强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
项目名称：电池储能系统精细化管控关键技术、装备及应用
完成单位：上海交通大学
完 成 人：李睿 等
奖励等级：技术发明一等奖
电能是生产生活中的核心要素，电能的生产、传输、分配、应用离不开电力系统的建设。我国目前正在积极建立以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以“源-网-荷-储”多项协同、灵活互动为坚强支撑的新时代电力系统。储能作为新型电力系统四大部分的关键一环，重要性不言而喻。
目前，新建电网侧和电源侧锂电池储能电站的装机容量从百兆瓦时向吉瓦时迈进，为减化大型储能电站集电系统结构并减小储能系统间振荡失稳风险，储能系统单机最大容量也持续增加，已达十兆瓦时级。
然而，储能系统单机容量增加面临诸多难题。首先是安全性问题，由于目前电池状态辨识和安全预警能力弱，电池劣化后处理不及时，2011年至今，全球已发生百余起储能事故，其中半数事故发生在2022年后；其次是经济性问题，大容量电池系统包含海量电池芯，系统运行过程中电芯离散性加大，形成短板效应，引发电压失配，导致电池储能系统“效率低、用不满、用不久”；此外，新能源高渗透下电网变弱，储能装备与电网能量宽频耦合显著，引发震荡失稳，同样将引发安全经济性问题。因此，状态精准辨识、电压失配补偿和快速稳定控制是大容量储能装备安全经济性提升亟需攻克的核心难题。
储能系统精细化管控团队十余年攻关，发明了电力电子化电池技术、电池并联扩容技术、大容量储能稳定控制技术，开发相关装备、平台和系统，大幅提升储能系统安全经济性，在10余家头部企业推广应用，助力储能产业发展。
“破除信息壁垒”，
建立信息能量一体化管控的
电力电子化电池
锂电池内部参数与外部信息存在巨大的信息壁垒，由于储能电池自身特性，在电池常用的电量状态区间内，电池电压变化极不明显，仅靠电压电流等有限信息难以准确映射电池内部参数及状态变化，增加了电池状态辨识误差；此外，由于传统电池储能系统大多采用“气体、声、光”等故障后报警方式来处理系统安全问题，大幅压缩了电池失效预警的时间窗口，降低系统安全性。
电池电化学阻抗是沟通电池内部参数和外部信息的桥梁，可直接映射电池状态与劣化信息。
据此，团队首创了具备信息能量一体化管控能力的电力电子化电池技术，攻克了电池电化学阻抗谱在线测量与应用方法，通过功率变换单元对电池主动施加功率激励，可在线扫描电化学阻抗谱，并构建电化学阻抗与电池状态精准映射模型，实现电池状态精准辨识和劣化预警，以每天充放电一次计，可提前20天定位劣化电池，大幅扩展电池安全预警的时间窗口，达到国际领先水平。
电力电子化电池
“四两拨千斤”，
实现低损耗并联电池间状态均衡
大容量储能装备中，由于储能电池芯出厂时参数不完全一致，存在细微差异，当成百上千只电池芯直接串联形成电池簇，多个电池簇再并联形成电池系统时，容易导致各电池簇内部状态不一致，最终造成并联电池簇间电压差异，引发并联环流，造成经济性降低。传统技术路线多采用功耗约占装备额定输出功率1.5%的全功率变换器抑制电池间电压差异，大幅增加了系统损耗、成本和体积。
针对上述难题，储能系统精细化管控团队提出了基于电压补偿式簇控变换器的电池簇并联扩容技术，电压补偿变换器仅补偿并联电池簇间差额电压，大幅降低了变换器功率需求，变换器额定功率仅为全功率变换器的2%，功耗占装备额定功率0.1%；提出与架构对应的状态自适应精细化管控方法，有效抑制电池间环流和状态偏差，整体技术达到国际领先水平。
基于电压补偿变换器的电池并联扩容技术
“稳定由己及人”，
攻克大容量储能装备的
自适应稳定控制技术
随电力电子装备在电力系统中占比的日益增加，挤压了可自适应调控电网稳定性的传统火电机组占比，增加系统振荡和失稳风险。采用固定控制参数的大容量储能装备在发生电网电压突变等场合，可能难以满足高动态响应需求。此外，由于多个储能装备间存在响应速度差异，多机并联运行时容易出现多机间功率来回传递，影响系统经济性与运行可靠性。
针对上述难题，储能系统精细化管控团队提出了“单机自稳+多机协同”控制技术，揭示了储能系统动态稳定机理，提出基于“暂态阻尼+动态下垂”控制，实现了单机自稳，提出基于“关键参数模式灵敏度分析”的参数调控方法，实现多机协同致稳，支撑了弱电网下规模化储能装备稳定运行。该稳定控制成果使装备功率响应速度提高5倍，实现了百兆瓦级储能构网和跟网型全覆盖。成果在国内外44个电池储能站得到实证，电网频率大扰动下快速支撑系统频率恢复，有效保障电网安全。
单机自稳+多机协同应用场景
储能系统精细化管控团队近三年相关装备装机20.7吉瓦，助力世界首例百兆瓦级构网储能电站商业化运行；形成的系列化储能技术推广至多家储能相关企业，助力行业发展。
瞄准未来，研究团队将在精细化管控技术的基础上继续深挖，使成果应用于各类新型电化学储能介质，为所提方法的通用性打下坚实的技术基础。
来源：上海科技
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