西班牙罗维拉·威尔吉利大学推出一种不干扰电网的电池状态监测新技术

西班牙罗维拉-威尔吉利大学的研究人员参与开发出一种创新方法，可以在不干扰电网的情况下，实时评估储能电池的电荷量和健康状态。

电池储能系统已成为能源转型不可或缺的组成部分。尽管在制造环节和报废处理方面确实存在挑战，但它们仍是我们当前最优的解决方案，并具备诸多技术优势：它们能促进可再生能源的并网，稳定电网的电流频率，并在应对意外用电高峰时提供即时电力支持。然而，要确保这些系统的安全运行，必须随时掌握电池的状态——即其储存了多少能量，以及在充放电循环中性能衰退了多少。

这些参数通常通过等效电路模型进行估算。换言之，由于无法将电池从系统中断开、拆解开来直接观测其内部状态，研究人员会构建一个行为特性与真实电池相似的简化数学模型。该模型运用电阻器（用以表示电池内部的能量损耗）、电容器（用以模拟电池的储能和释能过程）等电子元件。因此，为了检测电池状态，需要向系统施加特定的激励信号。通过观测等效电路模型的响应，便可以推断出电池的实际状态。

问题在于，这些传统检测方法所用的激励信号可能会对交流电的质量产生干扰。URV电子、电气与自动工程系的研究员拉蒙·莱瓦（Ramon Leyva）解释说：“实际上，这种干扰可能导致连接到同一电网的电器设备出现故障。”莱瓦参与了一项国际合作研究项目，该项目提出了一种解决方案：开发一套能够在不干扰电网的前提下监测电池状态的控制系统。

该研究的重点是基于级联多电平模块化变流器的储能系统。得益于其良好的可扩展性，这种架构在中高压应用场景中日益普及。它由多个独立的模块组成，每个模块都包含一个电池组、一套控制电子设备以及一个将电池（使用直流电）与电网（使用交流电）连接起来的直流-交流变流器。

研究团队搭建的实验室原型由多个模块构成，图中展示了其中一个模块的内部结构细节，可以看到电感器和电容器等组件（电池模块未在图中显示）。

研究人员提出的创新方案正是利用了这种模块化结构：他们并非仅对单个电池施加干扰进行检测，而是对系统中的所有电池都施加激励，但并非同时进行，而是按照特定的相位顺序（即所谓的“节奏”）来执行。通过精确控制各模块激励信号的相位，确保它们在电网公共耦合点处叠加时能够相互抵消。这样一来，便可以在对每个电池模块进行分析的同时，保证向电网输送的电流波形保持标准正弦波形态，不含任何干扰成分。

如果用于识别各模块状态的激励信号同时发生，其叠加效应会污染电网。但如果让它们的相位适当错开，则会在公共耦合点相互抵消，从而不对电网产生影响。图片来源：作者自绘。

虽然这套系统在理论设计上近乎完美，但在实际应用中仍面临一些挑战。其中最主要的问题在于，电子元器件制造过程中的微小误差会影响系统的理想性能。莱瓦坦言：“要想完全消除这些干扰，达到理论所需的相位精度，几乎是不可能的。”为此，研究团队开发了一种基于反馈机制的控制算法，该算法能够持续监测每个模块的电流变化。这一机制起到了自调节的作用：一旦检测到因能量损耗或制造偏差引起的相位偏移，系统便会实时进行修正，确保在电网接口处的干扰抵消效果接近完美。

为验证该方法的实际有效性，研究团队搭建了一个3.84千瓦的实验室原型系统，该系统由四个模块构成。测试结果表明，该系统的鲁棒性表现良好，其引起的总谐波失真被抑制在约2.9%的水平，这与正常运行（无监测激励）时的背景干扰水平相当，符合国际通用的电能质量标准（如IEEE 519标准），并且远低于传统注入式监测方法可能导致的8%的谐波失真。

除了监测精度高之外，这套系统相比传统方法还有其他优势。得益于其控制架构能够有效抑制大幅波动，系统无需采用大容量的电容器来平抑振荡，这使得系统的构建和维护更为简单、成本也更低。该方法由来自新加坡南洋理工大学、墨尔本大学、香港城市大学以及URV的研究团队共同开发，具有良好的可扩展性，并能兼容多种类型的配置。它可广泛应用于固定式储能系统、可再生能源发电厂，以及采用模块化架构的电动汽车充电基础设施。