中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布了電化學(xué)儲能行業(yè)創(chuàng)新與應(yīng)用典型案例，旨在進一步推動行業(yè)安全、高質(zhì)量發(fā)展，總結(jié)、交流并推廣成功經(jīng)驗與有益做法，發(fā)揮典型引領(lǐng)作用。以下為第十五個典型案例——“國內(nèi)首個百兆瓦時鈉離子電站技術(shù)研究與工程應(yīng)用”。
國內(nèi)首個百兆瓦時鈉離子電站技術(shù)研究與工程應(yīng)用
大唐湖北能源開發(fā)有限公司
一、典型案例簡介
“十四五”期間國家積極推動鈉離子電池前沿、核心技術(shù)裝備攻關(guān)和儲能領(lǐng)域的示范應(yīng)用。鈉離子儲能作為鋰離子儲能的有效替代，可緩解鋰資源“卡脖子”問題，但鈉離子電池仍面臨規(guī)模化應(yīng)用少、系統(tǒng)集成經(jīng)驗不足和運行安全管控體系薄弱等問題。項目通過開展 185Ah 層狀氧化物鈉離子電池、系統(tǒng)集成、能量管控和安全診斷預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，攻克規(guī)模化鈉離子儲能系統(tǒng)集成、大型鈉離子儲能電站EMS應(yīng)用、建立“基于運行大數(shù)據(jù)分析”的全方位安全管理體系等方面技術(shù)難題，建成國內(nèi)首個50MW/100MWh鈉離子儲能示范電站，實現(xiàn)了國內(nèi)百兆瓦時級鈉離子電池儲能電站的“零的突破”。
大唐湖北50MW/100MWh鈉離子新型儲能電站的建設(shè)是積極踐行習(xí)近平總書記“四個革命、一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略，聚焦“兩個途徑、三個作用”，圍繞新質(zhì)生產(chǎn)力加快科技創(chuàng)新賦能，服務(wù)湖北省經(jīng)濟社會發(fā)展。該項目成功入選2024年國家能源局第四批能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備名單和國家能源局2024年度能源行業(yè)十大科技創(chuàng)新成果，同時獲選2024年全國電力工程建設(shè)管理創(chuàng)新一等獎。項目順利落地實施，成為新型鈉離子儲能技術(shù)在全國范圍內(nèi)邁向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用進程中的關(guān)鍵里程碑，為這一前沿技術(shù)廣泛融入市場、創(chuàng)造更大價值筑牢了根基，有力推動其從理論走向?qū)嵺`、從試點走向普及，本項目受邀參與2025第四屆鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展論壇并做主旨演講。
二、技術(shù)方案
本項目針對鈉離子電池在電力儲能領(lǐng)域面臨的規(guī)?；瘧?yīng)用少、系統(tǒng)集成經(jīng)驗不足和運行安全管控體系薄弱等問題，開展了185Ah層狀氧化物鈉離子電池儲能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)、大型鈉離子儲能電站能量管控研究與工程應(yīng)用，建立了“基于運行大數(shù)據(jù)分析的全站安全管控”的全方位安全管理體系，建成了國內(nèi)首個50MW/100MWh鈉離子儲能電站。主要研究內(nèi)容如下：
研究內(nèi)容一：基于鈉離子IC曲線、多工況、變預(yù)緊力研究，攻克了鈉離子電池高一致性、長壽命集成運維關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了預(yù)測系統(tǒng)壽命大于4000次的百兆瓦時鈉離子儲能電站的成功應(yīng)用。
基于鈉離子電池特性的配組策略及一致性提升技術(shù)研究：基于鈉離子電池獨特的IC曲線，采用控制變量法系統(tǒng)地研究不同參數(shù)對電池配組一致性的影響，通過梯度提升回歸樹(GBRT)，提取出與配組密切相關(guān)的關(guān)鍵因子，結(jié)合簇級驗證，制定配組方案及一致性提升策略。
圖1 基于鈉離子電池特性的配組策略及一致性提升關(guān)鍵技術(shù)
基于多工況、變預(yù)緊力分析的鈉離子儲能壽命提升技術(shù)研究：系統(tǒng)性地驗證鈉離子電芯在不同溫度、充放電倍率、預(yù)緊力等多工況下的性能和壽命影響，通過對比分析篩選出最優(yōu)工作條件。再整合同體系電芯的實際循環(huán)測試數(shù)據(jù)，運用機器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)出能夠準(zhǔn)確預(yù)測電池剩余使用壽命（RUL）的模型，以提高電池運維的效率和電池壽命的預(yù)測準(zhǔn)確性。
圖2 基于多工況與動態(tài)預(yù)緊力作用下的壽命提升關(guān)鍵技術(shù)
研究內(nèi)容二：針對鈉離子電池寬電壓、OCV斜率大等特性，首創(chuàng)了基于電池狀態(tài)精準(zhǔn)評估的BMS系統(tǒng)、具備簇級精準(zhǔn)管控能力的EMU，以及PCS寬電壓運行策略等系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，最大化挖掘了鈉離子電芯潛能，實現(xiàn)了簇級精準(zhǔn)管控與寬電壓運行，提高電芯實際可用容量20%以上。
基于電池狀態(tài)精準(zhǔn)評估的BMS系統(tǒng)研究：提出基于OCV校準(zhǔn)+Ah積分算法，結(jié)合鈉離子電池衰減曲線，解決鈉離子電池管理系統(tǒng)SOC/SOE計算問題。并配合多維度的修正策略（如OCV、曲線矯正、內(nèi)阻修正）為SOC提供全過程、高精度估算。
圖3 多級架構(gòu)鈉電BMS系統(tǒng)及SOC估算優(yōu)化技術(shù)
基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的PCS寬電壓控制策略研究：根據(jù)復(fù)雜的電壓變化情況自動調(diào)整控制參數(shù)，適應(yīng)不同的工作條件，提高系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。模糊控制可以根據(jù)輸入電壓的模糊化信息，實時調(diào)整 PCS 的輸出，使其在寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。
圖4 適配了鈉離子系統(tǒng)的PCS寬電壓控制技術(shù)
基于多機并聯(lián)、簇級精確管控技術(shù)的EMU研發(fā)：開發(fā)組串式儲能PCS交流側(cè)多機并聯(lián)EMU裝置，優(yōu)化EMU硬件與軟件控制策略，并提出了毫秒級快速封波技術(shù)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的簇級管理。
圖5 適配了鈉離子系統(tǒng)的PCS寬電壓控制技術(shù)
研究內(nèi)容三：攻克了適用于百兆瓦時鈉離子儲能系統(tǒng)的基于SOC與PCS能力主動均衡、多支路精細和分時分區(qū)的能量管理控制關(guān)鍵技術(shù)，形成完整的核心策略解決方案矩陣，具備全站級全量數(shù)據(jù)秒級存儲和事故全息反演等功能，實現(xiàn)充/放電策略的動態(tài)優(yōu)化，提高了儲能電站能量效率和控制運行靈活性。
基于多目標(biāo)功率優(yōu)化分配的鈉離子儲能單元級均衡控制技術(shù)研究：通過研究鈉離子電池充/放電特性，設(shè)計基于儲能系統(tǒng)能力的功率分配策略和基于SOC的功率分配策略；以電網(wǎng)功率調(diào)整因子和儲能容量利用率作為影響因子，建立目標(biāo)功率、電池均衡等多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化模型，實現(xiàn)鈉離子儲能電站單元級均衡控制。
圖6 基于儲能系統(tǒng)能力的功率分配策略和基于SOC的功率分配策略
鈉離子儲能系統(tǒng)分區(qū)控制和多支路精細化管控技術(shù)研究：基于電網(wǎng)不同調(diào)度場景，綜合考慮電站效率和系統(tǒng)使用壽命，通過鈉離子儲能簇級管理方式、電站物理拓撲、容量等關(guān)鍵因素劃分儲能子系統(tǒng)，設(shè)計鈉離子儲能系統(tǒng)分區(qū)控制邏輯和多支路精細化控制邏輯。
圖7 鈉離子儲能系統(tǒng)分區(qū)控制邏輯和多支路精細化控制邏輯
基于非觸發(fā)式鈉離子全量數(shù)據(jù)的事故反演技術(shù)研究：基于儲能系統(tǒng)全量數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，降低時間序列數(shù)據(jù)存儲空間，采用數(shù)據(jù)總線+時序庫+流式計算引擎部署模式，設(shè)計鈉離子全息事故反演功能。
圖8 鈉離子全息事故反演功能
研究內(nèi)容四：通過全站級安全隱患識別技術(shù)、電池異常衰竭故障診斷技術(shù)和熱失控早期預(yù)警技術(shù)，首創(chuàng)鈉離子儲能電站三級主動預(yù)警管理體系，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)早期異常監(jiān)測和主動防護。
基于長周期鈉離子儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析的全站級安全隱患識別技術(shù)研究：實時監(jiān)測鈉離子儲能電站儲能系統(tǒng)、升壓變流一體機等關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)，分析電站長周期運行數(shù)據(jù)，設(shè)計鈉離子充/放電一致性分析算法，實現(xiàn)鈉離子儲能全站級的安全隱患識別。
圖9 基于長周期鈉離子儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析的全站級安全隱患識別技術(shù)
基于簇級健康狀態(tài)的鈉離子電池異常診斷技術(shù)：分析鈉離子電池異常緩變型故障機理，設(shè)計基于簇級電池健康狀態(tài)（SOH）的電池異常診斷模型，實現(xiàn)對電池異常衰竭故障的有效識別。
圖10 基于簇級健康狀態(tài)的鈉離子電池異常診斷技術(shù)
基于多維故障信號感知融合的鈉離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)：研究鈉離子電池?zé)崾Э貦C理特性，開展基于多維信號的鈉離子電池故障感知融合預(yù)警技術(shù)分析，建立鈉離子電池故障征兆集，設(shè)計鈉離子電池?zé)崾Э乇O(jiān)測模型。
圖11 基于多維故障信號感知融合的鈉離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)
三、實際成效
成效1：首個采用組串式升壓變流一體機的百兆瓦時鈉離子儲能電站，能對電池實現(xiàn)一簇一管理，減少集中式儲能的木桶效應(yīng)。在單簇PCS及電池簇故障時，不影響其他PCS進行充放電功能，大幅提高儲能電站全壽命期間系統(tǒng)充放電量，提高全壽命周期內(nèi)系統(tǒng)利用率和安全性能。
成效2：基于鈉離子IC曲線、多工況、變預(yù)緊力研究，攻克了鈉離子電池高一致性、長壽命集成運維關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了預(yù)測系統(tǒng)壽命大于4000次的百兆瓦時級鈉離子儲能電站的成功應(yīng)用；針對鈉離子電池寬電壓、OCV斜率大等特性，首創(chuàng)了基于電池狀態(tài)精準(zhǔn)評估的BMS系統(tǒng)、具備簇級精準(zhǔn)管控能力的EMU、以及PCS寬電壓運行策略等系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，最大化挖掘了鈉離子電芯潛能，實現(xiàn)了簇級精準(zhǔn)管控與寬電壓運行，提高電芯實際可用容量20%以上，形成了一系列可推廣的鈉離子儲能關(guān)鍵技術(shù)。
成效3：攻克了適用于百兆瓦時鈉離子儲能系統(tǒng)的基于SOC與PCS能力主動均衡、多支路精細和分時分區(qū)的能量管理控制關(guān)鍵技術(shù)，形成完整的核心策略解決方案矩陣，具備全站級全量數(shù)據(jù)秒級存儲和事故全息反演等功能，實現(xiàn)充/放電策略的動態(tài)優(yōu)化，降低簇間木桶效應(yīng)，提高了儲能電站能量效率和控制運行靈活性。
成效4：自主研發(fā)的早期安全預(yù)警系統(tǒng)，利用鈉離子電池充/放電性能分析、電池特征量趨勢分析、聯(lián)合電池特征量的熱失控識別分析等技術(shù)，實現(xiàn)對儲能電站電池系統(tǒng)運行特征量數(shù)據(jù)的深度分析、電池系統(tǒng)故障識別和狀態(tài)評估等功能，并制定合理的智能運維策略，實現(xiàn)有效識別并平均提前至12min39s預(yù)警熱失控早期征兆，提高了儲能電站的故障診斷準(zhǔn)確性和智能運維水平，保障儲能電站的安全穩(wěn)定運行。
四、經(jīng)濟效益及推廣前景
本項目通過百兆瓦時鈉離子儲能系統(tǒng)集成與關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用，完成國內(nèi)首個50MW/100MWh鈉離子儲能電站建設(shè)與投運，其應(yīng)用效益如下:
一是技術(shù)先進性。大規(guī)模完成185Ah鈉離子層狀氧化物技術(shù)路線應(yīng)用，鈉離子電池電能轉(zhuǎn)化效率達94%以上，循環(huán)壽命達4000次以上；首創(chuàng)基于電池狀態(tài)精準(zhǔn)評估的BMS系統(tǒng)、具備簇級精準(zhǔn)管控能力的EMU、以及PCS寬電壓運行策略等系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了簇級精準(zhǔn)管控與寬電壓運行，提高電芯實際可用容量20%。
二是經(jīng)濟性。通過開展185Ah層狀氧化物鈉離子電池、系統(tǒng)集成、能量管控和安全診斷預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，降低了投資成本約1000萬元。
三是安全性。通過百兆瓦時鈉離子儲能電站EMS優(yōu)化及應(yīng)用、鈉離子儲能電站三級主動預(yù)警管理體系、基于PACK級的一體化消防安全體系等安全技術(shù)手段，有效保障儲能電站的安全穩(wěn)定運行。
項目已建成投產(chǎn)，每年可充放電300次以上，單次充電可儲存10萬千瓦時電量，可滿足約1.2萬戶家庭一天用電需求，年減排二氧化碳1.3萬噸，具有良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。
五、團隊介紹
本項目團隊由10名核心成員組成，含7名高級工程師與3名工程師，涵蓋儲能系統(tǒng)集成、電氣控制、項目管理、儲能電站運維等關(guān)鍵方向，曾主導(dǎo)多個大型儲能電站落地，精通儲能技術(shù)痛點與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為項目技術(shù)路線把控、核心難題攻堅提供保障。團隊具備扎實的現(xiàn)場實操與技術(shù)落地能力，專注于設(shè)備調(diào)試、電站運維、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，高效銜接設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用。團隊深耕鈉離子儲能核心技術(shù)，兼顧研發(fā)創(chuàng)新與工程落地，可全方位覆蓋項目設(shè)計、建設(shè)、運維全流程，助力項目實現(xiàn)技術(shù)突破與規(guī)?；涞?。
