比亚迪（BYD）储能技术调研报告

第一章 比亚迪（BYD）公司概况
比亚迪股份有限公司成立于1995 年2 月，是一家具有民营企业背景的香港上市公司，现拥有IT、汽车以及新能源三大产业，是一家集研究、开发、生产、销售为一体的深圳市重点高新技术企业。
深圳比亚迪（BYD）公司多年来一直致力于动力电池的研发和应用，并取得重大成果。BYD 的铁电池技术已经在电动汽车上得到充分应用，2008 年12 月，BYD 生产的F3DM 双模车成功上市；2008年下半年，BYD 利用成熟的动力电池技术进军新能源领域。
比亚迪基于铁电池核心技术实现能源储存，达到对电网移峰填谷、平滑负荷曲线的目的，形成对电网的有力支撑。2009 年9 月已经建成了2 个电池储能示范/试验电站，为探索电能存储的新途径打下了坚实的基础。
第二章 BYD储能技术
一、铁电池技术
1. 铁电池特点及生产工艺
锂离子电池以工作电压高、体积小、储能密度高、响应速度快、循环寿命长、内阻小等特点而得到快速发展。比亚迪生产的铁电池属于锂离子电池的一种，其正极材料为磷酸铁钴锂LiFeCoPO4，与传统的钴酸锂电池相比，铁电池的能量密度为钴酸锂电池的75％，但在制造成本、安全性能、循环寿命、功率输出范围等方面都具有明显优势。
比亚迪的铁电池生产工艺包括配料、涂布、辊压、表面检测、分切、卷绕、装配、烘烤、注液、陈化、化成、存放、分容、存放、分选、组装、模组分容等多道工序，采用自动化生产线，生产车间设计为无尘车间，较好的保证了电池的品质和电池之间的一致性。
2. 铁电池技术参数
目前比亚迪能量型FV200A铁电池的技术参数如下：
额定电压：3.25V
容量：200Ah
重量：6.7kg
体积：389.7mm×57.7mm×145.7mm
充电电压：3.600±0.049V
充电电流：标准：100A，快充：200A，最大充电电流：600A
放电电流：常规：200A，快放：600A，最大放电电流：1000A
放电终止电压：2.00V
运行温度：充电：－10～＋50℃，放电：－20～＋60℃
运行相对湿度：10％～90％
内阻：≤1mΩ
自放电：25℃保存条件下，28天后，自放电不超过30mV
充放电效率：97％
根据上述数据推算，FV200A铁电池的储能容量约为0.65kWh，能量密度（体积）为198.4kWh/m3,能量密度（重量）为97kWh/吨。
3. 铁电池试验测试项目
3.1循环寿命
铁电池常温条件下（25℃），1C充电电流，4C放电电流，循环6600次后，电池剩余容量保持在设计容量的80％。
测试表明铁电池的循环寿命受温度影响较大。如果长期工作于45℃，循环寿命可能缩短50％，如果长期工作于60℃，循环寿命将更短。
另一方面，铁电池的循环寿命受充放电速率的影响也较大。对于200Ah电池，如果采用0.125C（25A）充电，0.25C（50A）放电，循环寿命将达到7000－10000次，按1天1次循环计算可使用19年－27年，浅充浅放时寿命将更长。
3.2充电特性
铁电池的充电特性参见图1，在充电初期为恒流充电，当电池电压达到稳定值时，进行恒压充电。充电电流越小，达到恒压状态以及满充电状态所需的充电时间就越长。

图1 充电特性曲线
3.3放电特性
铁电池的放电特性参见图2，其放电曲线较平稳，在大部分放电时间内能保持稳定的电压。当以小电流放电时，其放电电压能保持在较高水平，放电电流越大，电压稳定期越短，且放电电压越低。

图2 放电特性曲线
4. 铁电池生产能力
比亚迪现有铁电池FV200A生产能力为500节/天，折合年产量0.12GWh，预计2010年铁电池年产量将达到0.8GWh。
5. 铁电池的回收处理
制造铁电池的材料均为无毒材料，其正极材料为磷酸铁钴锂，负极材料为碳类材料，正极板为铝箔，负极板为铜箔，介质是溶剂和锂离子电解质，隔膜为高分子聚合物，这些材料本身不对环境构成污染影响，与常规电池相比具有良好的环保性能。同时比亚迪公司拥有铁电池回收利用技术，可提取废弃电池中的有效成份进行重复利用，降低资源消耗，减少环境污染。
6. 安全性分析
比亚迪铁电池新型安全阀设计，密封在电池内，炉温测试表明当电池内部压力超过0.2Mpa时，安全阀动作，防止电池爆炸产生。另外铁电池还通过了针刺、挤压、撞击、短路、过充、反充、过放、火烧等安全性测试，验证了铁电池具有较高的安全性。

二、换流技术
换流技术是蓄电池储能系统并网运行的核心技术之一。BYD采用了自行研制开发的双向换流器。
1. 双向换流器的基本结构和技术参数
BYD双向换流器采用三桥臂整流/逆变电路，开关采用IGBT模块，控制单元为DSP芯片，除可进行整流和逆变外，还可以提供四象限无功输出。
BYD生产的双向换流器已应用于F3DM双模车。使用于电力领域的大功率双向换流器主要规格有100kW、200kW、800kW、1MW。目前BYD储能电站已使用的是100kW换流器（型号：BSN100KA），200kW换流器在调试阶段，800kW、1MW换流器尚在研发阶段。BSN100KA的结构图参见图3，主要技术参数如下：
1）尺寸：1000mm×600mm×2200mm
2）总重量：500kg
3）逆变数据：
最大逆变效率：98％
直流侧：
额定输入功率：102kW
最大输入电流：204A
直流输入电压范围：500V－880V
交流侧：
额定交流输出功率：100kW
工作电压范围：300V±10％
额定输出电流：192A
工作频率范围：50Hz±1％
电流总谐波畸变率：＜3％
4）充电数据：
最大充电效率：98％
电网侧：
额定输入功率：102kW
输入交流电压：300V±10％
额定输入电流：196A
工作频率范围：50Hz±1％
电流总谐波畸变率：＜3％
直流侧：
额定直流输出功率：100kW
输出电压范围：500V－800V
最大输出电流：200A

图3 双向换流器的总体结构
2. 双向换流器的功能分析
双向换流器主要集成了换流、并网控制、功率调节、保护四大功能。
1) 换流
双向换流器的主要功能是进行整流和逆变。在逆变过程中，由于电池放电将造成电池端电压下降，通过控制换流器IGBT的导通时间，补偿电压，以保证交流输出端的电压稳定。
2) 并网控制
在放电状态下，双向换流器的DSP进行蓄电池的并网控制过程如下：首先，DSP控制投入直流侧开关，由DSP采样交流电压的相位和幅值，把逆变器的输出电压调至与电网侧电压同幅、同相、同频，完成后控制交流侧开关投入，实现并网。
3) 功率调节
DSP采样直流侧电压、电流和交流侧电压、电流，形成反馈信号，确定交流输出的电流或充电电流大小，可按给定功率进行调节。
DSP还可控制交流输出电流、电压间的相角，实现功率因数在[-1,1]区间连续可调。
4) 保护
换流器具有以下保护功能：①交、直流过压、欠压保护，②过频、欠频保护，③相序检测与保护，④防孤岛保护（检测电网断电时，停止换流器运行），⑤过热保护，⑥过载、短路保护。其中通过DSP软件和硬件共同实现过热保护，通过DSP软件、断路器和熔断器共同实现过流保护。
3. 需进一步完善的方面
1) 换流器的功率有待提高.
目前BYD使用的换流器功率为100kW，对于10MW储能站，需要100个换流器柜，而300MW储能站，需要3000个换流器柜，占地面积大，线路连接繁琐，加大了电能损耗和运行维护难度；
2) 换流器端电压有待提高。
目前直流端电压为500V－880V，交流端电压为300V，如需接入380V或更高电压等级的电网，还要增加专门的升压电路；
3) BYD的大功率换流器为近期开发产品，目前在试运行阶段，受测试工具、测试人员的限制，尚缺乏完整规范的测试报告，难以准确评判其运行性能；另一方面，由于试运行仅3个月，还缺乏可靠性数据及长期运行经验。

三、电池管理技术
电池管理系统用于控制电池模块，保证电池的安全可控运行。由于电池数目庞大，电池管理系统采用分层结构（参见图4），最底层的sBMS控制器用于控制一个电池模块，可以监视电池模块中每个电池单体的电压、温度，以及模块的电流和漏电流。最上层的电池堆管理器用于与中央控制系统交换信息，并向中间层的电池组管理器发布命令。中间层的电池组管理器的层数和各层数目可根据电池数目及分组需要配置。
电池管理系统除监视电池运行状态外，还具有过压、欠压、温度、漏电报警及保护功能，以及过流报警功能。

图4 电池管理系统结构图

四、中央控制系统
中央控制系统（参见图5）负责监控整个系统的运行，其设有人机交互界面，内部集成算法控制部分、通讯控制部分以及驱动控制部分，用以根据人机交互界面输入的命令控制电池管理系统和双向换流系统的运行。

图5 中央控制系统图
第三章 BYD储能技术的应用
一、比亚迪储能技术应用情况简介
基于BYD对储能技术的研究和其在电动汽车领域取得的应用成果，BYD于2008年下半年决定进军电力系统， 截至2009年9月建成2个储能示范/试验电站，出力（容量）分别为200kW（800kWh）和1MW（4MWh）。电池储能电站/系统（BESS）的总体设计相似，由铁电池堆、电池管理系统（PBMS）、双向换流系统（TWI）、中央控制系统、变压器和并网开关柜等6个子系统组成。200kW 移动式储能示范/试验电站（参见图6）外型尺寸（单位：m）: 12.02（L）× 2.35（W）× 2.38（H），重量约 20 吨，系统效率大于91%，特点是：便捷、可移动、通用、反应迅速、应急效果好、空间布局合理；理论使用寿命在20 年以上；建设周期短，维护成本低。本章将重点介绍1MW（4MWh）储能示范电站。

图6 200kW 移动储能电站
二、1MW（4MWh）储能示范/试验电站
1. 1MW（4MWh）储能电站设计
1.1基本情况：
1）电站容量：额定功率 1,000kW，总容量4,000kWh（目前未达到设计要求）。
2）电压等级：10kV/0.3kV（AC50Hz）
3）地点：深圳市龙岗区坪山镇横坪公路 3001 号
4）占地面积：700㎡
5）设计服务年限：20年以上
6）运行环境：室温，5~85%RH
7）运行模式：少人值班/无人值守
8）系统效率：＞90%
9）电池型号：比亚迪 FV200A铁电池
10）单体电池总数量：6000节。
1.2基本结构
1.2.1储能电站总体设计结构：
如图7所示，3个电池组并联后构成1个储能单元（功率100kW），再接入双向换流器直流侧，双向换流器交流侧接入低压母线。10个储能单元并联接在低压母线上，实现储能电站总容量为4,000kWh。储能电站通过10kV变压器与电网连接。


图7 1MW储能电站连接图
1.2.2 100kW储能单元结构
1）100kW储能单元框图（参见图8）

图8 100kW储能单元框图
2）100kW储能单元由3个电池组并联而成。每个电池组由20个标准电池模组串联组成，而每个标准电池模组又由10节FV200A单体铁电池串联构成。一个电池组共有200节FV200A单体铁电池，故100kW储能单元共有600节单体电池。
3）标准电池模组基本参数（参见图9）

图9 标准电池模组
根据BYD工程技术人员介绍，由于目前铁电池工厂的产能不足，该1MW储能电站实际额定功率只有333kW，容量仅1,333KWh。
1.3双向换流器与储能单元的设计
1）电压
相同功率的换流器可以对应不同连接结构的储能单元，储能单元的连接结构应与双向换流器的耐受电压相匹配。如：1MW换流器对应的储能单元可以由30个200节电池串联回路并联组成，电池组端电压为600V，则换流器直流侧额定电压应不低于600V；或者该储能单元由15个400节电池串联回路并联组成，电池组端电压为1200V，则换流器直流侧额定电压应不低于1200V。
2）单体电池数量
单体电池数量取决于电站储存总容量，而储存总容量又取决于所需放电功率和放电时间。对应100kW额定功率，如果要持续放电4小时，则储存总容量为400kWh，除以单体电池容量就可得出所需单体电池数量。
3）双向换流器数量
目前比亚迪已生产出100kW、200kW双向换流器，800kW、1MW双向换流器正在研发中。大容量双向换流器的使用可以减少换流柜的数量，在电压允许的范围内1个1MW换流柜可替代10个100kW换流柜，则可大大节省占地空间。
1.4 储能电站的电池管理系统和中央控制系统结构详见第二章，在此不再赘述。由于比亚迪对电力系统安全及可靠性需求不熟悉，其设计的继电保护系统在与外部电网的保护配合方面还有待完善。
2．运行方式
储能电站目前运行方式为晚上11点至早上7点，以0.125C倍率充电8小时，白天以 0.25C倍率放电4小时。用户可以根据实际情况进行设置，也可实时进行调整。
3．安全可靠性分析
3.1安全性分析
1）电池及电池管理系统
BYD 储能系统中的电池阵列采用了高安全性的Fe 电池，该电池在挤压、针刺、过充、高温试验条件下能做到不起火，不冒烟，不爆炸。电池管理系统对电池阵列进行温度、电压和电流等实时采样，具有过温、过压、欠压和过流等监测和保护功能。
2）充电系统
充电系统采用高频充电模块并联冗余方案，即使有某一个模块故障也不会影响整个充电系统的正常运行。充电系统具有过压保护、过流保护、欠流保护等功能，同时在充电过程中与电池管理系统（BMS）进行实时通信，监测充电状态，充电装置和电池组任一方面出现故障时，充电装置都会停止充电。
3）逆变并网系统
逆变并网系统采用高可靠性功率开关器件，DSP 数字控制，输出经工频变压器隔离，保证逆变器自身出现故障时不会影响电网。逆变器具有输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护等功能，保证了逆变器自身工作的安全性。同时具有电网电压异常保护、电网频率异常保护、接地保护，孤岛效应保护，保证了系统并网运行的安全性和可靠性。
4）监控系统
监控系统实时监控电池及电池储能管理系统、充电系统、逆变并网系统和各个开关柜的状态，并通过联锁控制方式防止充电模式和放电模式同时进行，保证系统正常运行。
5）电气及继电保护系统
BYD 储能系统的高压、低压交流和直流等一次部分均采用具有过负荷和短路保护的开关器件，并通过配套的继电保护系统监测系统的运行状态，保证系统能够正常运行。
3.2可靠性分析
1）BYD1MW储能电站由相对独立的10个储能单元并联组成，当单个储能单元故障时，隔离故障的储能单元即可，不会造成储能电站整体退备，仅仅降低储能电站额定功率和总容量大小。
2）储能电站对每个电池均进行监控，可以对故障的电池进行准确定位，确保了储能电站可靠运行。
4．储能电站现场测试
为了验证储能电站性能，考察组在BYD工程技术人员的配合下进行了部分性能的现场测试。试验选择在＃3储能单元进行。
4.1储能单元充放电转换时间测试
±30kW转换时间为2.07秒，±50kW转换时间为2.49秒，表明放电充电转换时间快。
4.2效率
＃3储能单元充放电效率>90％，效率高。
4.3无功调整试验
现场测试表明，可通过双向换流器在全范围内调整相角，以实现无功调节。这在电网实际应用中意义重大。
4.4谐波测量结果偏大，通过滤波措施可改进。
4.5冲击电压、电流，噪声、电磁辐射等项目及甩负荷试验等本次调研时间内无法完成，需更深入测试获取相关数据。
5．1MW铁电池储能电站实际运行情况
该电站因铁电池产能原因实际只有333kW，容量1333kWh，投运期间基本能实现全部设计功能，系统设备运行正常，发生1起因开关容量选择不当而引起的故障，除触头烧损外未发生其它异常。已运行105天，共发电55209 kWh，运行期间有其他调试试验，按实际正常运行天数计算，平均每天发电量为1300kWh。

三、8MW（32MWh）、300MW（1800MWh）储能电站初步设计方案
为了能对大、中型铁电池储能电站形成一个初步的轮廓概念，调研小组要求BYD电力科学院分别按8MW（32MWh）和300MW（1800MWh）两种规模制定电站方案（详见附件七 8MW、300MW储能示范电站设计图）。
1．8MW（32MWh）储能电站初步设计方案
1.1设计结构
250节电池串联成1个电池组，5个电池组并联成1个储能单元，每个储能单元与200kW双向换流器直流侧连接，200kW双向换流器交流侧通过1个隔离变后与AC380V母线连接。40个储能单元和换流柜共同构成8MW（32MWh）储能电站。
1.2基本参数
1）8MW能量型储能电站，电池总数量为50000节，型号为FV200铁电池。
2）放电时间4小时，放电功率8MW；充电时间8小时，充电功率4MW。
3）200kW换流柜共40个，柜内主要有换流器、滤波器、隔离变压器。
4）电池架占地面积（包括过道）约1404平方米。
2．300MW（1800MWh）储能电站初步设计方案
2.1设计结构
250节电池串联成1个电池组，38个电池组并联成1个储能单元，每个储能单元与1个1MW双向换流器直流侧连接，1MW双向换流器交流侧通过1个隔离变后与AC380V母线连接。300个储能单元和换流柜共同构成300MW（1800MWh）储能电站。
2.2基本参数
1）300MW能量型储能电站，电池总数量为2,850,000节，型号为FV200铁电池。
2）放电时间6小时，放电功率300MW；充电时间8小时，充电功率225MW。
3）1MW换流柜300个。
4）电池架占地面积（包括过道）约52182（附图标明25847是错的）平方米。

第四章 BYD储能技术在电网中的应用前景分析
一、铁电池储能电站在电网中的应用前景分析
1. 在电网中的作用
铁电池储能电站具有储能、停止、发电、调相四个工况。工况之间转换灵活快速，从静止到发电只需2秒左右时间；现场试验证明负荷调整速度快，从－50kW到＋50kW额定负荷只需2.49秒时间；出力调整范围广，可以从-100%到+100%额定出力范围内任意调整；效率高，现场效率试验表明，其综合循环效率达到90％以上。
随着电网峰谷差越来越大，用户对电能质量要求也越来越高，系统调峰填谷、调频调相任务繁重，蓄电池储能电站在这方面可发挥重要作用。在紧急情况下能快速响应，只要从系统取频率信号，与设定值比较，立即可以按策略调整运行状态，满足系统需要，也可以当黑起动电源。由此可见在系统中建设铁电池储能电站意义重大。
2. 对环境的影响
1） 制造铁电池的材料均为无毒材料，其正极材料为磷酸铁钴锂，负极材料为碳类材料，正极板为铝箔，负极板为铜箔，介质是溶剂和锂离子电解质，隔膜为高分子聚合物，这些材料本身不对环境构成污染影响，与常规电池相比具有良好的环保性能。同时比亚迪公司拥有铁电池回收利用技术，可提取废弃电池中的有效成份进行重复利用，降低资源消耗，减少环境污染。
2） 蓄电池储能电站没有高速旋转设备等，仅双向换流器开关切换有较小噪声，不会造成过大的噪音污染。
3. 技术可行性分析
1） 从BYD的技术研究成果和现有的两个储能示范/试验电站的设计和运行情况看，技术上是可行的。
2） 通过现场的工况转换、有功和无功调整、并网等实际操作试验，证明了电站基本能实现设计功能。投运至今，除因开关容量选择不当而造成触头烧损外未发生其它异常。
3） 储能电站的核心技术是电池组、双向换流装置和电池管理及控制系统。铁电池在动力汽车使用效果良好；电池管理系统逻辑清晰，监控模拟量数量多但类型少、简单，可靠性也高；双向换流器目前用的是单屏100kW，运行至今未发生故障，但800 kW以上还没有得到考验。
4） 电站储存容量理论上可以扩大到无穷大，只要增加电池组和双向换流装置数量即能加大储能站容量，扩展性好。
5） 储能电站用 200Ah铁电池，如果采用0.125C（25A）充电，0.25C（50A）放电，循环寿命将达到7000－10000次，1天1次循环的话可使用19年－27年，浅充浅放其寿命将更长。电池寿命长短与运行的环境、工况有关，在环境温度25℃左右、浅充浅放条件下，寿命最长。
6） 电池运行性能和电池的一致性有关，电池一致性好其运行性能也较好。电池的一致性主要靠自动化生产线、生产过程的先进技术、严格的质量控制、“分容”分组、无尘车间来保证。
4. 安全性分析
1） 铁电池与常规蓄电池相比其最大的优点就是安全性能好，该电池在挤压、针刺、过充、高温、震动等极端条件下试验能做到不起火，不冒烟，不爆炸。
2） 与水力和火力等常规发电厂比，铁电池储能发电站设备不需承受高温、高压、高转速，其安全性将更高。事故时在与系统快速解列对电站的损害小。
5. 可靠性分析
发电设备可靠性，是指设备在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。设备可靠性指标是设备可用性的量化描述，通过一系列的指标反映可靠性水平，也是行业内评比的重要指标。类似于抽水蓄能电站，铁电池储能电站可靠性指标可分为：等效可用系数、发电启动成功率、储能启动成功率、等效强迫停运率、非计划停运系数（次数）、电站跳闸次数等。铁电池储能电站因系统组成和控制逻辑简单，不需油、气、水等配套的辅助系统，大大降低了电站的故障率。万一发生某储能模块故障跳闸后，其它储能模块可继续运行而不影响储能电站整体运作，所以铁电池储能电站可靠性将明显提高。
6. 经济性分析 比亚迪销售系统
从投资经济性角度分析，比较了同等规模的铁电池储能电站和抽水蓄能电站后发现，虽然铁电池的效率高、运行成本低，但由于单位千瓦投资大（铁电池约7000元/kW，抽水蓄能3500元/kW），年折旧率高（电池寿命按15年算是6.6%），其经济性略差于抽水蓄能电站。然而，从定性上讲铁电池的静态效益和动态效益总和应好于抽水蓄能电站。更准确的经济性分析，需进一步调研分析。

二、国外蓄电池储能电站建设和应用
据有关资料的不完全统计，国外从1980年至今建设了17个蓄电池储能系统，容量范围从200kW（400kWh）到20MW（14MWh）。蓄电池储能技术不断成熟，所用电池大部分是富液式铅酸蓄电池，仅4种使用阀控式铅酸蓄电池。容量较大的蓄电池储能系统为波多黎各电力局20MW（14MWh）蓄电池储能系统，1994年投运，1999年因很多电池失效而停止运行，5年运行过程对运营商具有很高价值。美国加利福尼亚州弗农蓄电池储能系统3MW（4.5MWh）和阿拉斯加Metiakatia岛屿蓄电池储能系统1MW（1.2MWh）采用阀控式铅酸电池，分别于1996年和1997年投运，至2006年这两个系统运行良好。波多黎各电力局蓄电池储能系统单位千瓦投资为1102美元，弗农蓄电池储能系统单位千瓦投资为1416美元，按1995年美元汇率8.3507，则单位千瓦投资分别为9202元和11824.6元。

三、结论
铁电池储能电站具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全、可靠、环保、运行维护费低、建设工期短、可扩展性强等特点，铁电池储能电站在未来有着较好的发展前景。随着铁电池技术的发展、突破，铁电池储能电站在电网中的调峰、填谷、调相、事故备用及黑起动等作用将得到更好的发挥。但是铁电池储能电站单位千瓦的投资较大，大功率大容量电站在国、内外实际应用经验缺乏是影响其发展的重要因素。为推进铁电池储能电站的建设和应用，铁电池特性改进和制造成本的降低、电池连接组合及堆放方式的优化、大功率双向换流装置开发和可靠性的提高等问题需要继续研究和进一步提高。

四、建议
1、建设铁电池储能电站技术上是可行的，电站的调峰、填谷、调频、调相性能较好、可以考虑兴建。
2、现有电网容量大，铁电池储能电站容量目前暂不能做得太大，为充分发挥储能电站的调节作用，可针对储能电站的运行特点选择局部电网或负荷较小的电网试行，例如接入峰谷差较大的变电站以发挥移峰填谷的作用，或接入负荷特性变化快、差异大的系统以发挥调功调相作用。
3、铁电池储能电站的扩展性好，规划时可以预留空间，由小到大逐步建设发展。
4、铁电池储能电站与风能和光伏发电等不稳定的可再生能源的配合是将来发展的热点方向，是绿能源接入电网的最佳选择，可积极关注该技术的进展。