一种分散式电池储能系统

完成单位：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司

主要完成人：刘明义、曹曦、曹传钊、裴杰、刘大为、朱勇、徐若晨

一、研发背景

新能源发电具有波动性和随机性的特点，大规模新能源接入电网在能源消纳和电网稳定性等方面带来挑战。储能技术是解决能源消纳问题、构建以新能源为主体的新型电力系统和实现“双碳”战略目标的关键支撑技术。以电池储能为代表的新型储能产业已经由商业化初期步入规模化发展阶段。电池储能具有响应速度快、建设周期短、占地面积小等优点，可提升电网调峰、调频能力和稳定性，近年来呈规模化、爆发式增长态势，大容量电池储能技术的研究具有重要的现实意义。

传统电池储能系统通常将多个电池簇并联汇流后进行集中式能量处理。这种架构决定了系统只能实施粗放式能量管理，存在以下问题：

（1）电池参数容差和工作温度差异不可避免，并联的各电池簇功率出力不均衡，存在并联“木桶效应”限制可用容量，并且容易出现部分电池簇超倍率运行的现象，导致系统容量异常衰减，例如某集中式电池储能电站运行3年后可用容量衰减58%；（2）电池簇内电势不一致造成簇间环流严重，增加电池发热量，推高安全风险，且系统循环效率提升困难，长期低于85%；（3）电芯内短路故障易在并联的电池簇之间快速蔓延，推高整个“电池堆”安全风险，系统稳定性脆弱；（4）电池管理系统（BMS）智能化程度低，多采用故障后报警策略，系统保护措施滞后，电站运检操作缺乏指导，安全事故多发，例如韩国多起电池储能电站火灾事故主要原因之一即为系统管理粗放。随着单个储能电站容量逐渐增加，大容量电池储能系统的控制与管理精细化程度亟待提高。

为了突破传统集中式电池储能系统的技术瓶颈，本项目团队历经十年持续攻关，在业内首次提出了分散式电池储能系统架构，开发了电芯级状态智能预诊断技术，并在新型关键设备、精细化控制算法等多个方面进行了大胆创新，实现了一系列核心技术突破和百兆瓦级储能电站工程应用的成功。目前已经形成了一套完善的大容量电池储能分散式管理技术体系。

二、发明团队介绍

《一种分散式电池储能系统》研发团队核心成员20余名，专业覆盖材料、化工、电力电子、电力系统自动化、热能工程、计算机技术、大数据智能运维等。经过十余年的磨炼与积累，该团队已构建了电芯—模组—电池簇—直流储能舱、电池管理控制系统、储能变流系统、能量管理系统等储能电站核心产品的研发体系。

针对大容量电池储能电站暴露的安全性低、系统协调性差、能量利用率低等问题，团队在行业内率先提出了一整套解决方案：提出电芯层级不一致性和电池簇层级不一致性问题的解决方法；提出基于电芯全生命周期大数据的关键参数智能识别算法和故障智能预诊断算法，开发了新型能量管理系统（EMS）及其智能控制技术；开发了适用于分散式储能的模块化储能变流器（PCS），开发了EMS、PCS、电池管理系统（BMS）融合智能控制体系；形成了高功率密度、高效率、高可靠性的规模化智能分散式电池储能电站应用技术体系，并在百兆瓦级分散式独立储能电站成功示范应用。

以分散控制储能技术为核心，该团队已申请发明专利168项，PCT 6项，已授权发明专利32项，PCT 2项，实用新型专利73项，软件著作权21项。牵头发布集团标准1项，参与起草发布团体标准2项，正编制行业标准2项，企业标准3项，已构建较为完备的专利保护体系。2022年10月，申报的《基于精细化分散控制的大容量电池储能系统关键技术及应用》获得2022年度中国能源研究会能源创新奖一等奖。团队自主研发的分散式PCS、BMS、EMS已取得相关机构型式认证，并投入到工程项目使用。截止2022年11月30日，已签订横向合同额超22亿元，累计完成655MWh储能设备交付，已签订储能设备供货合同容量共计1.6GWh。

笃行致远，砥砺前行。该项目团队将继续开展电池储能新技术、新产品的研发工作。根据电池储能工程项目实施过程中出现的问题、新需求等开展针对性的技术开发。积极推动储能产业合作、技术创新、专业交流、标准研制、技能培训等方面的工作，为产业良性发展做出贡献，为“十四五”期间新型储能的规模化、产业化和市场化发展助力。

三、成果(专利)简介

本专利“一种分散式电池储能系统”，属于电池储能技术领域。近年来随着新能源发电快速发展、电池储能装机容量爆发式增长，本专利技术成果精准的解决了当下大容量电池储能电站存在的安全性低、系统协调性差、能量利用率低等问题，体现出巨大的技术优势和推广前景。

3.1 本专利技术方案

本专利公开了一种分散式电池储能系统，包括电池储能模块、电池管理模块、功率变换模块、预诊断模块、能量管理模块、变压器模块。其中电池储能模块，即电池簇，是由N个单体电池串联组成电池模组，再由若干电池模组串联组成电池簇；每个电池模组对应连接一个一级电池管理单元，每个电池簇对应连接一个二级电池管理单元，一级电池管理单元与二级电池管理单元连接组成电池管理模块；功率变换模块是指DC‑AC双向储能变流器，连接电池簇与变压器，实现直流与交流的功率变换；预诊断模块通过读取二级电池管理单元数据进行诊断，将结果传输到能量管理模块，能量管理模块通过综合采集结果，调整系统的控制策略。

本专利解决本领域关键性、共性的技术难题，主要体现在以下几个方面：

1）难题：大容量电池系统通常由大量电芯串并联组成，而电芯参数容差不可避免。为节省成本，传统大容量电池储能系统通常采用多个电池簇直接并联的集中式架构，如图1a所示。并联的电池簇管理粗放，相互之间存在不可控的并联环流和“木桶效应”问题，而且会出现一部分簇实际出力不足，而另一部分超出倍率使用的现象，导致环流损耗和安全风险高、可用容量低、系统故障率高、系统寿命异常衰减等问题，并且随着时间的推移情况会加速恶化。而且如果某个电池簇出现电芯内部短路，存在故障快速蔓延失控、单个电芯短路引起整个“电池堆”发生事故的风险。

            图1a 集中式架构           图1b 分散式架构

解决：提出电池簇能量独立精细化控制的分散式电池储能系统架构，如图1b所示。抛弃传统的电池簇并联集中能量处理方式，对电池储能系统的能量处理架构进行全面革新，在行业内率先开发了“一簇一管理”的电池储能系统架构，实现电池簇能量精细化独立控制。通过将模块化PCS与单个电池簇一一对应，从根本上解决电池簇的并联失配问题，消除了簇间环流问题和环流损耗以及电池簇并联“木桶效应”，系统循环效率提升约5个百分点，可用容量提升约7个百分点。

2）难题：电芯是电池系统的最基本能量存储单元，电池系统安全事故也通常由单个电芯引发。电芯状态检测和判断是系统实施智能化、精细化控制和高效运维的基础。传统BMS对电池历史运行数据利用不充分，对电池数据分析不够精细和全面，不能根据电芯衰减情况动态调整安全参数范围，所以缺乏对电芯提前维护的指导性意见。而且传统BMS安全防护主要侧重于电池热失控甚至燃烧发生后的消防灭火，缺乏事故前的故障预警能力，无法提前杜绝安全问题。这都导致电池储能规模化应用过程中存在严重安全隐患。

解决：首次提出并开发了电芯级状态智能诊断系统。通过大数据方法对电芯全生命周期运行数据进行精细化分析，提出容量增量法等电芯特征值在线免拆解快速识别算法，参数识别误差低于5%；提出包含内阻一致性、容量一致性、微短路等状态检测在内的全方位电芯级故障预诊断算法模型，可实现电芯安全保护阈值实时更新，故障预诊断准确率高于90%；开发了首个布置在电站现场的整站电芯级预诊断标准化柜产品，大幅度提高了电站运维精细化水平。

3）难点：传统EMS管理粗放，不具备对每个电池簇进行独立控制的能力，经常会出现某些电池簇出力不足，而另一些实际超额定倍率运行的情况，造成系统故障率高、可用容量衰减速度快，电池簇不一致性和安全风险加速恶化，推高系统故障率。另外，传统EMS无法根据电芯潜在安全风险实现提前降额运行，无法真正实现智能控制。单电池簇SOC校准过程繁琐，不具备自动校准功能。

解决：开发了适用于分散式架构的新型EMS及其智能分散控制技术，重新规划了系统管理层级和内部组网方式，对各电芯关键数据进行清洗、筛选、测算和分析，对电池簇功率分配实时优化调整，杜绝了电池簇超额定倍率运行的现象。可最大限度发挥分散式架构优势，挖掘每个电池簇容量潜力，突破了集中式储能系统中“木桶效应”对系统可用容量的限制。同时实现了电池簇能量动态均衡控制、系统充放电功率控制和电网故障穿越控制的有机统一，在控制层面实现了电池能量的精细化和智能化管理。开发了故障电池簇的灵活快速旁路、隔离及降额技术。基于EMS的簇级管理能力开发了电池簇SOC自动校准功能，解决了传统SOC校准方法需停机的难题。

4）难题：电池储能系统的百兆瓦级规模化应用带来以下挑战：（a）系统架构的革新要求PCS重新设计，在保持高效率的同时还需考虑交流侧并联PCS数量增多带来的协同控制难度增加以及高频环流和震荡问题；（b）考虑节省占地面积，主体设备的功率密度要求高；（c）传统EMS、PCS、BMS之间功能协同能力差，数据和通信资源浪费严重，规模化应用时问题更加突出；（d）海量电芯的安全管理和运维难度高。

解决：业内率先开发了适用于分散式架构的模块化PCS，其中单级式模块化PCS最高效率高于99%，实现了单簇能量的独立、高效率处理；建立了EMS、PCS、BMS融合智能控制体系；形成了高功率密度、高效率、高可靠性的大容量电池储能电站精细化管理技术体系。

依据本专利的开发的关键技术，2021年7月30日完成中国电力科学院科技查新，结论为相关技术在所检出的国内外相关文献中未见报道；8月17日完成中国电机学会的科技成果鉴定，结论为该项目成果总体达到国际先进水平，其中分散式智能控制和电芯智能预诊断技术达到国际领先水平。

2.本专利新颖性和创造性

对申请日前公开的现有技术，进行了深度检索，提取了3篇与本专利技术相接近的文件。

对比文件1：国家电网公司薛金花等，于2013年申请、2016年授权的发明专利ZL201310302750.X，公开了一种新型电池储能系统及其功能一体化设计的方法。该系统包括储能单元、电池管理系统BMS、储能变流器PCS、储能监控系统EMS。其中，储能单元包括储能电池组EB、电池管理系统BMS和储能变流器PCS，储能电池组EB与电池管理系统BMS连接，电池管理系统BMS分别与储能电池组EB和储能变流器PCS连接。储能监控系统EMS输入端与电池管理系统BMS输出端连接，储能变流器PCS和储能监控系统EMS相互通信。原理框图见图2。

图2 一种新型电池储能系统及其功能一体化设计的方法原理框图

本专利与对比文件1的区别技术特征为：

1）本专利含有预诊断模块，可进行高精度SOC、SOH计算，判断电池、模组、电池簇的健康状态，帮助能量管理系统进行功率分配等功能，大幅度提高了电站运维精细化水平。

2）本专利储能变流器模块采用单级DC/AC双向变流器，而对比文件1中采用多个DC/DC并联接入一个DC/AC的双级结构。随着电芯质量和容量的不断提高，采用单级式功率变换电路，可提升系统效率、简化系统结构、降低系统成本。

3）本专利每个电池簇内的多个电池模组串联连接，电池簇之间互相独立解耦，解决了簇间并联失配、环流及其带来的安全风险和损耗问题。

对比文件2：比亚迪股份有限公司曹虎等，于2020年申请、2021年授权的实用新型专利ZL202021260234.7，公开了一种电池储能系统。该系统包括并联设置在直流母线上的电池串支路，电池串支路上设有电池串，电池串支路上还设有与电池串和直流母线相连的升降压控制模块，升降压控制模块包括串联设置的电池升压控制模块和电池降压控制模块，电池升压控制模块用于对电池串支路的支路电压进行升压调整，电池降压控制模块用于对所述电池串支路的支路电压进行降压调整。

本专利与对比文件2的区别技术特征为：

1）本专利包括电池储能模块、电池管理模块、功率变换模块、预诊断模块、能量管理模块、变压器模块，是一套完整地实现交直流功率转换的储能系统。而对比文件2中，涉及一种实现电池串并联的方法，对应于本专利的电池储能模块部分。

2）本专利电池储能模块之间互相独立解耦，通过单级DC/AC双向变流器完成直流到交流的功率变换，而对比文件2通过升降压模块将电池串并联连接到直流母线，加大控制复杂性和环流风险。

对比文件3：宁德时代新能源科技股份有限公司梅敬瑶等，于2014年申请、2017年授权的发明专利ZL201410474487.7，公开了一种电池储能系统和供电系统。包括EMS、PCS和储能单元。其中，PCS包括通过开关器件相互连接的功率转换部和控制器，储能单元包括通过动力线相互连接的电池组和BMS，EMS、控制器和BMS相互之间均具有通信链路。

本专利与对比文件3的区别技术特征为：

1）本专利含有预诊断模块，可进行高精度SOC、SOH计算，判断电池、模组、电池簇的健康状态，帮助能量管理系统进行功率分配等功能。

2）本专利每个电池簇内的多个电池模组串联连接，电池簇之间互相独立解耦；对比文件未涉及。

综上，与对比文件1-3相比，本专利最主要的区别技术特征为：设计了预诊断模块，可进行高精度SOC、SOH计算，判断电池、模组、电池簇的健康状态，帮助能量管理系统进行功率分配等功能；采用单级DC/AC双向变流器，提升系统效率、简化系统结构、降低系统成本；每个电池簇内的多个电池模组串联连接，电池簇之间互相独立解耦，解决了簇间并联失配、环流及其带来的安全风险和损耗问题。该技术特征是非显而易见的、具有突出的实质性特点和显著性的进步。对比文件1-3未对本专利的新颖性和创造性构成实质性影响，本专利的权利要求具有新颖性和创造性，符合专利法第二十二条第二、三款有关新颖性和创造性的规定。

3.本专利技术优势

分散式电池储能系统相比于传统集中式储能系统在电池簇工作状态一致性、系统容量可用率、效率、循环寿命、故障下系统可用率、故障预警能力、运维难度、安全性等多个方面具有优势，各项技术指标处于国际领先水平。主要技术指标与国内外平均水平对比如表1所示。

表1  本项目储能系统主要技术指标与国内外平均水平对比

4.本专利实用性

本专利技术成果精准的解决了当下大容量电池储能电站存在的问题，体现出巨大的技术优势和推广前景。

此技术方案，先后在华能内蒙古东部公司扎赉诺尔新能源发电分公司、华能德州新能源有限公司、华能烟台新能源有限公司、华能济南黄台发电有限公司、华能丰城新能源有限责任公司、华能江西清洁能源有限责任公司等“新能源+储能”和独立储能项目中进行推广应用。

2021年12月29日，由华能清能院自主研发的100MW/200MWh独立储能电站在华能黄台电厂实现全容量并网，标志着全球首座百兆瓦级分散控制储能电站正式投运。该项目采用直流1500V分散式电池储能技术和精细化管理模式，可实现电芯级故障智能预诊断和电池簇SOC自动校准，显著降低运维工作量。电站综合性能指标达到国际领先水平，在效率、容量可用率、安全性和稳定性等方面均具有领先优势。

四、成果（专利）转化情况介绍

为促进专利“一种分散式电池储能系统”技术成果转化，主要采取了以下措施：积极参与市场营销，清能院主要通过展会宣传、行业技术研讨与投标实施，争取潜在客户；加大企业研发投入，清能院加大人力、物力投入，凭借着在储能领域多年积累的技术经验以及专业人才的引进，研发迭代出性能优良的高质量产品；择优代工生产。清能院根据对行业内的调研，选择有生产资质和实力的厂家，进行代工生产，实现技术成果转化。

运用以上措施，使本专利技术迅速占领市场应用，截止2022年11月30日，已签订横向合同额超22亿元，累计完成655MWh储能设备交付，已签订储能设备供货合同容量共计1.6GWh。具体有《青海格尔木2MW/2MWh电池储能项目》、《华能英国门迪99.8MW电池储能电站现场调试技术服务合同》项目、《毫州220kV 华能蒙城县小涧二期风电场项目》、《华能扎赉诺尔矿区排土场三期100MWp光伏电站项目5MW/5MWh储能设备供货》项目、《华能德州丁庄水库 200MW 光伏发电项目 4MW/8MWh 储能系统项目供货》项目、《华能山东半岛南4号海上风电项目陆上集控中心储能系统设备供货》项目、《华能济南黄台发电有限公司100MW/200MWh储能电站项目总承包》项目、《华能丰城生态综合利用光伏示范基地一期项目湖塘乡渔光互补项目12MW/12MWh（交流侧）储能系统设备采购》项目、《华能南城县里塔镇农（林）光互补发电项目储能系统设备采购合同》项目、《华能儋州农林渔光互补光伏发电项目储能系统设备采购》项目、《华能永昌河清滩50MW光伏发电项目储能系统设备采购》项目、《华能安北第三风电场风光互补50兆瓦光伏项目储能系统设备采购合同》项目、《华能宾川龙口农业光伏发电项目15MW/30MWh储能系统设备采购》项目、《 华能北方上都百万千瓦级风电基地配套储能EPC项目》项目、《华能塔城老风口50MW风电项目储能系统设备采购合同》项目、《华能蒙东伊穆直流外送岭东100万千瓦风光项目莫旗20万千瓦光伏工程30MW/60MWh储能设备供货》项目、《华能蒙东伊穆直流外送岭东100万千瓦风光项目扎兰屯30万千瓦风电工程45MW/90MWh储能设备供货》项目、《华能蒙东伊穆直流外送岭东100万千瓦风光项目莫旗30万千瓦风电工程45MW/90MWh储能设备供货》项目、《华能蒙东伊穆直流外送岭东100万千瓦风光项目阿荣旗20万千瓦风电工程30MW/60MWh储能设备供货》项目。

此外，基于本专利技术，清能院先后进行了《电池储能系统关键技术研究与示范》、《电池全生命周期大数据故障诊断及预测技术》、《重力压缩空气储能系统优化和关键技术研究》、《光伏储能电站配置优化和运维技术研究技术服务合同》、《高性能电池储能系统集成关键技术研究与示范》、《储能电站一体化管控系统开发和热管理技术研究》、《新一代安全的大型电池储能电站集成设计》等多项储能科技项目的研发，并先后获中国可再生能源科技技术进步二等奖、中国能源研究会能源创新一等奖、中国华能集团一等奖，清能院科学技术进步一等奖。

五、相关专利布局情况

专利布局情况见表2所示。

表2  相关专利布局

六、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益

清能院通过自行实施生产与提供技术服务，截止2022年11月30日，已完成了20个工程应用项目，具体经济效益如下：

2020年华能蒙城小涧二期风电场等，4个项目合同额1845万元，利润为180.4万元；

2021年济南黄台100MW/200MWh储能电站项目、华能南城县里塔镇农（林）光互补光伏项目25MW/25MWh储能系统项目等，5个项目合同额共43739万元，利润为3634万元。

2022年华能儋州农林渔光互补光伏发电项目、华能永昌河清滩50MW光伏发电项目、华能北方上都百万千瓦级风电基地配套储能EPC项目等11个项目合同额共181416万元，利润近2亿元。

2.社会效益

本专利技术所形成的大容量电池储能系统精细化控制关键技术已经成为行业里的一张名片，引领了电池储能向高安全性、高智能化和精细化方向发展。其社会效益主要体现在以下方面：

（1）华能清能院担任IEEE PES储能技术委员会（中国）产业合作分委会秘书处单位，发明人刘明义担任该分委会秘书长，积极推动储能产业合作、技术创新、专业交流、标准研制、技能培训等方面的工作，为产业良性发展做出贡献；

（2）分散式架构解决了电池簇并联失配问题，智能预诊断技术大幅提高了故障预警能力，有效规避了储能电池安全风险，在电池储能电站安全问题上取得重大突破，为产业快速发展保驾护航；

（3）储能技术进步对于解决新能源消纳问题、提升电网稳定性和经济性、构建新型电力系统、实现“双碳”目标具有重要意义。以黄台100MW/200MWh储能电站为例，一次可充电量21.2万kWh，年增加消纳新能源电量约1亿kWh，相当于压减煤炭消费约3万吨；

（4）本项目成为催生储能产业新业态、打造新能源经济新引擎的突破口之一，带动电池、电力电子、电力系统等专业人员加入新能源行业，对于促进产业结构转型和劳动力就业具有重要意义；

（5）形成了完善的规模化分散式电池储能技术体系和工程应用技术体系，形成了产研相互促进的良好局面，契合“十三五”以来新型储能由研发示范向商业化初期过渡的进程，为“十四五”期间新型储能的规模化、产业化和市场化发展打下了重要基础。