电池储能系统精细化管控的关键技术与装备

李睿上海交通大学2026年6月2日 研究背景电池储能系统需求 储能可平抑风光能源波动，提升电网稳定性，是新型电力系统的核心要素 大力发展储能是实现“双碳”自标、保障能源安全的战略需求 数据来源：智能电网科技创新2030实施方案 研究背景大容量电池储能系统需求 构建新型电力系统函需大容量、高效率、强支撑型储能场站 研究背景传统低压储能系统面临难题 储能装备大容量化，存在高效集成及一致性管控、主动支撑和安全可靠运行难题 电气距离远，装备内阻抗大电网支撑能力差一致性管控差形成短板效应和并联环流，降低经济性状态辨识失准导致容易出现过充过放，降低系统安全性 拓扑结构高压直挂储能系统 提出了电池族分散接入到H桥直流侧，交流侧串联升压直接接入高压电网的交直流一体化结构 ·效率高（91.6%）：电气距离近，支撑能力强：单机容量大（单机50MW）：管控到单族颗粒度管理精细（簇间SOC偏差小于2%）：简化对电池管理系统的需求，系统复杂度低 传统SOC均衡方法高压直挂储能系统 相间SOC均衡控制通过注入零序电压重新分配三相有功功率实现 相内SOC均衡控制则是在子模块平均调制波上叠加与SOC偏差相关的电压偏移量实现 SOC快速均衡难点高压直挂储能系统 传统SOC均衡策略存在均衡速度和过倍率、过调制之间的矛盾通常选取保守的均衡系数，牲了均衡速度。 多工况自适应SOC快速均衡控制高压直挂储能系统 构建多工况条件下相间均衡系数与调制比裕度及电池充放电功率边界之间的数学关系，求解多工况自适应的最优相间SOC均衡系数 多工况自适应SOC快速均衡控制高压直挂储能系统 建立多工况下相内均衡系数与子模块调制比裕度及电池充放电功率边界之间的数学关系，求解多工况自适应的最优相内SOC均衡系数 高压直挂储能系统多工况自适应SOC快速均衡控制 多工况自适应SOC快速均衡控制高压直挂储能系统 基于广西贺州市35kV/25MW/50MWh构网型高压直挂储能项目，进行了工程实证。 实验过程 通过外部电源放电，使得第65族电池族的SOC偏低约为25%，其他电池簇SOC为40% 实验结果 当有功功率发生变化时，通过将最大调制比固定为1，或将电池充放电电流限制在最大值，充分发挥了变换器的均衡能力。 电池模组和电池族结构布置图 多工况自适应SOC快速均衡控制高压直挂储能系统 构网控制需求构网型高压直挂储能系统 跟网型控制外特性为电流源无主动支撑能力且弱网易失稳 构网型控制外特性为电压源，通过模拟同步机制，实现变流器与电网的无锁相环自同步并可自主瞬时响应，提供惯量/频率及电压支撑。D 构网型高压直挂储能系统构网控制难点 采用单电抗并网，控制回路与电网外特性耦合产严重，宽短路比电网中电压稳定构建困难 .存在滤波电容时：uod->i-ia-Wod单电感并网时：uod→ia-ioduogigiouod 结论：耦合路径增多，交流电压动态控制性能变差！ 建模与分析 构网型高压直挂储能系统虚拟电容控制技术 提出基于虚拟交流电容的电压构建策略，通过模拟滤波电容的积分效应，实现装备控制与电网外特性的解耦，提升宽短路比下电压控制的鲁棒性 构网型高压直挂储能系统控制稳定性分析 建立了计及电网阻抗与线路参数的交流电压动态模型。分析表明，闭环传递函数中的谐振尖峰均被抑制至0dB以下，人从而显著提升了电压控制性能与系统稳定性。 构网型高压直挂储能系统仿真验证 采用所提控制策略时，系统功率动态性能优异，振荡与波动幅度显著减小： 同时，该策略具备良好的电网适应性能够在不同短路比条件下稳定运行。 工程实证构网型高压直挂储能系统 在甘肃干河口南北风电场，完成首个构网型35kV高压直挂储能工程实测 稳态控制性能实证构网型高压直挂储能系统 验证了构网型高压直挂储能系统的稳态控制性能 构网型高压直挂储能系统惯量响应与一次调频实证 验证了构网型高压直挂储能系统的惯量响应与一次调频能力 不同频率变化率下惯量响应测试 口响应延迟<5ms口上升时间<200ms口功率调节偏差<土0.5%P 注：来源于国网甘肃电科院第三方测试报告 验证了高压直挂构网型储能装备具备主动支撑电网电压稳定的能力。口验证了高压直挂构网型储能装备带动场站黑启动和带风机和负荷离网运行能力。 构网型高压直挂储能系统支撑能力增强的需求与难点 功率器件电流耐受能力不足导致电压支撑能力弱，采用硬件超配的方式降低经济性 构网型高压直挂储能系统过载能力尽限利用技术 基于损耗和结温模型在线观测功率器件结温-结温反馈约束电流”的过载能力尽限利用技术 Reforms mitigating distortions for the private sector raise returns to production, stimulating构网型高压直挂储能系统 不超配下实现暂态电流不小于3倍额定值，持续时间625ms（出厂装备实测） 低损耗并联扩容技术长时储能系统需求 长时储能下，单簇受倍率约束难以匹配单H桥额定功率：采用多簇并联，可提升H桥利用率与系统经济性 单族输出功率<单H桥额定功率H桥器件利用率低 低损耗并联扩容技术低损耗并联扩容难题 电池簇直接并联会因电池阻抗与容量失配导致并联环流，增加损耗并加速老化 全功率变换器可补偿电池电压失配，但增加额外的损耗和成本（变换器损耗占装备额定功率1.5%） 低损耗并联扩容技术部分功率补偿思路 在电池簇上串联可调电压源，可以抑制簇间参数差异导致的环流与SOC差异。 变换器功率占电池族功率3.7%，实现低成本、低损耗并联扩容 低损耗并联扩容技术部分功率补偿变换器设计 可根据补偿电压等级需求，设计不同架构的变换器实现补偿电压生成，% 低损耗并联扩容技术调制思路与效率对比 调制优化 基于电感电流应力最小进行计算使用TCM模式，开通关断时刻电流小使用EPS模式，保证软开关功率变化、变比变化下的移相连续性 关键技术21低损耗并联扩容控制技术 并联电池簇失衡表现为运行时的SOC速率差异，通过串联补偿电压，构建统一的虚拟内阻容量积，使SOC速率保持一致，实现并联电池间的SOC偏差控制在1%以内。 示范验证低损耗并联扩容技术 ·方案已通过设备验证，具备均衡能力和成本优势 状态瓣识难题阻抗测量与状态辨识技术 储能系统控制依赖电池状态，但有限的外部信息难以精确辨识电池状态 电化学阻抗是沟通电池内部参数和外部信息的桥梁，可直接映射电池状态 阻抗测量与状态辨识技术无扰在线测量思路 利用级联储能系统多模块互为穴余的特性，可构建互补调制信号，实现网侧无扰电化学阻抗谱在线测量 调制信号生成方法阻抗测量与状态辨识技术 提出基于时频对偶原理的调制信号生成方法，实现将网侧电流的主要频率分量搬移至所需频率 电芯级阻抗测量实验验证阻抗测量与状态辨识技术 实验验证了在两类调制方法均可实现阻抗测量，且具有较高精度(MAPE<1.98%) 模块级实验验证阻抗测量与状态辨识技术 构建模块级测试样机，通过选通芯片实现模块中特定电芯电压采样： 通过相位补偿和多频激励优化，实现采样结果精度优化。 模块级测试样机的可视化界面阻抗测量与状态辨识技术 开发模块级管控上位机，打通上下位机高效协同的数据交互链路，实现目标电芯选通、注入频率设置、投切状态在线下发及测试结果的可视化。 阻抗测量与状态辨识技术基于电化学阻抗的状态辨识 利用阻抗在线测量频率点[1,2，4,10,16,25,40|Hz的实部及虚部数据作为输入SOC、SOH作为输出训练神经网络，可获得电池状态直接校正结果； 在实验室测试及公开数据集上进行验证，SOCMAE<1.45%，SOHMAE<1.21% 总结 ，高压直挂储能装备具备强支撑、宽短路比、宽频稳定特性，频率、电压暂态支撑能力初步达到同步发电机组水平，具备黑启动、孤网运行能力 电池单元并联式储能，广泛适合直流侧并联扩容应用，均衡变换器成本降低95% 融合功率变换模块的智能电池单元技术，可提升电池单元的经济性和安全性。 感谢各位专家敬请批评指正 李睿上海交通大学2026年6月2日