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併網型儲能系統電池組之性能
 

【作者: UL】   2018年11月08日 星期四

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儲能系統(ESS)已逐漸用於電網支援,尤其是在再生能源滲透率高的地區。


常見的ESS 應用包括:


‧ 頻率或伏特調節


‧ 尖峰用電調節


‧ 穩定再生能源


‧ 電力品質


‧ 能源套利


目前已有多種可用的ESS技術與設計。就特定應用而言,有些技術優於其他。



圖1 :  儲能系統已逐漸用於電網支援,尤其是在再生能源滲透率高的地區。(source:UL)
圖1 : 儲能系統已逐漸用於電網支援,尤其是在再生能源滲透率高的地區。(source:UL)

選擇ESS技術時,最重要的是了解該技術在所欲採用的應用與地點能不能有好表現。及早發展出ESS的性能標準、評量指標與里程碑相當重要,而 為了達成此目標,已有大量努力投入協定的訂定和發展中,譬如PNNL-22010(能源儲存系統性能 之統一測量與表示協定)首次發布於2010年,並於 2016年更新,目的是為了因應新的應用。另外,最 近發布的IEC 62933-2-1(儲能系統 - 第2-1部分:單位參數與測試方法 - 一般性規格)則是針對ESS性能的協定。



圖2 : 目前已有為電力調節系統而設計的性能協定,不過卻少有專門為應用於電網中作為ESS之一部份的電池系統而開 發的性能專案。(source:UL)
圖2 : 目前已有為電力調節系統而設計的性能協定,不過卻少有專門為應用於電網中作為ESS之一部份的電池系統而開 發的性能專案。(source:UL)

儘管首要目標可能是為了確定某ESS的整體性能,不過每個子系統的運作都須針對目標的應用而各別驗證。目前已有為電力調節系統而設計的性能協定,不過卻少有專門為應用於電網中作為ESS之一部份的電池系統而開 發的性能專案。PNNL協定也面臨了類似的問題,需要能 夠評估ESS電池系統組件之性能和可靠度的方法與評量 標準。此套評估系統必須包含一般性基準評量標準與針對特定應用之評量標準。


本文說明如何評估與測試應用於電網中之固定型電池系統的性能與可靠度。


範圍

本文指出在評估針對電網應用之ESS電池系統組件時所需考量的重點,包括一般性與針對特定應用之性能參數,建構 出電池系統足以達到基準性能目標的能力標準。除了測試方法以外,執行評估工作的單位是否具備足夠知識與能力,亦同樣重要。


本文涵蓋的裝置範圍僅止於電池系統,這些系統是供應整體儲存機制之ESS的其中一個組成部件。換言之,本文並 不針對ESS的整體性能,這部分是由前述提及的其他文件所涵蓋,譬如PNNL。圖1是ESS主要組件的系統方塊圖,包 括電池儲存裝置和電池管理系統(BMS)。



圖3 : 包含電池系統示意的儲能系統方塊圖(source:UL)
圖3 : 包含電池系統示意的儲能系統方塊圖(source:UL)

掌握電池系統性能的重要性

為什麼了解使用於ESS應用之電池系統的性能這麼重要呢?既然電池系統只是整體系統中的一個組成部分,為什麼有必要確知其性能,包括特定應用之操作演算法呢?因為選用何種電池技術是決定ESS性能的關鍵。譬如對於ESS而言,很重要的是一組整合的電池系統必須在其 使用壽命期間可能暴露的溫度和負載條件下,提供某應用足夠的電能。


典型的ESS包含多個主要組件,這些組 件是在實際環境中組裝和委外。很重要的是,設計和整合ESS各個部分時,必須了解不同組件一起運作後的性 能如何?是否能達成預定的功能?如此一來,才能確保根據某應用所選定的技術、設計和控制邏輯會如預期般運作。



圖4 :  在投資儲能系統時,有足以佐證的數據證明關於電池系統性能和可靠性的假設,同樣也很重要。(source:UL)
圖4 : 在投資儲能系統時,有足以佐證的數據證明關於電池系統性能和可靠性的假設,同樣也很重要。(source:UL)

此外,在投資ESS時,有足以佐證的數據證明關於電池系統性能和可靠性的假設,同樣也很重要。此佐證數據是整體專案風險和投資評估必要的一環,一般會由挹資者或第三方單位進行盡職審查,作為事前評估的步驟之一。


來自具公信力之測試組織的第三方性能數據,對電池系統製造商和其他利害關係者而言十分有價值,因為這些數據能夠為他們的行銷主張背書,進而吸引對自家系統的投資。電池系統的買主可以運用這些數據來檢驗系統表現是否真如製造商所主張;在為ESS的建置尋找資金時,也可以將數據作為支持的證據。


了解電池系統

首要須釐清的關鍵項目是電池系統的特性。電池系統製造商必須針對有關系統之基本性能的屬性提出說明。此資訊將連同(多個)採用此系統之應用的特定性能參 數搭配使用。


該電池系統的測試版本必須能代表即將在應用中使用的整體系統。此測試版本可以是完整規模之電池系統的複製,或者小一號的替代品,只要擴充至完整規模,便能展示系統性能。重要的是,測試方法必須在事前和利害關係者充分討論,確認他們(投資方、終端使用者、開發者、製造商和獨立第三方單位)都能接受該測試計畫,認同其足以展示系統的真正性能。測試報告將明確指出受測系統類別,以及該測試版本如何能擴充為完整規模的電池系統。


完整的電池系統將在最終測試報告中詳細說明。更多資訊詳見本文<技術文件>章節。


基本的關鍵性能指標

欲使用於儲能應用中的電池系統需能展現下列一般基本的性能參數,包括:


‧ 在不同條件下的放電性能


‧ 最大放電電流


‧ 直流內電阻


‧ 循環使用與備用模式下的耐久性


按電池技術的不同(如液流電池),評估內容可能包含下列項目:


‧ 定功率放電時的淨放電能量


‧ 定功率放電時的最大輸出功率


‧ 定功率充電時的最大輸入功率


‧ 定功率循環時的能源效率


透過基本的性能參數,不論是在持續放電情況下,或 遭遇有可能影響性能表現的可預期環境條件下,都能對電池系統的性能提供概觀性的了解。從上述參數結 果可以得知能源與功率輸出的共同足跡,儘管並非針對特定應用,但就電池性能的驗證而言,不啻為很好的起始點。


耐久性測試可概略估計電池系統在經過數個循環後的壽命,也可藉此推估欲採用之應用的壽命。藉由測量內電阻建立記號參數,可以重複測量、前後比較,有助於估測電池系統的健康程度。


此外,還必須考量維持廠內周邊系統的寄生負載,對於電池系統整體性能可能造成的作用,而這些亦可納入一般性參數中,藉以了解其對系統和其他特定應用測試中類似的量測可能造成的影響。


訂定基本參數的過程中,受測電池的樣本在正式開始測試前,會先經過視覺外觀檢查和充放電循環,以確保該樣本的運作都符合規格。


特定應用的關鍵性能指標


圖5 :  電池系統可能使用在各種不同的電網應用中,當採用某特定應用演算法進行耐久性測試時,必須測量多樣化的參數。(source:UL)
圖5 : 電池系統可能使用在各種不同的電網應用中,當採用某特定應用演算法進行耐久性測試時,必須測量多樣化的參數。(source:UL)

電池系統可能使用在各種不同的電網應用中,當採用某特定應用演算法進行耐久性測試時,將測量下列參數:


‧ 室溫下的電池系統能量


‧ 在不同環境條件下進行耐久性測試時的電池系統能 源效率


‧ 耐久性測試時的熱損耗


‧ 閒置狀態時的能量需求


‧ 最長啟動時間


上述參數是很好的例子,說明了若欲了解一組電池系統依某特定應用演算法運作時的性能,則需要先知道的性能特性有哪些。


選擇第三方供應商時的注意事項

若有意願去測試電池系統的性能和可靠性,很重要的是必須謹慎選擇提供評估和測試服務的供應商。


首先,用於測試電池系統性能的測試設備,必須有足夠的能力在受測電池上執行性能測試,還必須經過校正符合ISO 17025實驗室要求,包括選用的設備必須有助於參數 的量測工作達到足夠的準確度 (包括容許誤差),符合實驗室標準。


進行測試作業的設施必須能充分掌控測試環境、電力供應和電力品質,如此一來,才能在符合測試性能準則的情況下進行測試。此外,建議選擇通過國家或國際級認證的測試實驗室,符合所在國家或地區的已知認證準則,譬如美國的 NRTL,或歐洲地區的IECEE CB制度。



圖6 :  進行測試作業的設施必須能充分掌控測試環境、電力供應和電力品質。(source:UL)
圖6 : 進行測試作業的設施必須能充分掌控測試環境、電力供應和電力品質。(source:UL)

測試設施必須針對電池系統的安全處置和測試訂有標準作業流程(SOP)。負責電池系統測試工作的人員,必須對於電池系統性能測試的測試流程,以及有關電池系統安全處置和測試的實驗室SOP,具備全面性的了解。電池系統 SOP 必須包含電池系統在實驗設施裡的安全處置、操作、測試、運送和儲存等流程。


第三方供應商員工的技術能力必須經過評估,他們過去曾經手過的電池和儲能系統評估或測試工作,都必須建有完整的追蹤檔案。欲了解供應商是否有能力在關鍵技術的執行方面端出好結果,一個初步而簡單的指標是觀察他們的產品陳列是否安全。


技術文件

在建構電池系統性能時,技術文件能提供必要資訊,是十分重要的一環。技術文件須能針對受測項目描繪出全面而精準的圖像,包括系統會如何表現,以及該表現如何連結到電池系統在實地應用時的實際性能。以下列出需要的細節資訊,包括完整描述受測物,以及該受測物與最終組裝好之(全) 電池系統的比較。其他系統技術文件如製造商的結構圖、電路 圖、系統規格、測試資料等等也都很重要。技術文件中提供的資訊越詳盡而完整,越有助於全面了解電池系統在儲能應用中的性能,也更能提升對系統的信心。


一份詳盡的技術文件需要各方共同投入,包括欲尋求第三方性能評估服務的委託單位、實驗室,以及服務供應商。儘管技術文件可能存放在單一或多個安全的資料庫裡,不過記錄了測試結果的所有文件,都是屬於評估服務委託方的資產。


電池與應用系統資訊

如前所述,關於全電池系統與受測電池系統的完整描述將記錄在技術文件中,內容須包括製造商的名稱、型號或零件編號、電池技術、內部電氣配置(亦即電池和內部模組的平行或系列組合,或液流電池的電池堆大小和配置)、完整電力額定功率,包括以度(kW)計的電力值、充放電特性、內電阻、槽配置與大小(就液流電池而言)、完整的面積(亦即所有組件都到位後的實體尺寸,以公尺計)、以公斤(kg)計的重量,以及製造日期。其他重要資訊如型號、軟硬體版本等等,也都必須記錄在文件中。


此外,標示於內部電池或電池堆上的資訊也都必須提供,包括關於技術的詳細資訊、電池型式、電解質、電池或電池堆的電力額定功率,以及一組全電池或受測電池中包含了多少個單電池或電池堆。


完整描述廠內周邊系統的設計,如冷卻系統和控制系統,後者包括BMS、幫浦等等。除此之外,為了執行測試和操作受測電池與廠內周邊系統,而有必要使用到的任何特殊迴路、保護或其他裝置,也都必須有詳盡的描述。報告還需指出ESS將會直接連結的設備(譬如逆變器、直流電轉換器等等)。


照片、圖表、繪圖和電路圖都必須要提供,以詳盡描述受到評估的全部電池與受測電池。


此外,技術文件必須包含關於欲採用之(一個或多個)儲能系統應用(例如尖峰用電調節、頻率調節)的描述,亦須詳盡說明為了符合能源或電力應用需求所需要的系統性能參數。


性能測試技術文件

性能測試文件必須指出電池系統受測的參數,並明確說明為何受測電池系統的測試結果可以代表整個電池系統。


報告內容也必須詳細描述執行測試的單位,以及舉行測試的實驗室所在地。假如使用了超過一間實驗室做測試工作,則每一間都必須敘明,並說明哪項測試是在哪間實驗室做的。報告亦須說明測試設施執行測試參數的能力。此外,會影響測試結果的相關環境條件都必須記錄在測試資料裡。報告必須提供有關於使用到之特定測試設備的資訊,包括設備校正狀態的細節。


報告須涵蓋足夠的測試細節,以讓外界清楚了解系統是怎樣被測試的,包括使用的測試方法、假設、資料量測、計 算以及觀察和結論,這些都是了解電池系統性能所必須的資訊。若執行測試的實驗室認定為必要,則說明測試作業所需的照片、繪圖和圖表紀錄,也都必須包含在內。


測試期間所需的任何特殊操作或電池系統的調整都必須記錄在報告中。最後,報告文件須包含所有測試的結果、測試結果是如何被記載、實驗室環境條件,以及任何與測試結果有關的結論。


結論

儲能系統已漸漸成為能源基礎建設中的關鍵部分,支援各種電網應用。電池系統亦逐漸變成 ESS的技術首選。為 了支持不斷成長且使用益發廣泛的電池系統,關鍵是事先評估系統在意圖採用的應用中的性能表現。


相關電池系統特性與性能參數必須建立起來,並透過有著完善記錄系統且獲各方關鍵利害關係人背書的測試計畫進行驗證。藉由穩健的第三方計畫來評估電池系統,和該系統在ESS應用中提供目標性能的能力,將會是儲能產 業能否在今日能源市場蓬勃發展的重要關鍵。


(本文作者Laurie Florence1、Rebecca Le2、Tobias Plettner3、Ibrahim Jilani4為UL LLC1(美國)首席工程師、2(中國)首席工程師、3(德國)資深專案工程師、4(美國)資深業務開發經理)


參考資料


下列文件對於了解本文所指用以確定電池系統性能的方法和流程有很大的幫助。本文所使用的皆為下述文件的最新版本。


‧PNNL 2010:2016,能源儲存系統性能之統一測量與表示協定


‧IEC 62933- 2 - 1 ,儲能系統(ESS)- 第 2-1部分:單位參數與測試方法–一般性規格


‧IEC 61427- 2,用於再生能源儲存的二次單電池與電池組 - 測試的一般性要求與方法-第 2 部分:併網應用


‧IEC 62620,含鹼性及其他非酸性電解質之二次單電池及電池組–工業應用之二次鋰單電池與電池組


‧IEC CDV 62932- 2 - 1,固定式應用之液流電池系統 - 第 2-1部分性能測試一般要求&方法(本文件發布時尚在撰寫中)


‧IEC 1679,新興儲能技術在固定式應用的特徵化與評估建議措施


‧IEEE 1661,用於混合型太陽光電(PV)發電系統之鉛酸電池測試與評估指南


‧ISO 17025,測試與校正實驗室具備能力之一般性要求


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