波動(dòng)平抑率Cv表示為

式中：Se，o和 Se，b分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)接入前后的功率變異系數(shù)。

利用并網(wǎng)點(diǎn)電壓變異系數(shù)Sg和最大波動(dòng)率Rmax對(duì)SLBESS的性能進(jìn)行衡量，為：

式中：Ui和ug分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的瞬時(shí)值和均值，V；Ng為電壓序列的長(zhǎng)度。

利用并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓最大不平衡度UBg，max對(duì)SLBESS性能進(jìn)行衡量，為：

式中：Ug，i，a，Ug，i，b和 Ug，i，c為并網(wǎng)點(diǎn)在 i時(shí)刻三相電壓有效值，V。

對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電流進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算其諧波總畸變率為

式中：Ig和Ig，1分別為并網(wǎng)點(diǎn)總電流和基波電流幅值，A。

3 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

該地區(qū)配電變壓器容量為200 kVA，ADN低壓側(cè)接有光伏額定容量為151 kW。掛網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)間為2018-03-09T09∶00∶00 至 2018-03-18T09∶00∶00，SLBESS樣機(jī)通過(guò)功率交換系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，接入配電變壓器低壓側(cè)，樣機(jī)實(shí)際并網(wǎng)場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)景

3.2 應(yīng)用分析

試驗(yàn)地區(qū)在某典型日與主網(wǎng)的總交換功率如圖4所示，其中，配置儲(chǔ)能后的場(chǎng)景為實(shí)測(cè)功率值，未配置儲(chǔ)能的場(chǎng)景由實(shí)測(cè)功率值和儲(chǔ)能出力值相減得到。圖中正值表示該地區(qū)負(fù)荷量大于光伏發(fā)電量，需要電網(wǎng)供給電能；負(fù)值表示該地區(qū)光伏發(fā)電量大于就地負(fù)荷量，向電網(wǎng)反送電能。該典型日內(nèi)SLBESS的出力曲線如圖4所示，其中，正值表示SLBESS釋放功率，負(fù)值表示SLBESS吸收功率。由該地區(qū)總監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算配置SLBESS前后的總功率交換量指標(biāo)如表1所示。

圖4 上網(wǎng)總功率交換量對(duì)比

圖5 梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)出力曲線

表1 上網(wǎng)總功率交換量評(píng)估結(jié)果

由圖4和圖5可得，在08:00—16：00內(nèi)，分布式光伏發(fā)電功率可由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收，尤其是在12：00—15：00光照強(qiáng)度良好時(shí)，SLBESS吸收光伏尖峰發(fā)電功率，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)變壓器的上網(wǎng)容量，從而減輕變壓器過(guò)載現(xiàn)象。

由表1評(píng)估結(jié)果可得，SLBESS接入前該地區(qū)與電網(wǎng)功率交換系數(shù)為12.16%，SLBESS接入后交換系數(shù)為10.36%，功率交換縮減率為14.78%。表明應(yīng)用SLBESS對(duì)支撐光伏就地消納，削峰和延緩變壓器升級(jí)改造具有良好的試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)地區(qū)在某典型日上網(wǎng)總功率的波動(dòng)量如圖6所示，由該地區(qū)總監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算配置SLBESS前后的總功率波動(dòng)性指標(biāo)如表2所示。

圖6 上網(wǎng)總功率波動(dòng)性對(duì)比

表2 上網(wǎng)總功率波動(dòng)性評(píng)估結(jié)果

由圖6可得， 在 07:00—09:00，13:00—15:00，以及20:00—24:00時(shí)間段內(nèi)，配置SLBESS能夠較好地平抑該ADN與主網(wǎng)間交換功率波動(dòng)。由表2評(píng)估結(jié)果可得，接入前功率變異系數(shù)為169.09%，接入后功率變異系數(shù)為149.76%，波動(dòng)平抑率為11.43%。SLBESS對(duì)分布式電源出力波動(dòng)具有明顯抑制效果，表明在高光伏滲透率的ADN中，SLBESS能夠降低光伏發(fā)電和就地負(fù)荷不確定性對(duì)主網(wǎng)的影響。

對(duì)于SLBESS在ADN中的性能分析主要包括該系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)性和不平衡度，以及系統(tǒng)接入對(duì)主網(wǎng)的諧波污染兩方面。SLBESS并網(wǎng)點(diǎn)處A相電壓的有效值在某時(shí)間段內(nèi)的變化情況及波動(dòng)量分別如圖7和圖8所示，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的三相不平衡度如圖9所示，由該地區(qū)總監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算的并網(wǎng)點(diǎn)電壓特性指標(biāo)如表3所示。

由圖7和圖8可得，并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于時(shí)刻波動(dòng)中，但波動(dòng)幅度不大。由圖9可得，并網(wǎng)點(diǎn)電壓存在三相不平衡，不平衡程度不大，但時(shí)刻變化。由表5中的結(jié)果可知，SLBESS并網(wǎng)點(diǎn)電壓變異系數(shù)為0.4552%，最大波動(dòng)率為2.6018%，最大不平衡度為3.1402%。表明，SLBESS快速充放電響應(yīng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)電壓沖擊以及三相不平衡度影響甚微，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來(lái)安全隱患。

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)相電壓

圖8 并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)率

圖9 并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡率

表3 并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)性與不平衡率評(píng)估結(jié)果

SLBESS充放電過(guò)程依賴于電力電子裝置，會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定諧波污染。SLBESS出力時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)三相電流三相電流均存在不同程度的畸變。對(duì)三相電流進(jìn)行10次及以下諧波頻譜分析可得，A，B，C相電流THD 分別為-40.25 dB，-37.77 dB，-37.21 dB，諧波含量分別為0.9711%，1.2922%，1.3778%，符合電網(wǎng)對(duì)電力電子負(fù)荷諧波的并網(wǎng)要求。表明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的SLBESS未對(duì)主網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)電池動(dòng)態(tài)可重構(gòu)拓?fù)洌岢隽送艘蹌?dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)梯次利用管理方法，研制了SLBESS樣機(jī)并進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)，構(gòu)建了SLBESS在高光伏滲透率ADN中應(yīng)用分析框架。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，量化分析SLBESS接入ADN后的運(yùn)行效益和性能。

以上網(wǎng)總功率交換量和波動(dòng)性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，SLBESS有利于實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電就地消納，降低ADN上網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)主網(wǎng)的影響，起到削峰作用，并在一定程度上延緩升壓主變壓器升級(jí)改造；以并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)性和三相不平衡度，以及諧波含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，SLBESS頻繁地充放電切換并未對(duì)電壓穩(wěn)定性造成安全隱患，諧波含量也未對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染；以實(shí)現(xiàn)退役動(dòng)力電池梯次應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能為目標(biāo)，提供示范性工程項(xiàng)目，有助于支撐新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、光伏扶貧等國(guó)家政策的實(shí)施。

研發(fā)的SLBESS樣機(jī)容量較小，僅為示范性工程應(yīng)用，后續(xù)將結(jié)合實(shí)際區(qū)域電網(wǎng)需求，繼續(xù)完善相關(guān)技術(shù)。