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并网型储能系统电池组之性能
 

【作者: UL】2018年11月08日 星期四

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储能系统(ESS)已逐渐用於电网支援,尤其是在再生能源渗透率高的地区。


常见的ESS 应用包括:


· 频率或伏特调节


· 尖峰用电调节


· 稳定再生能源


· 电力品质


· 能源套利


目前已有多种可用的ESS技术与设计。就特定应用而言,有些技术优於其他。



图1 :  储能系统已逐渐用於电网支援,尤其是在再生能源渗透率高的地区。(source:UL)
图1 : 储能系统已逐渐用於电网支援,尤其是在再生能源渗透率高的地区。(source:UL)

选择ESS技术时,最重要的是了解该技术在所欲采用的应用与地点能不能有好表现。及早发展出ESS的性能标准、评量指标与里程碑相当重要,而 为了达成此目标,已有大量努力投入协定的订定和发展中,譬如PNNL-22010(能源储存系统性能 之统一测量与表示协定)首次发布於2010年,并於 2016年更新,目的是为了因应新的应用。另外,最 近发布的IEC 62933-2-1(储能系统 - 第2-1部分:单位叁数与测试方法 - 一般性规格)则是针对ESS性能的协定。



图2 : 目前已有为电力调节系统而设计的性能协定,不过却少有专门为应用於电网中作为ESS之一部份的电池系统而开 发的性能专案。(source:UL)
图2 : 目前已有为电力调节系统而设计的性能协定,不过却少有专门为应用於电网中作为ESS之一部份的电池系统而开 发的性能专案。(source:UL)

尽管首要目标可能是为了确定某ESS的整体性能,不过每个子系统的运作都须针对目标的应用而各别验证。目前已有为电力调节系统而设计的性能协定,不过却少有专门为应用於电网中作为ESS之一部份的电池系统而开 发的性能专案。PNNL协定也面临了类似的问题,需要能 够评估ESS电池系统组件之性能和可靠度的方法与评量 标准。此套评估系统必须包含一般性基准评量标准与针对特定应用之评量标准。


本文说明如何评估与测试应用於电网中之固定型电池系统的性能与可靠度。


范围

本文指出在评估针对电网应用之ESS电池系统组件时所需考量的重点,包括一般性与针对特定应用之性能叁数,建构 出电池系统足以达到基准性能目标的能力标准。除了测试方法以外,执行评估工作的单位是否具备足够知识与能力,亦同样重要。


本文涵盖的装置范围仅止於电池系统,这些系统是供应整体储存机制之ESS的其中一个组成部件。换言之,本文并 不针对ESS的整体性能,这部分是由前述提及的其他文件所涵盖,譬如PNNL。图1是ESS主要组件的系统方块图,包 括电池储存装置和电池管理系统(BMS)。



图3 : 包含电池系统示意的储能系统方块图(source:UL)
图3 : 包含电池系统示意的储能系统方块图(source:UL)

掌握电池系统性能的重要性

为什麽了解使用於ESS应用之电池系统的性能这麽重要呢?既然电池系统只是整体系统中的一个组成部分,为什麽有必要确知其性能,包括特定应用之操作演算法呢?因为选用何种电池技术是决定ESS性能的关键。譬如对於ESS而言,很重要的是一组整合的电池系统必须在其 使用寿命期间可能暴露的温度和负载条件下,提供某应用足够的电能。


典型的ESS包含多个主要组件,这些组 件是在实际环境中组装和委外。很重要的是,设计和整合ESS各个部分时,必须了解不同组件一起运作後的性 能如何?是否能达成预定的功能?如此一来,才能确保根据某应用所选定的技术、设计和控制逻辑会如预期般运作。



图4 :  在投资储能系统时,有足以佐证的数据证明关於电池系统性能和可靠性的假设,同样也很重要。(source:UL)
图4 : 在投资储能系统时,有足以佐证的数据证明关於电池系统性能和可靠性的假设,同样也很重要。(source:UL)

此外,在投资ESS时,有足以佐证的数据证明关於电池系统性能和可靠性的假设,同样也很重要。此佐证数据是整体专案风险和投资评估必要的一环,一般会由??资者或第三方单位进行尽职审查,作为事前评估的步骤之一。


来自具公信力之测试组织的第三方性能数据,对电池系统制造商和其他利害关系者而言十分有价值,因为这些数据能够为他们的行销主张背书,进而吸引对自家系统的投资。电池系统的买主可以运用这些数据来检验系统表现是否真如制造商所主张;在为ESS的建置寻找资金时,也可以将数据作为支持的证据。


了解电池系统

首要须厘清的关键项目是电池系统的特性。电池系统制造商必须针对有关系统之基本性能的属性提出说明。此资讯将连同(多个)采用此系统之应用的特定性能叁 数搭配使用。


该电池系统的测试版本必须能代表即将在应用中使用的整体系统。此测试版本可以是完整规模之电池系统的复制,或者小一号的替代品,只要扩充至完整规模,便能展示系统性能。重要的是,测试方法必须在事前和利害关系者充分讨论,确认他们(投资方、终端使用者、开发者、制造商和独立第三方单位)都能接受该测试计画,认同其足以展示系统的真正性能。测试报告将明确指出受测系统类别,以及该测试版本如何能扩充为完整规模的电池系统。


完整的电池系统将在最终测试报告中详细说明。更多资讯详见本文<技术文件>章节。


基本的关键性能指标

欲使用於储能应用中的电池系统需能展现下列一般基本的性能叁数,包括:


· 在不同条件下的放电性能


· 最大放电电流


· 直流内电阻


· 循环使用与备用模式下的耐久性


按电池技术的不同(如液流电池),评估内容可能包含下列项目:


· 定功率放电时的净放电能量


· 定功率放电时的最大输出功率


· 定功率充电时的最大输入功率


· 定功率循环时的能源效率


透过基本的性能叁数,不论是在持续放电情况下,或 遭遇有可能影响性能表现的可预期环境条件下,都能对电池系统的性能提供概观性的了解。从上述叁数结 果可以得知能源与功率输出的共同足迹,尽管并非针对特定应用,但就电池性能的验证而言,不啻为很好的起始点。


耐久性测试可概略估计电池系统在经过数个循环後的寿命,也可藉此推估欲采用之应用的寿命。藉由测量内电阻建立记号叁数,可以重复测量、前後比较,有助於估测电池系统的健康程度。


此外,还必须考量维持厂内周边系统的寄生负载,对於电池系统整体性能可能造成的作用,而这些亦可纳入一般性叁数中,藉以了解其对系统和其他特定应用测试中类似的量测可能造成的影响。


订定基本叁数的过程中,受测电池的样本在正式开始测试前,会先经过视觉外观检查和充放电循环,以确保该样本的运作都符合规格。


特定应用的关键性能指标


图5 :  电池系统可能使用在各种不同的电网应用中,当采用某特定应用演算法进行耐久性测试时,必须测量多样化的叁数。(source:UL)
图5 : 电池系统可能使用在各种不同的电网应用中,当采用某特定应用演算法进行耐久性测试时,必须测量多样化的叁数。(source:UL)

电池系统可能使用在各种不同的电网应用中,当采用某特定应用演算法进行耐久性测试时,将测量下列叁数:


· 室温下的电池系统能量


· 在不同环境条件下进行耐久性测试时的电池系统能 源效率


· 耐久性测试时的热损耗


· 闲置状态时的能量需求


· 最长启动时间


上述叁数是很好的例子,说明了若欲了解一组电池系统依某特定应用演算法运作时的性能,则需要先知道的性能特性有哪些。


选择第三方供应商时的注意事项

若有意愿去测试电池系统的性能和可靠性,很重要的是必须谨慎选择提供评估和测试服务的供应商。


首先,用於测试电池系统性能的测试设备,必须有足够的能力在受测电池上执行性能测试,还必须经过校正符合ISO 17025实验室要求,包括选用的设备必须有助於叁数 的量测工作达到足够的准确度 (包括容许误差),符合实验室标准。


进行测试作业的设施必须能充分掌控测试环境、电力供应和电力品质,如此一来,才能在符合测试性能准则的情况下进行测试。此外,建议选择通过国家或国际级认证的测试实验室,符合所在国家或地区的已知认证准则,譬如美国的 NRTL,或欧洲地区的IECEE CB制度。



图6 :  进行测试作业的设施必须能充分掌控测试环境、电力供应和电力品质。(source:UL)
图6 : 进行测试作业的设施必须能充分掌控测试环境、电力供应和电力品质。(source:UL)

测试设施必须针对电池系统的安全处置和测试订有标准作业流程(SOP)。负责电池系统测试工作的人员,必须对於电池系统性能测试的测试流程,以及有关电池系统安全处置和测试的实验室SOP,具备全面性的了解。电池系统 SOP 必须包含电池系统在实验设施里的安全处置、操作、测试、运送和储存等流程。


第三方供应商员工的技术能力必须经过评估,他们过去曾经手过的电池和储能系统评估或测试工作,都必须建有完整的追踪档案。欲了解供应商是否有能力在关键技术的执行方面端出好结果,一个初步而简单的指标是观察他们的产品陈列是否安全。


技术文件

在建构电池系统性能时,技术文件能提供必要资讯,是十分重要的一环。技术文件须能针对受测项目描绘出全面而精准的图像,包括系统会如何表现,以及该表现如何连结到电池系统在实地应用时的实际性能。以下列出需要的细节资讯,包括完整描述受测物,以及该受测物与最终组装好之(全) 电池系统的比较。其他系统技术文件如制造商的结构图、电路 图、系统规格、测试资料等等也都很重要。技术文件中提供的资讯越详尽而完整,越有助於全面了解电池系统在储能应用中的性能,也更能提升对系统的信心。


一份详尽的技术文件需要各方共同投入,包括欲寻求第三方性能评估服务的委托单位、实验室,以及服务供应商。尽管技术文件可能存放在单一或多个安全的资料库里,不过记录了测试结果的所有文件,都是属於评估服务委托方的资产。


电池与应用系统资讯

如前所述,关於全电池系统与受测电池系统的完整描述将记录在技术文件中,内容须包括制造商的名称、型号或零件编号、电池技术、内部电气配置(亦即电池和内部模组的平行或系列组合,或液流电池的电池堆大小和配置)、完整电力额定功率,包括以度(kW)计的电力值、充放电特性、内电阻、槽配置与大小(就液流电池而言)、完整的面积(亦即所有组件都到位後的实体尺寸,以公尺计)、以公斤(kg)计的重量,以及制造日期。其他重要资讯如型号、软硬体版本等等,也都必须记录在文件中。


此外,标示於内部电池或电池堆上的资讯也都必须提供,包括关於技术的详细资讯、电池型式、电解质、电池或电池堆的电力额定功率,以及一组全电池或受测电池中包含了多少个单电池或电池堆。


完整描述厂内周边系统的设计,如冷却系统和控制系统,後者包括BMS、帮浦等等。除此之外,为了执行测试和操作受测电池与厂内周边系统,而有必要使用到的任何特殊??路、保护或其他装置,也都必须有详尽的描述。报告还需指出ESS将会直接连结的设备(譬如逆变器、直流电转换器等等)。


照片、图表、绘图和电路图都必须要提供,以详尽描述受到评估的全部电池与受测电池。


此外,技术文件必须包含关於欲采用之(一个或多个)储能系统应用(例如尖峰用电调节、频率调节)的描述,亦须详尽说明为了符合能源或电力应用需求所需要的系统性能叁数。


性能测试技术文件

性能测试文件必须指出电池系统受测的叁数,并明确说明为何受测电池系统的测试结果可以代表整个电池系统。


报告内容也必须详细描述执行测试的单位,以及举行测试的实验室所在地。假如使用了超过一间实验室做测试工作,则每一间都必须叙明,并说明哪项测试是在哪间实验室做的。报告亦须说明测试设施执行测试叁数的能力。此外,会影响测试结果的相关环境条件都必须记录在测试资料里。报告必须提供有关於使用到之特定测试设备的资讯,包括设备校正状态的细节。


报告须涵盖足够的测试细节,以让外界清楚了解系统是怎样被测试的,包括使用的测试方法、假设、资料量测、计 算以及观察和结论,这些都是了解电池系统性能所必须的资讯。若执行测试的实验室认定为必要,则说明测试作业所需的照片、绘图和图表纪录,也都必须包含在内。


测试期间所需的任何特殊操作或电池系统的调整都必须记录在报告中。最後,报告文件须包含所有测试的结果、测试结果是如何被记载、实验室环境条件,以及任何与测试结果有关的结论。


结论

储能系统已渐渐成为能源基础建设中的关键部分,支援各种电网应用。电池系统亦逐渐变成 ESS的技术首选。为 了支持不断成长且使用益发广泛的电池系统,关键是事先评估系统在意图采用的应用中的性能表现。


相关电池系统特性与性能叁数必须建立起来,并透过有着完善记录系统且获各方关键利害关系人背书的测试计画进行验证。藉由稳健的第三方计画来评估电池系统,和该系统在ESS应用中提供目标性能的能力,将会是储能产 业能否在今日能源市场蓬勃发展的重要关键。


(本文作者Laurie Florence1、Rebecca Le2、Tobias Plettner3、Ibrahim Jilani4为UL LLC1(美国)首席工程师、2(中国)首席工程师、3(德国)资深专案工程师、4(美国)资深业务开发经理)


叁考资料


下列文件对於了解本文所指用以确定电池系统性能的方法和流程有很大的帮助。本文所使用的皆为下述文件的最新版本。


·PNNL 2010:2016,能源储存系统性能之统一测量与表示协定


·IEC 62933- 2 - 1 ,储能系统(ESS)- 第 2-1部分:单位叁数与测试方法-一般性规格


·IEC 61427- 2,用於再生能源储存的二次单电池与电池组 - 测试的一般性要求与方法-第 2 部分:并网应用


·IEC 62620,含硷性及其他非酸性电解质之二次单电池及电池组-工业应用之二次锂单电池与电池组


·IEC CDV 62932- 2 - 1,固定式应用之液流电池系统 - 第 2-1部分性能测试一般要求&方法(本文件发布时尚在撰写中)


·IEC 1679,新兴储能技术在固定式应用的特徵化与评估建议措施


·IEEE 1661,用於混合型太阳光电(PV)发电系统之铅酸电池测试与评估指南


·ISO 17025,测试与校正实验室具备能力之一般性要求


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