【摘 要】火电厂联合电化学储能辅助调频系统应用越来越多，利用电池储能技术具有快速精准的响应能力，有效缓解火电机组的AGC调频调节延迟、调节偏差、调节反向和单向调节的四个问题，从而提升调频收益。本文着重研究储能系统电池侧运维，分析现场辅助调频储能系统易发问题，总结运维经验，提供储能系统运维的技术难题解决方法，为储能调频系统提供高性能电源，从源头提升综合调频性能K值，起到降本增效的明显作用。
【关键词】火电厂 辅助调频 运维
1、火电厂联合储能调频系统
目前，广东电网执行电力调度控制中心2008年发布的《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》。根据调频辅助服务市场交易规则，调频里程补偿费用由调频里程、调频结算价格、综合调频性能三者乘积计算得出；其中的综合调频性能K值主要由机组的调节速率、响应时间和调节精度决定，优异的调频性能不仅直接提高调频补偿收益，也能保证机组长时间中标，进而增加调频里程。储能电池的性能直接影响到综合调频性能K值。下面以广东电网某火电厂已投运1年半的储能辅助调频系统为研究对象，着重讨论日常运维的要点和处理频发问题的关键技术。
某火电厂联合储能辅助调频系统共有5个储能电池箱，1～4号储能电池箱为995kWh/个，5号储能电池箱为半箱配置497.5kWh/个，每箱含有4个电池堆（或称为电池架），每个电池堆由3个电池簇，电池簇额定电压 691.2V，电压范围 583.2V～777.6V，额定容量 55.296kWh。每个电池簇包含9个电池模组。每个电池模组内含48块3.2V/40Ah单体电芯，电压范围2.7V～3.6V，单体电芯采用2并24串方式联结。电芯正极材料采用磷酸铁锂，具有重量轻、体积小、效率高、安全性能好、环保无污染等特点。
2、能量管理系统
EMS（能量管理系统）是AGC应用模块，旨在实现储能系统自动参与电厂二次调频。系统接入电网调度或电厂DCS系统，自动接收实时的AGC功率指令，基于经济性算法实时计算储能出力并下达至储能PCS，实现秒级功率输出响应。储能系统能量分配分配模块根据储能系统总出力指令，基于储能系统内各电池系统工况自动进行计算，得到实时的各个储能集装箱的出力要求，将出力指令实时下发，控制储能系统出力，使系统处于经济的运行状态。其主要特点如下：（1）自动实时功率分配，自动识别设备就地维护状态，在部分设备维护时保证整个储能系统正常运行，自动实现多组储能集装箱的SOC均衡。（2）毫秒级精确控制充、放电功率，采用专网连接双向逆变PCS，控制电池充放电，实现毫秒级精确控制。（3）电池SOC自动整定，自动分时分批整定电池SOC，保证电池信息的正确可靠。
3、电池电压分析
EMS（能量管理系统）控制电池的充放电是以电池堆为单位进行指令下发，1个电池堆有1296个单体电芯，其中任何1个单体电芯出现问题，将会直接导致该电池堆限制充放电功率或者闭锁充放电，甚至触发保护动作跳闸，损失功率500KW，对系统的影响很大。可以说电池的好坏是个需要时刻关注的问题，掌握分析单体电芯好坏的方法，有利于快速找到有问题单体电芯进行处理，可以采用电压均衡技术改善电压偏差，用横向电量分析、手动放电检测和大数据分析这3个方法进行单体电芯质量评估。其中大数据分析方法需要拷贝大量数据，用专门软件进行分析，技术掌握在厂家手中，本文不作讨论。下面主要讨论现场用到的电池电压均衡方法、横向电量分析和手动放电检测这三种方法。
3.1、电压均衡方法
储能电池经过一个时间段的充放电，单体电压会产生偏差，也就是电池出现衰减。电池衰减产生的原因一般分为两类，一类是电池内部因化学物质的损失导致的不可逆衰减，也称作电池老化，而当气候温度变化或者电池电芯不一致时导致电池性能下降，我们称之为可逆衰减，既然衰减“可逆”，就有办法延缓或恢复，其中气候温度变化可以通过恒温控制解决，“电芯不一致”的状况这时候就要有BMS(电池管理系统)来为电池电芯“妙手回春”，其中很重要的“治疗过程”就是“电池均衡”或称之为电池均衡修复。随着使用年限和充电次数的增加，电池内部不可避免的出现变化每个电芯的容量或者SOC都会产生参差不齐的现象，根据木桶原理，一个平放的木桶它能装的水量是由最短板，决定的电池包的容量也是如此。电压均衡技术其原理为将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去。具体实施方法如下：当发现单体电芯电压偏差大于0.05V时，将电池堆负荷断开，投入电压均衡功能，一般经过2-3个小时单体电芯电压偏差情况明显改善，当单体电芯电压偏差小于于0.05V时，退出电压均衡功能。电池均衡的意义就是利用电力电子技术，使电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的情况发生。当电池由于老化、电芯短板等原因出现电压偏差时，电压均衡技术作用不大，只能找出已受损的电池进行更换修复。
3.2、横向电量分析
假设时刻1，整个储能系统所有的电池剩余电量SOC一致，电池充放电功能正常，无任何限功率因素，经过一段时间的充放电到达时刻1。理论上，从时刻1到时刻2，这时间段内各个电池堆的累计充、放电量应该一致，如果不一致，则认为有电池出现故障，无法进行正常充放电。利用这个原理，横向比较各个电池堆在某个时间段S1内的累计充、放电量可以宏观判断出电池堆之间的健康情况，进而快速锁定出现问题的电池堆。
现场实际运维中，需要排除温度的影响，确定整个充放电回路没有开路，留意电池实际充放电频率，另外考虑到极端情况：电池堆1在时刻1已充满电，电池堆2在时刻1已放空电，到达时刻2时，两者累计充、放电量偏差可达到250KW.h。事实上，各个电池堆充放电时间段S1越长，累计充放电量越大，则得出的数据越准确，越容易评估出各个电池堆的健康状况和之间的差异。
3.3、手动放电检测
横向电量分析可以宏观判断出有问题的电池堆，但是没办法找到具体损坏的单体电芯，要找到损坏的单体电芯需要采用手动放电检测的方法。将故障电池堆的控制模式切换到“本地”，通过人为手动控制双向变流器PCS进行小功率放电，一般放电功率可设为50KW，放电直到开关自动停止或跳闸，此时通过BMS（电池管理系统）监控模块可以明显找到受损的单体电芯，将其更换或修复。
3.4、电池电量SOC标定
SOC(State ofcharge)，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。当SOC=0%时表示电池放电完全，当SOC=100%时表示电池完全充满。电池SOC不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。这些参数还会受到电池老化、环境温度变化影响，在实际整包应用中，由于电芯的串并联组合，会使情况变得更加复杂，因为不同电芯间难免存在欧姆内阻、极化内阻、自放电率、初始容量等差别。储能电池SOC估算准确度受到众多因素影响，因此想要电池全生命周期范围内都能准确预估SOC，依旧是一个世界性的难题。精确的SOC 估算能够反映一些重要的信息，比如电池的性能、电池的剩余寿命等，这些信息最终都会导致对电池的功率和能量的有效管理和利用。此外，SOC估算可以用来调节由于电池的过放和过冲而导致电池的寿命降低、爆炸或者起火，加速老化和电池电芯结构的永久性破坏。因此，准确的SOC指示对于用户的便捷性和确保电池的效率、安全性和寿命非常重要。一个精确的SOC估算是我们对于消除热失控导致的失效和调节电芯均衡的基本考虑点。另外，电池剩余电量SOC作为EMS（能量管理系统）控制策略算法的一个重要参数，其准确性会直接影响到EMS下发的充放电功率大小。国内外普遍采用SOC估算的方法有：放电试验法、安时法、开路电压法、内阻法、卡尔曼滤波法、线性模型法和神经网络法等。本文主要对现场实际采用安时法SOC自动标定和充放电试验手动SOC标定法展开分析讨论。
3.4.1、电池电量SOC自动标定
记录电池工作过程中的累计放电安时数、累计充电安时数以及累计安时电量。根据所述累计安时电量确定所述电池放电过程的起始时刻以及结束时刻：所述起始时刻为电池具有最大累计安时电量的时刻，所述结束时刻为电池具有最小累计安时电量的时刻；根据起始时刻、结束的累计放电安时数以及累计充电安时数计算电池的实际容量。实际容量=｜A12-A11｜-｜A22-A21｜，其中A12为结束时刻的累计放电安时数，A11为起始时刻的累计放电安时数，A22为结束时刻的累计充电安时数，A21为起始时刻的累计充电安时数；根据当前时刻的电池的累计放电安时数以及累计充电安时数计算电池的SOC值，SOC=[实际容量-（｜A13-A11｜-｜A23-A21｜）]/实际容量；其中，A13为当前时刻的累计放电安时数，A23为当前时刻的累计充电安时数。
电池电量SOC自动标定方法具有自动操作，准确度高的优点，缺点是估算技术需要非常精确的测量数据，实际运行中会出现累计偏差，时间长就会导致计算得出的SOC值与电池实际SOC值偏差越来越大，此时需要进行人工放电试验法进行纠正。
3.4.2、手动SOC标定法
人工充放电试验手动SOC标定法，是通过人为对电池进行充放电来估算SOC的办法。该方法实施前，需要满足电池电芯无短板、电池电压已均衡这两个前提条件，否则会降低手动SOC标定的准确度。人工充放电试验手动SOC标定操作方法如下：将需要手动SOC的电池堆切换到“本地”充放电模式，通过人为手动控制双向变流器PCS进行小功率放电，一般放电功率可设为50KW，放电直到开关自动停止或跳闸，此时SOC设置为0%，再手动充电到自动停止，此时SOC设置为100%，再通过一个循环充放电来验证标定电量准确性。此方法也可用于人工计算电池实际容量。
人工充放电试验手动SOC标定法具有方法简单、准确度高的优点，缺点是需要专业人员进行操作，耗时长，需要断开负荷会影响调频收益。
4、总结
火电联合储能调频的最终利润主要由投资、损耗和调频收益决定，按目前市场磷酸铁锂电池的采购价格约2元/Wh，4.5MWh的储能系统光电池成本约900万元。运行过程中电池电压不均衡、电池电芯短板、电池电量SOC失真等几个关键性的频发问题，不但会影响到辅助调频的收益，也会影响电池的充放电循环次数和使用受命，需要长期高度关注。受制于目前科技水平和工艺，储能系统的维护重点应该放在电池侧，及时发现并处理问题，提高处理问题的能力和效率，不断改善控制策略和算法，对延长电池的使用寿命和提升辅助调频的收益，具有重大积极意义。
5、参考文献
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[3]张会刚.电化学储能材料与原理.化学原理和方法,2020
[4]科陆电子.CL6421 储能调频控制装置用户手册
[5]科陆电子.CLOU ESS/CL5231G01 箱式储能系统用户手册
作者简介：李东，（出生1990年10月23日），身份证号：44098119901023****，性别:男，民族:汉，籍贯:广东省茂名市，职务:继电保护检修工，学历:本科，研究方向:电力技术.