储能系统与微电网的九个技术趋势

近日，北控清洁能源有限公司执行董事、执行总裁王野在一次储能论坛上，并发表了储能微电网的9大关键技术主题演讲。以下为王野的演讲内容节选：

我在传统能源干了十年，搞核电二十年，然后又干太阳能、风电，我今天要谈的是储能微电网的关键技术探讨。在谈技术之前我也稍微谈谈我们做储能、做可再生能源的初衷。现在美国有一个统计，目前最便宜的电价电源是风电，其次是光伏。去年在阿布扎比未来能源公司在中东的出口电价是每千瓦时1.79美分，这个价格已经远远低于传统能源的电价。

国内实施的“光伏领跑者计划”，北控在江苏宝应的投标价为0.47元/kwh，那边的平均上网电价是0.399元。当时光伏的组件是按2.7元/W计算，现在组件已降到了2.2元、2.3元。按照这个趋势发展下去，不管是光伏还是风电，平价上网的目标很快就会到来。可再生能源的经济性是有的，但是解决不了的一个问题就是它的波动性。我个人认为如果可再生能源要大面积使用的话，没有高效率低成本的储能是不可能做到的。

能源革命的终极目标是全世界100%的能源来自于光伏、风电、氢能燃料电池等可再生能源。主要有三种供给方式：一是集中式光伏、风电新能源+储能的能源供给方式，二是大型的独立储能电站化学储能、抽水蓄能等，三是以用户侧区域性微电网群(虚拟电厂)为架构的模式。

当新能源+储能的度电成本低于传统的化石能源时，微电网群和集中式新能源+储能的这种模式将会爆发式增长。而作为能源革命的关键技术，微电网及微电网群控制EMS系统、储能系统BMS、PCS系统将是能源革命成功与否的关键。

关键技术1——项目顶层设计

大规模的储能系统有着不同的应用场景和商业模式，有的储能系统是单一的电网调峰，有的是调峰、调频和调压等多重应用场景的结合。根据不同的项目，大规模储能系统功率的配置和电池的配置、选型也是完全不同的，这个系统目标函数要系统安全、稳定、可靠，要有经济性。

大功率储能系统的顶层设计是非常重要的，涉及到储能功率配置、储能Pack成组和储能容量配置等诸多因素。一个光伏电站平均的储能时间是10分钟还是20分钟、还是50分钟，这个电网是有要求的。比如现在青海要求光伏、风电有10%的储能容量的配比，不同的地方配比是不一样的。另外充放电电流大小、BMS均衡电流大小、调峰容量需求以及一次、二次调频所需时间，这些约束条件和最后要达到的目标之间要确保整个流程设计是闭环的。

关键技术2——储能系统集成

根据储能系统的顶层规划，储能系统集成需要从最底端的电芯选型到电池模组、电池包和电池簇再到储能系统的配置进行全方位的把控。包含了BMS分时均衡的电池个数、均衡电流大小、集装箱内部热管理系统、PCS工作模式、PCS底端控制逻辑及上层EMS控制策略的制定等。

原来的储能电池是来自于汽车的动力电池，一个电动汽车的电芯数大约几百个最多一千个，大功率储能系统包含的电芯个数是以万来计甚至以十万来计，最大的问题就是它的不一致性。它是具备短板效应的，我管几百个电芯还可以，同时让几万、几十万个电芯要达到一致性是非常难的。

关键技术3——BMS均衡技术

大功率储能系统单体容量大，所以在顶层设计时一定要从BMS开始。电芯刚出厂后，我可以对所有电芯进行一次性选择尽量保持一致性。但是运行一段时间后，电化学电池对温度的反应非常敏感，它的不一致性又增加了，差异性又出来了，那在这个过程中怎么控制，怎么把有一些性能变差的电芯怎么找出来，在运行过程的周期中进行均衡，让它再恢复一致性。这个在整体的控制策略中要考虑到。

储能系统的高效率低成本一个是系统集成的成本，另一个是运行中的成本。电芯成组后不一致性会倍增，BMS均衡控制难度加大。大容量的储能系统需要电芯并联进行容量扩充，BMS对并联电芯的检测手段难以准确判定问题电芯和问题Pack，一个电芯如果是40安培的话，需要并联的组串就比较多，这个时候怎么检测，运行一段时间后再怎么进行均衡，均衡的电流要配多大，其实这跟你的成本息息相关。

在电池运行过程中，由于各类因素的影响导致不同的Pack其衰减曲线不一致，从而扩大储能系统内部的不一致性，怎么解决这个问题?BMS的硬件设计、在线均衡策略必须和Pack设计以及整个储能系统功能参数紧密结合。BMS均衡能整体提升储能系统的充、放电容量，降低系统的短板效应。

首先是电芯级的SOC估算精度。包括电芯电压变化率小于BMS电压采集精度时候的自我修正和SOC错误标定后的自我修正。

其次是电芯级的SOH估算精度。实时快速的确定每个电芯的SOH是对均衡策略一个重要指导，可对系统进行在线维护和电芯更换提供数据支撑。包括BMU内电芯均衡、跨BMU之间的电芯均衡、电池簇之间的均衡，为全面的电芯电压、SOC、SOH电芯温度制定出最优的均衡策略。

现在我们国家的储能系统、微电网系统最缺的就是对系统研究比较透彻的系统集成商，这是个系统工程，并不是我买个厂家替我做BMS就可以了，这块需要我们大家共同努力。

关键技术4——PCS多级V/F并联技术

传统的PQ控制方式不足以体现储能系统灵活、快速、稳定的电源特性，传统的V/F控制方式难以实现多机并联，电压源容量和支撑能力的扩充受限。

对于大规模储能系统，PCS多级V/F并联技术一直是业界急需攻克的难题。PCS多级V/F并联技术可以大幅度降低系统造价，简化系统设计，提高系统瞬时反应能力。

关键技术5——PCS无缝切换技术

PCS以V/F的形式并网运行，给电网提供一次调频、调压等电力辅助服务。在电网故障时，它无需进行PQ和VF的切换直接进入到孤网运行模式，为孤网提供电压和频率的设定值(reference)，从而确保重要负荷的不间断供电。该项技术的使用可以使PCS系统替代传统的UPS系统，同时可以提供传统UPS系统不能实现的一次调频、二次调频和无功调节等电力辅助服务。

该项技术可以广泛应用于数据中心和对电能质量要求高的客户，同时对提高微电网供电可靠性有着重要作用。

关键技术6——智能化能量管理系统EMS

智能化EMS系统能够对未来系统运行状态进行预判，从而提前调整系统控制策略，使得系统不断的自我优化。必须遵循以下三点：

1. 以确保系统连续稳定运行为第一原则;

2. 充分利用不同电源的特性，精控储能，充分实现经济性;

3. 不断持续优化控制策略，形成自学习型系统。

我们已经在运行的一个电站，EMS能够根据电池BMS的采集数据、光伏发电实际和预测数据以及电网调度指令，通过人工智能算法在线对储能系统进行充放电修正。在数据每天都不一样的情况下，可以实现对PCS的工作模式进行自由切换。如果在调频阶段就切换成V/F模式，如果在一般阶段就用PQ源模式，所有的工作状况是根据现场的实际情况在不停切换的，从而确保电池在各种工况下循环寿命最大化。

关键技术7——“新能源+储能”的协调控制

通过不同的EMS控制策略，“新能源+储能”可以参与电网调频、调峰并能够提前24小时对新能源发电出力进行预测，预测精度能够达到85%以上，高于火电等常规机组的调节性能。这个技术的实现使得光伏、风电配置储能系统后将转变为一个可控能源，随着新能源和储能系统度电成本的不断降低，新能源将全面替代化石能源最终实现能源革命，而且这个是可以远程操控的。

关键技术8——微电网及微电网集群控制

未来的发展趋势是以微电网为单元，微电网集群为区域的供电方式，大电网将逐步退至后备电源的地位。由此衍生出的虚拟电厂、云端大数据调度平台以及各种人工智能算法，大数据挖掘技术将成为微电网及微电网集群EMS的一个发展趋向。

关键技术9——区域能源管理平台(区域自治)

分布式发电与大电网的关系，从单方面依赖转变为合作互赢。区域能源管理平台可实现对多个微电网的运行控制，建立多微电网间的竞价机制。将来通过云计算，我们把这些分散化的分布式电源，不管是光伏、风电还是储能电站也好，统一把它们调度起来，这是我们研究的一个方向。

未来会把供暖、供冷和供电等多样能源的转换，通过各种储能技术(储电、储热和储冷)，利用能源最优调配进行EMS来实现。北控团队在这方面已经做好充足的技术储备，并计划在相关项目上进行实施。