精细化控制技术帮助电池储能系统提高安全性和经济性｜获得上海市科技奖

我是强国复兴的人

2023年上海市科技奖

展示卓越的创新成果

10月23日，上海科技奖再次公布。胸怀“国家之大”，坚持“四个方向”，大量标志性成果涌现，为上海国际科技创新中心建设的关键跃升期增添了底色和亮度。

2023年上海科技一等奖获奖项目突出创新成果来了！本专栏以“强国复兴有我”为主题，重点向公众宣传项目要解决的问题、重要创新、实际应用效果等。

本期“档案”大揭秘

项目名称:核心技术、设备和应用电池储能系统精细化控制。

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

电力是生产生活中的核心要素，电力系统的建设离不开电力系统的生产、传输、分配和应用。目前，我国正在积极建立以保障能源和电力安全为前提的新时代供电系统，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以建设高比例新能源供应和消费系统为主线，以“源-网-荷-储”多项协同、灵活互动为支撑。储能作为新型电力系统的四个关键环节，其重要性不言而喻。

目前，新建电网侧和电源侧锂电池储能电站的安装容量已经从100兆瓦时向吉瓦时迈进。为了降低大型储能电站集电系统结构，降低储能系统之间震荡失衡的风险，单机储能系统的最大容量不断增加，达到10兆瓦时级。

但是，单机储能系统容量的增加面临着许多问题。首先是安全问题。2011年以来，世界上发生了数百起储能事故，其中一半发生在2022年以后，因为电池状态识别和安全预警能力差，电池变质后处理不及时。其次是经济问题。大容量电池系统包括海量电池芯。在系统运行过程中，电池离散度增加，形成短板效应，导致电压失配。造成电池储能系统“效率低下，使用不满，使用不久”；另外，新能源高渗透下电网减弱，储能装备与电网能量宽频藕合明显，造成震荡失衡，同样也会造成安全经济问题。所以，准确识别状态、电压失配补偿和快速稳定控制是大空间储能装备安全经济性提高亟待解决的核心难题。

储能系统精细化控制团队攻关十余年，创造了电力电子电池技术、电池并联扩展技术、大空间储能稳定控制技术，开发了相关设备、平台和系统，大大提高了储能系统的安全性和经济性，并在10多家龙头企业推广应用，帮助储能行业发展。

01

“打破信息壁垒”，

建立信息能量一体化控制

电力电子电池

锂电池的内部参数和外部信息之间存在巨大的信息壁垒。由于储能电池本身的特点，电池的电压变化在电池常见的电量状态范围内并不明显，仅靠电压、电流等有限信息很难准确投射电池的内部参数和状态变化，从而增强了电池状态识别的偏差。此外，由于传统的电池储能系统大多采用“气体、声音、光线”等故障报警方式来处理系统的安全问题，电池失效预警时间窗口大大压缩，系统安全性降低。

电池电化学阻抗是通过内部参数和外部信息进行交流的桥梁，可以直接反映电池状态和劣变信息。

因此，团队首创了具有信息能量一体化控制能力的电力电子电池技术，克服了电池电化学阻抗谱的在线测量和应用方法，通过功率转换模块主动对电池施加功率鼓励，可以在线扫描电化学阻抗谱，构建电化学阻抗和电池状态的精确投射模型，实现电池状态的精确识别和劣变预警。劣变电池可以提前20天定位，每天充放电一次。为达到国际领先水平，大幅扩大电池安全预警时间窗口。

电力电子电池

02

"四两拨千斤"，

平衡低损耗并联电池之间的状态

在大空间储能装备中，由于储能电池芯出厂时参数不完全一致，存在微小差异。当数百个电池芯直接串联形成电池组时，当多个电池组并联形成电池系统时，很容易导致每个电池组的内部状态不一致，最终导致并联电池组之间的电压差异，导致并联流动，经济性下降。传统的技术路线大多采用功耗约占设备额定输出功率1.5%的全功率变换器来抑制电池之间的电压差异，大大增加了系统的消耗、成本和体积。

针对上述问题，储能系统精细化控制团队提出了基于电压补偿簇控变换器的电池簇并联扩展技术。电压补偿变换器只补偿并联电池簇之间的差值电压，大大降低了变换器的功率需求。变换器的额定功率只有全功率变换器的2%，功耗占设备额定功率的0.1%。；提出与结构相对应的状态自适应精细化控制方法，有效抑制电池之间的环流和状态误差，整体技术达到国际领先水平。

电池并联扩容技术基于电压补偿变换器。

03

"自己和人是稳定的"，

突破大空间储能装备

适应性稳定控制技术

随着电力电子设备在电力系统中所占比例的不断增加，传统火力发电机组的比例可以自适应调节电网的稳定性，增加了系统震荡和失衡的风险。在电网电压突变等情况下，使用固定控制参数的大容量储能装备可能无法满足高动态响应要求。另外，由于多个储能设备之间的响应速度不同，多机并联运行时容易出现多机间功率来回传递，影响系统的经济性和运行可靠性。

针对上述问题，储能系统精细化控制团队提出“单机稳定性” 多机合作控制技术，揭示了储能系统的动态稳定机制，提出基于“暂态阻尼 动态下垂控制完成了单机稳定，提出了基于“关键参数方法灵敏度分析”的参数值调节方法，实现了多机协同稳定，支撑了弱电网下大规模储能装备的稳定运行。这种稳定性控制结果使设备的功率响应速度提高了5倍，完成了百兆瓦级储能构网和跟网型的全覆盖。结果证实了国内外44个电池储能站，在电网频率的影响下，快速支撑系统的频率恢复，有效保证了电网的安全。

单机稳定 多机协同应用领域

近三年来，储能系统精细化控制团队相关设备装机20.7吉瓦，助力全球首个百兆瓦级网络储能电站商业化运行；形成的系列储能技术推广到多家储能相关企业，助力行业发展。

看未来，研究团队将在精细化控制技术的基础上继续深挖，使成果应用于各种新型电化学储能介质，为提及方法的实用性打下坚实的技术基础。

原标题:“精细化控制技术有助于提高电池储能系统的安全性和经济性｜《上海市科技奖》

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