储能技术 光伏储能技术究竟是什么？看完这个终于明白了！

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介绍

2014年，中国开始大规模发展能源互联网和储能系统。储能电站(系统)在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配合新能源接入、线损补偿、功率补偿、电能质量改善、孤网运行、调峰填谷”等几大功能应用。比如削峰填谷，改善电网的运行曲线。通俗地说，储能电站就像一个水库，可以在低用电期间储存多余的水，在用电高峰时再利用，减少电能的浪费；此外，储能电站还可以降低线路损耗，延长线路和设备的使用寿命。

本文主要介绍储能系统。

一个

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离网储能系统

离网光伏发电系统又称独立光伏发电系统，主要由光伏组件、DC/DC充电控制器、离网逆变器和负载组成。

图2

离网系统由以下部分组成:

电池模块、光伏充放电控制器、电池组、离网逆变器、交流/DC负载。

光伏充放电控制器，主要功能是控制蓄电池的充放电，保护蓄电池的过量充放电。离网逆变器，离网逆变器的功能是将DC能量转化为交流能量提供给负载。

我们常见的离网储能系统是太阳能路灯。光伏组件，一个烟盒大小的控制器，一个几十瓦的LED灯，一节或多节电池就可以提供夜间照明。

较大的离网储能系统是“户用系统”。笔者2006年刚入行时，国内光伏行业还处于起步阶段。为了解决青海和藏西北牧民用电问题，国家实施了几个“光明工程”，即一户开发一套光伏“户用系统”。

一套家用系统300W左右，2块电池板，一台集成逆变控制机，2-4块12v和12V100AH的电池，晚上可以看LCD电池和LED灯照明，也可以用一些小电机(藏人搅拌酥油和牛奶的机器)。

对于较大的离网电站，笔者参与了多个项目。经典的是北京慧能阳光“青海玉树宗达寺”100kW离网太阳能电站。这座寺庙有200多名喇嘛，每天用100度电。这个电站的建设解决了这些喇嘛的用电问题。

图3

并网储能系统

3.1系统组成

在图4所示的方案中，储能电站(系统)主要配合光伏并网发电应用，因此整个系统是一个包括光伏模块阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统(BMS)、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统的发电系统。

光伏模块阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后对锂电池组充电，通过逆变器将直流电转化为交流电，为负载供电。

根据日照强度和负载的变化，智能控制器不断切换和调整电池组的工作状态:一方面，调整后的电能直接送到DC或交流负载。另一方面，剩余的电能被送到蓄电池中储存。当产生的能量不能满足负载的需要时，控制器将蓄电池的电能发送给负载，从而保证整个系统的连续性和稳定性。

并网逆变系统由若干个逆变器组成，将蓄电池中的直流电转换成标准的380V市电，接入用户端低压电网或通过升压变压器送至高压电网。锂电池组在系统中起着能量调节和负载平衡的双重作用。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能，储存起来供电源不足时使用。

3.2电池选择

储能电池作为与光伏发电相连的储能电站，实现调峰填谷、负荷补偿、提高电能质量，是非常重要的部件，必须满足以下要求:

易于实现多模式组合，满足更高的工作电压和更大的工作电流；

可以对电池容量和性能进行检测和诊断，使控制系统能够在预测电池容量和性能的情况下实现电站负荷的调度控制；

安全性和可靠性高:正常使用下，电池正常使用寿命不低于15年；极端情况下，即使发生故障，也在控制范围内，不应有爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障；

具有良好的快速响应和高速率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力；

充放电转换效率高，安装维护方便，环境适应性好，工作温度范围宽。

几种电池的性能比较

从初期投资成本来看，锂离子电池竞争力较强，而钠硫电池和全钒氧化还原液流电池尚未产业化，供应渠道有限且价格昂贵。在运行维护成本方面，钠和硫需要持续加热，全钒氧化还原液流电池需要泵进行流体控制，增加了运行成本，而锂电池几乎不需要维护。根据国内外储能电站的应用现状和电池特点，建议选用磷酸铁锂电池作为储能电站的主电池。不推荐使用铅酸电池的原因是电池寿命。大品牌铅酸电池在频繁充放电的情况下寿命只有2.5-3年左右，锂电池寿命会长很多。

3.3能源管理系统

储能电站中，储能电池往往由几十个甚至上百个电池组组成。在生产和使用过程中，电池的内阻、电压、容量等参数不一致。当电池组充满电或放电时，串联电池之间的电压或能量的差异表明了这种差异。这种情况会导致部分过充，而电压过低的电池在放电时可能会过放电，这样会明显增加电池组的离散性。使用过程中更容易发生过充过放，整体容量急剧下降。整个电池组显示的容量是电池组中性能最差的电池芯的容量，最终导致电池组过早失效。

因此，磷酸铁锂电池组需要平衡保护电路。当然，锂电池的电池管理系统不仅是对电池的平衡保护，对保证锂电池储能系统稳定可靠的运行也有更多的要求。

1个单电池电压均衡功能

该功能是为了校正串联电池组中的电池单体因工艺差异而引起的电压或能量的离散性，避免单个电池单体过充或过放而导致的电池性能劣化甚至损坏，使所有单个电池的电压差都在一定的合理范围内。每个电池之间的误差要求小于30mv。(电动车刚刚突破这个瓶颈)

2电池组保护功能

单体电池过压、欠压、超温报警，电池组过充、过放、过流报警保护，关机等。

3收集的数据主要包括

单体电池电压，单体电池温度(实际上是每个电池模块的温度)，组端电压，充放电电流，计算电池内阻。

通信接口:采用IEC61850数字通信协议。在储能电站系统中，需要与调度监控系统进行通信，发送数据，执行指令。

4诊断功能

BMS要有分析诊断电池性能的功能。根据对电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压的实时测量，以及计算出的电池内阻等参数，通过对诊断模型的分析，可以得到单体电池当前容量或剩余容量(SOC)的诊断、单体电池健康状态(SOH)的诊断、电池组的状态评估以及放电过程中当前状态下可持续放电时间的估计。根据电动汽车相关标准《锂离子电池组通用要求》(目前储能电站没有相关标准)的要求，剩余容量(SOC)的诊断准确率为5%，健康状态(SOH)的诊断准确率为8%。

5热量管理

锂电池模块在充电过程中，会产生大量的热能，使整个电池模块的温度升高。所以BMS要有热管理的功能。

6故障诊断和容错

出现异常时，BMS应发出故障诊断报警信号，并通过监控网络发送至上层控制系统。储能电池组中每串电池的实时监测，通过监测和分析电压、电流等参数计算内阻和电压变化率，参考相对温升等。，检查电池组中是否有坏的、不能再使用的或可能即将坏的电池，判断故障电池及其位置，发出报警信号，并对这些电池采取适当的处理措施。当故障积累到一定程度时，可能发生或开始发生严重事故，输出重要报警信号，切断充放电电路母线或分支电池组，避免严重事故的发生。采用电池旁路或能量转移等储能电池容错技术，避免单个电池失效时影响整个电池的运行。

管理系统对系统自身软硬件具有自检功能，即使设备损坏也不会影响电池安全。确保管理系统的故障不会导致储能系统的故障，甚至导致电池损坏或严重事故。

7其他保护技术

对于电池的过压、欠压、过流等故障，切断电路进行保护。对于瞬时短路过流状态，过流保护的延时时间通常至少在几百微秒到几毫秒之间，而短路保护的延时时间为微秒级，几乎在短路的瞬间就切断了电路，从而避免了短路造成的巨大破坏。总线电路一般采用快速熔断器，各电池模块采用高速电力电子器件实现快速切断。

8电池在线容量评估SOC

在测量动态内阻和真电压的基础上，利用充电特性和放电特性之间的对应关系，采用多种模式和分段处理方法建立数学分析诊断模型，测量剩余功率SOC。分析了锂电池的放电特性，采用动态更新电池电量的方法，考虑电池的自放电现象，基于积分法测量了电池的在线电流、电压和放电时间，预测计算了电池在不同放电条件下的剩余电量，并根据电池的使用时间和环境温度对充电预测进行了修正，给出了剩余电量SOC的预测值。

为了解决电池电量变化对测量的影响，可以采用动态更新电池电量的方法，即将上次放电的电量作为本次放电的参考电量，这样随着电池的使用，电池电量的减少就体现为参考电量的减少；同时，需要根据外部环境温度的变化对参考功率进行修正。

建议

储能系统和微电网系统投资大，蓄电池成本相当高。据笔者计算，一个工厂储能系统(夜间从电网取电，白天高峰释放)需要达到0.5-0.7元锂电池储能才能实现低利润。储能系统技术复杂，非专业设计院无法设计，各设备厂家要密切配合。

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