基于退役电池的直挂母线式储能系统研究

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受DC-DC模块和电池管理系统成本及其容量的限制，传统储能系统在直流配电网中的应用受限。国网四川省电力公司电力科学研究院、成都星河科技责任有限公司的研究人员张华、苏学能、马林森、万承宽，在2021年第6期《电气技术》上撰文，提出一种基于退役电池搭建的直挂母线式储能系统，该储能系统可以随着直流配电网电压波动，以投退不同电池组模块的方式来调节储能电池的出口电压，实现储能电池充放电的目的。

随着我国经济的发展，居民生活水平得到了显著提高，私家车保有量实现了爆发性增长，而汽车尾气带来的环境污染和温室效应问题越来越突出。为缓解环境压力，国家“十二五”相关规划将新能源相关产业列为重点发展和战略性新兴产业并对其加以扶持。

统计数据显示：2016年，中国新能源动力电池配套总容量达到28.14GW∙h；2017年中国新能源汽车动力电池装机总容量为36.24GW∙h。从企业保质期、电池循环使用寿命、车辆使用工况等方面综合估计，自2018年开始新能源动力电池将进入规模退役阶段，预计到2020年将有累计超过24.6GW∙h容量的电池达到退役标准。

一般来说，新能源汽车对动力电池的报废标准是电池容量低于80%，然而直接将剩余容量为70%～80%的动力电池进行资源化回收是极大的浪费，因此电动汽车退役电池的二次利用成为能源良性循环的必然需求。2016年，我国电动汽车退役电池再利用量还不到0.15万t，在2017年也只有不到0.4万t退役电池进入二次利用环节，占到总容量的5%。因此，寻找行之有效的退役电池再利用方案已成为亟需解决的关键问题。

目前电动汽车退役电池的二次利用已受到许多学者的关注，学者们做了大量的基础性研究工作。目前我国已有诸多企业或研究单位开始着手研究退役电池二次利用在大型储能站及家用储能等方面的商用方案，并有不少成功案例。

比如，万向电动汽车有限公司于2012年承担国家863计划，且已经开发出一整套电动汽车退役电池绿色回收处理的工艺技术，并建立了完整供应链的电池回收基地，回收基地实现了20t/年的退役锂电池无害回收。2014年中国电力科学研究院、国网北京市电力公司与北京交通大学三方研究机构共同开展了一项100kW∙h梯次利用储能系统的工程示范项目。

充电站作为随机性较强的不确定负荷，其工作过程中的功率波动对电网电压影响较大，这样会增加电网电压波动及其谐波含量。利用大功率储能电池可以缓解因负载波动导致的电网电压波动，然而大容量储能电池的造价高，难以广泛推广，因此本文提出一种低成本的直挂母线式储能系统实施方案。

本文搭建了基于退役电池的直挂母线式储能系统，本储能系统可以通过直流母线电压与储能电池出口电压的差控制储能电池组模块的投入或退出，以实现储能电池的充电或者放电功能。与传统储能系统相比，本储能系统采用退役电池且无需投入电池管理系统和DC-DC模块，大大节约了成本，实现了低成本下的自动充放电功能。

1  储能系统分析

1.1  储能系统模型

储能系统结构如图1所示。

图1  储能系统结构

1）直流配电网的额定功率为10kW，额定电压为400V，GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》中指出直流网压的波动范围为20%～5%，即设定工作电压为320～420V。

2）储能系统的投切开关都是独立可控的。

3）储能系统每个电池组模块都可以独立采集电压，设定电池组模块电压分别为E1=300V，E2=48V，E3=24V，E4=12V，E5=6V，E6=3V，E7=12V，E8=6V，E9=3V。

储能系统工作过程中包含以下两种工作模式：1）充电模式。通过控制Kij的开关状态实现储能系统电压小于直流配电网电压；2）放电模式。通过控制Kij的开关状态实现储能系统电压大于直流配电网电压。

1.2  储能系统保护系统

1）硬件保护

本储能系统的硬件保护主要包括以双向开关组成的电压保护模块和以熔断器组成的电流保护模块。

（1）本文中控制总开关S由两个功率开关管MOSFET串联组成，双向控制开关如图2所示。MOSFET串联形式不仅可以控制电流方向，而且当外部电压突变或电流过大时，可以迅速切除储能系统进而有效保护储能系统。当储能电池组处于充电或者放电状态时，S1和S2的通断状态是相反的，即充电或放电状态下，S1和S2只有一个工作；这样可以通过控制S1和S2的工作状态来控制储能系统的充电或者放电状态，并且可以防止因电压突变导致的充放电状态转换。当储能系统处于待机状态时，S1和S2都处于关断状态。

图2  双向控制开关

（2）线路串有熔断器，其中熔断器的最大承受电流设定为储能电池组正常工作电流的1.5倍，这样可以保证线路电流过大时，断开直流母线和储能系统的电气连接。

2）软件保护

本储能系统的软件保护是由软件控制双向开关来实现电流保护和电压保护的。

（1）电压保护：当检测到母线电压异常或者储能系统电压异常时，投退双向控制开关。

（2）电流保护：当检测到工作电流过大时，投退双向控制开关。

软件保护和硬件保护是储能系统保护系统的两种体现形式。其中软件保护作为第一道防线可以实现无损伤的快速防护，若软件保护功能失效或无法及时投退开关时，硬件保护功能作为第二道防线以硬通断的方式切断储能系统和电网的电气连接，保证电网和储能系统的运行安全。

2  直流配电网系统分析

图3所示为简易直流配电网充放电原理，图3中，三相交流电压Ua、Ub、Uc经整流系统得到的直流电压代表直流配电网系统，储能系统端电压为E，通过投切R2可以实现直流系统在轻载和重载间的转换。其中，I1为直流配电网系统输出电流，I2为储能系统输出电流，UL为直流负载的端电压，r为线路电阻。

图3  简易直流配电网充放电原理

根据图3可得

式（1）

由式（1）可知，当输入电压UO不变时，其输出电压UL随负载电流的增大而减小，故当系统处于重载时系统输出电压UL降低。为减小重载时的工作电流对负载电压的影响，增加储能电池为负载供电，使直流母线的线损减小，避免因线损导致的负载端电压过低。

3  控制策略

控制流程如图4所示，首先采样各电池组模块电压及其开关状态，然后根据充放电模式控制储能电池各电池组模块的工作状态，实现储能电池的自动调节功能。

其具体操作流程如下：

1）初始化及采集数据。将所有储能电池控制开关投入，即将图1所示储能系统开关K1、K2、…、Kn（合为1，开为0；其中Ki=1表示Ki1=0，Ki2=1）投入，总开关S投退，根据当前电压估算所有电池荷电状态（state of charge, SOC），即SOCi值，并分别为各电池组的充电和放电状态标志位Ci和Fi赋值，执行完成后转入2）。

2）采集所有电池组模块的开关状态量Ki及其电压值Ei和直流配电网电压E，根据开关状态量Ki及其电压值Ei计算当前储能电池组的出口电压U，得到储能电池组电压与直流配电网电压之差E，执行完成后转入3）。

3）判断当前储能系统是否处在主动充放电状态，若处于主动充放电时执行充放电控制逻辑，否则通过工作区间执行充电控制逻辑或放电控制逻辑，不在充放电工作区间则退出系统继续执行2）。

4）充放电控制逻辑包括充电控制逻辑和放电控制逻辑。其中充电控制逻辑主要表现在：

（1）电池组监测。监测已投入的电池组是否完成充电，若监测到某电池组SOC为1且处于投入状态，则通过主开关S判断当前储能系统是否已投入，若储能系统投入则做标记记录，若储能系统未投入则退出开关并进入充电逻辑控制部分。

（2）储能电池组状态判断。若监测到投入的储能电池已完成充电或者储能电池未完成充电但是系统无工作电流，则投退总开关及电池组的串联开关，静置5min后重新评估电池SOC，并据此对电池充放电状态进行评估；若监测到投入的储能电池未充满则继续执行（1）。

图4  控制流程

（3）充电逻辑。通过判断电网电压与电池组出口电压的差值，来控制电池组模块的投退，进而实现储能电池组出口电压满足充电需求，结合阈值Eref控制充电过程中的最大电流，满足条件后投入总开关S。

控制执行机构如图5所示。放电控制逻辑与充电控制逻辑类似，不再赘述。

图5  控制执行机构

4  仿真分析

基于图3，利用Matlab/Simulink仿真工具搭建仿真模型，通过投切直流负载R2得到图6所示电压、电流的瞬态响应曲线。当投入R2时，因负载阻值变小，直流配电网的工作电流增大，使其损耗增大，直接导致其输出电压降低。设定负载电压达到UL= 395V时，储能电池可以自动投入为负载供电。从图6可以看出，负载电压骤降到阈值后可以迅速恢复平衡。

在投入储能电池后，储能电池开始供电，直流配电网电压提高；另外，在投入储能电池时，由于储能电池电压与负载电压的差较大，导致储能电池投入瞬间会为负载供电，造成储能电池在投入瞬间的工作电流突增。

图6  投切重载时，电压、电流的瞬态响应曲线

5  实验验证

考虑本实验系统的容量较小，且投入的负载无法改变电网电压，故本文中的实验装置主要验证控制逻辑的正确性，系统参数见表1。基于图3所示原理图，搭建了图7所示的实验装置，利用该实验装置进行测试。显示器界面如图8所示。

表1  系统参数

图7  实验装置

图9（a）为锂电池组充电波形，初始状态只有直流母线为负载供电，此时母线电压为370V，在T0时刻投入电池组，储能电池组监测到母线电压值后，得到开关矩阵为A1=[1  0  1  1  1  1  1  0  0]，此时储能系统的开路电压为361V，并于T1时刻投入储能系统总开关S，实现储能系统与母线并网连接。

当T2时刻直流母线电压提高到395V，储能系统的工作电流过大，通过软件保护逻辑在Q点投退储能系统总开关S，实现储能电池组与储能系统脱网运行，并于T3时刻将所有锂电池开关投退，此时输出电压为零。

储能系统监测到当前母线电压后，在T4时刻得到新的开关矩阵A2=[1  1  0  0  1  1  1  1  1]，此时开路电压为387V，T5时刻投入总开关S，此时母线与储能系统再次并网连接。同理，图9（b）为锂电池组放电波形，其投入串联开关矩阵由a1= [1  1  1  1  0  0  0  0  0]变为a2=[1  1  0  0  1  1  1  1  1]。

图8  显示器界面

图9  充放电实验波形

6  结论

为解决储能电池再利用的难题，本文提出了一种基于退役电池的直挂母线式储能系统，该储能系统通过改变储能电池模块的投退状态来控制储能电池的端口电压。利用Matlab/Simulink搭建的实验平台验证了在电网电压波动时，储能电池可以快速可靠投入以稳定电网电压，且可以通过在电网重载时使储能系统处于放电状态，而在电网轻载时使储能系统处于充电状态，来实现储能电池组对电网的削峰填谷的作用，这对保证直流电网的可靠性和稳定性具有积极意义。

本文编自2021年第6期《电气技术》，论文标题为“基于退役电池的直挂母线式储能系统研究”，作者为张华、苏学能 等。