电池储能系统

电池储能系统（精选9篇）

电池储能系统 篇1

近几十年来,储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电信等部门的重视。电池储能技术的研究与应用在国内外已经取得了较多进展,已从电池本体及小容量电池储能系统的研究与应用发展为大容量、规模化电池储能系统的研究与应用。

1 电力电池储能系统与电力系统的关系

当前,电力电池储能系统已被视为电力系统安全经济运行的重要环节(见图1)。电力电池储能系统主要应用在电力系统运行中的削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源4个方面。

受发电设备固有惯性和运行经济性限制,传统的发电方式(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性的特点,而用电负荷固有的随机性和间断性造成了二者之间存在必然的矛盾。虽然可以通过加强电源和电网的建设与投资来解决,但这将导致发电、输电和变电设备的利用效率大大降低并严重影响一次能源的利用效率和电厂的运行经济性。

新型能源(风能、太阳能)的大规模开发和利用,将使这一矛盾进一步加剧和恶化。因此,亟需突破储能相关的关键技术,开发大容量、规模化电池储能系统,以提高一次能源和输变电设备的利用效率,减低温室气体排放[1,2,3]。

电力电池储能系统主要实现能量的储存、释放或快速功率交换,一般由2个系统组成:由电池模块组成的储能电池系统(BESS);由电力电子器件组成的能量转换系统(或称电网接入系统)。电网接入系统主要实现以下功能:①充放电控制;②交流-直流双向变换、直流-直流变换;③功率调节和控制;④运行参数检测和监控;⑤安全防护等。

应用于电力系统中大容量、规模化电池储能系统的相关技术,主要包括规模化系统集成技术和规模化系统接入技术。

2 电力电池储能规模化系统集成技术

电力电池储能系统的规模化系统集成技术,根据其应用情况可以分为大规模集中式储能系统和大规模分布式储能系统。

2.1 大规模集中式储能系统

大规模集中式储能系统以能量转换和电力系统削峰填谷功能为主,以实现电力系统的经济运行,其储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能等。

这类储能电站一般规模较大(数兆瓦至数百兆瓦级),经常在有核电站、大型风电场和以火电为主的电力系统中应用,以满足调峰、快速备用、辅助服务和经济运行的要求。其优点是容量大,运行成本较低;缺点是受自然条件(选址)的约束较大。以前对这类储能系统的研究主要考虑与核电和大规模火电基地的配合调度较多,与大规模太阳能发电、风力发电等的配合较少。

2.2 大规模分布式储能系统

大规模分布式储能系统以平抑电源功率随机波动、维持局部电网或微型电网安全稳定运行为主,经常与可再生能源(如太阳能、风能等)配合使用,其储能方式有蓄电池、超级电容器、超导磁储能、旋转飞轮储能等。

这类储能电站一般规模较小(千瓦至兆瓦级),但如广泛应用,仍可占电力系统容量的相当比例并形成规模。其优点是布局灵活,可建在负荷中心;缺点是容量偏小、单位容量的投资较大。学术界对大规模分布式储能的研究刚刚开始。

3 电力电池储能规模化系统接入技术

电力电池储能系统规模化系统接入技术,目前根据其电网接入点应用情况可以分为以下4类:①新能源发电侧储能入网接入技术;②配电网储能入网接入技术;③用户侧储能入网接入技术;④电动汽车入网接入技术。

3.1 新能源发电侧储能入网接入技术

将电池储能系统用于新能源发电侧,可使新能源功率稳定,提高电网安全性和经济性。近几年,新能源发电发展迅猛,根据国家能源战略,到2020年,风力发电和光伏发电的总装机容量将分别达到1.5亿kW和3 000万kW。由于风力发电、光伏发电、地热发电等功率变动大,发电与用电需求不同步,因此储能系统将成为可再生能源发电设备中必不可少的辅助装备。有了储能装置的配合,这些不稳定的、与用电需求不同步的分布式发电设备才有可能向电网和用户稳定地供电。因此,新能源发电的快速发展对电池储能系统提出了更高的技术要求,也提供了更多的需求。

3.2 配电侧储能入网接入技术

将电池储能系统用于城市负荷中心区域的配电侧,可以减少用于发电、输电、变电、配电设备的投资,提高现有电力设备的利用率,降低发电煤耗、供电损耗以及提高供电可靠性。

随着城市电力需求的与日俱增,城市电网面临电力需求存在巨大峰谷差的挑战。目前城市电网系统,已从普遍缺电逐渐发展到局部地区负荷不稳定和不平衡造成的部分地区和部分时段的电力供应紧张,特别在城市中心负荷密度高的区域,经常有配电变压器过载的现象。然而从建设成本和资源保护的角度出发,通过新增发、输、配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难。在目前城市负荷中心区域,如采用大容量储能系统接入电网进行削峰填谷,替代常规的解决办法则可有效避免上述问题,不仅使得配电网安全、经济运行,也减少了巨大的增容费和社会环境影响,还提高了设备利用率、降低了线损。

3.3 用户侧储能入网接入技术

将储能电站用于用户侧,可以提高电网的电能质量,增强电网的供电可靠性。目前越来越多具有高度自动化生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量提出更高的要求。例如,对于电子企业,1次0.1 s的停电,就将导致整条生产线上芯片的全部报废,损失可达数千万美元。如果使用基于大容量储能技术的电能质量装置作为备用电源,可提高这些企业用电的安全性和可靠性。

现在已经可以利用储能装置为每一个用户(家用、商用或者工业用户)提供不间断的、高质量的供电电源,而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。

3.4 电动汽车入网接入技术

电动汽车是解决能源供需和环境问题的重要手段。按照我国新能源汽车产业发展规划,未来5 a电动汽车将产业化和大规模推广应用,并在2016年进入高速成长期。但大量的车辆充电将带来新一轮的电网负荷快速增长,使得用电负荷峰谷差日益加大的城市电力系统发、输、配电压力巨增。因此,采用电动汽车入网接入技术,将电动汽车能量在受控状态下实现与电网之间双向互动和交换,不仅可解决大规模电动汽车集中充电对电网冲击的影响,而且电动汽车作为移动备用储能装置的分散储能功能,在负荷用电高峰期对电网放电,可减缓电网高峰负荷用电的压力[4]。

将电动汽车和智能电网相结合的V2G技术,可实现电网与车辆的信息和能量双向互动,电动汽车作为电网能量系统的有机组成,可提高电网安全性、稳定性、可靠性和经济性。V2G是一项较前瞻性的技术,目前仅少数机构涉足,具有代表性的研究与示范都在美国。丹麦、英国和澳大利亚正开展这方面研究,大多数为新能源接入方面的示范应用。上海市电力公司是国内最早开展V2G技术研究的企业,目前已在上海漕溪能源转换综合展示基地和上海世博会国家电网馆建成2座具有V2G功能的充放电装置与电网实现双向互动,并在国内首次系统提出了电动汽车入网的研究框架体系以及系统化的充放电策略方案。

4 我国电力电池储能系统技术存在的问题

我国在规模化电池储能关键技术研究领域与国外相比存在以下主要问题。

4.1 电池本体工艺落后

电池本体即化学储能电池的研究、设计、工艺、制造、筛选以及组合等基础工作的任何不足或缺陷,都有可能成为整个储能系统的瓶颈。尽管我国电池的生产技术在总体上已经取得长足进展,但仍有不少技术,尤其是涉及大容量、高功率电池的研究、设计与生产技术,以及电池模块组合与电池组工程应用、运行与管理等诸多关键技术问题还有待于克服和解决。

4.2 大规模应用一直没有进展

尽管电池储能技术有很多的优点,但是由于技术、成本等原因,其在电力系统中的大规模应用一直没有进展。国内实际应用中的电池储能系统储能电站容量都很小,无法形成规模化。随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电电源的大规模并网利用,这些电源所固有的随机性和间歇性使得电力系统的安全性和经济性面临巨大的挑战,急需大规模储能系统的支持。

4.3 电网接入技术研究落后

大规模电池储能系统接入到电网,在一定程度上会影响电网。如含有的大功率电力电子变流设备,会导致电网出现谐波、功率因数低等问题;存储设备投入和切除瞬间的过电压和电压暂降问题;存储设备的运行故障对电网的不利影响等。电网的电能质量问题和运行故障也会对存储设备产生影响,轻者缩短储能设备寿命,重者导致储能设备损坏。对此,一些国际组织制定了能量存储设备并网的标准(如IEEE Std. 1547—2003)。我国因尚未建设大规模电池储能系统示范应用工程,导致电网接入技术的相关研究落后。

5 结语和展望

建设坚强智能电网是国家电网公司必须实现的目标,电池储能的规模化系统集成及接入关键技术是实现这一目标的有力技术支撑,符合国家能源战略,也符合公司促进发展低碳经济的基本方针。以上海为例[5],电池储能系统一旦形成规模效应,将从以下几个方面产生经济效益和社会效应:①有效提高现有发电、输电、配电、用电设备的利用率,改变电力建设的增长模式;②降低发电企业和电网企业的运行成本,减少用户的用电费用;③减少停电损失;④节能减排。

随着智能电网的建设,将促进储能技术升级、 推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长,从而带来相应的投资机会。随着储能技术的大量应用,必将在传统的电力系统规划、设计、调度、控制等多方面带来变革。但是,目前由于国外少数企业的技术垄断,造成价格过高,电网对电力储能系统的需求被压制。因此,国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准,加强储能技术基础研究的投入,鼓励技术创新,掌握自主知识产权,从而降低产品价格,推动电力储能系统在电网中的规模化应用。如能抓住这一发展机遇,储能技术将可能取得重要进展,形成新的储能产业。

摘要：阐述了电力电池储能系统规模化的集成技术和接入技术的研究和应用现状。分析了我国电力电池储能系统存在的主要问题,从需求、技术和经济的角度出发,指出了我国储能产业的发展前景,提出了促进大容量储能产业发展的政策建议。

关键词：电池储能系统,分布式发电,电能质量,智能电网

参考文献

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[2]张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008,32(7):1-9.

[3]杜成刚,李瑾,胡超,等.智能电网建设助推电动汽车业快速发展[J].供用电,2010,27(5):5-9.

[4]张宇,俞国勤,施明融,等.电力储能技术应用前景分析[J].华东电力,2008,36(4):91-93.

[5]袁智强,张征,祝达康.钠硫电池储能系统在上海电网的应用研究[J].供用电,2010,27(3):1-4,11.

电池储能系统 篇2

电力系统是一个动态平衡系统，发输变电与配用电必须时刻保持平衡。而风能是一种间歇性能源，且风速预测存在一定的误差，因此风电场不能提供持续稳定的功率，发电稳定性和连续性较差。在传统的电力系统中，任何微小扰动引起的动态不平衡功率都会导致机组间的振荡，大容量储能系统与风电机组结合，可以有效抑制或缓解风电的波动性，减小风电对电网的影响。而只要储能装置容量足够大而且响应速度足够快，就可以实现任何情况下系统功率的完全平衡，这是一种主动致稳电力系统的思想[1]。由于这种与储能技术相关的稳定控制装置不必和发电机的励磁系统共同作用，因此，可以方便地使用在系统中对于抑制振荡来说最有效的部位。同时，由于这种稳定控制装置所产生的控制量可直接作用于导致系统振荡的源头，对不平衡功率进行精确的补偿，可以较少甚至不考虑系统运行状态变化对控制装置控制效果的影响，因此装置的参数整定非常容易，对于系统运行状态变化的鲁棒性也非常好。 2 电池储能技术国内外发展现状

近年来，日本、美国以及欧洲等发达国家对电池储能技术投入较大，技术领先。日本在钠硫电池的研究与应用方面走在世界前列，日本碍子(NGK INSULATORS)从阿联酋阿布扎比水电局获得300 MW NAS电池系统和中央监控系统的订单。2009 年松下和松下电工与丹麦电力公司SEAS-NVE 共同启动旨在实现智能电网的实证实验。东芝于2010 年宣布接到冲绳电力2010 年秋季将在宫古岛开始的“离岛微型电网系统实证试验”相关设备的订单，将构建以蓄电池平衡功率变动剧烈的可再生能源负荷的新一代电力系统。三洋电机也在其“加西绿色能源园”导入了1.5 MW・;h 的锂离子电池，其他厂商也在积极参与电池储能项目。欧美方面，2001 年，加拿大VRB Power Systems 公司在南非建造了250 kW 的全钒液流储能电池示范系统，实现了全钒液流储能电池的商业化运营。VRB Power Systems 公司为澳大利亚Hydro Tasmania on KingIsland 公司建造的与风能发电配套的全钒液流储能电池于 年11 月完成，该系统储能容量为800 kW・;h，输出功率为250 kW。 年2 月，VRB Power Systems 公司又为castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了输出功率250 kW，储能容量2 MW・;h 的全钒液流储能电池系统。 年底该公司开始为爱尔兰建设迄今为止国际上最大的额定输出功率2 MW(脉冲输出功率3 MW)，储能容量12 MW・;h 全钒液流储能电池系统。美国利用日本住友电气工业公司和VRB Power Systems 公司的技术，分别建立了2 MW 和6 MW的全钒液流储能电池示范运行系统。

英国的Innogy 公司2000 年8 月开始建造第一座商业规模的发电储能调峰演示电厂，它与一座680 MW燃气轮机发电场配套，该电能存储系统储能容量为120 MW・;h，可满足10 000 户家庭一整天的用电需求。

德国EVONIK 工业股份公司宣布将联合戴姆勒汽车公司等研发机构共同开发适用于风能和太阳能发电的大容量、低成本储存的锂离子电池电站，先期计划在德国西部的萨尔州建造一个功率为1 MW 的储能装置。在大规模电池储能装置技术方面，我国起步较晚，与国外发达国家还有较大差距，主要表现在：一是设备容量规模还较小;二是设备的寿命短、利用效率低;三是设备的智能化水平薄弱。在储能应用方面我国距国外先进水平差距也很大，国外已经有数十套储能电站投入运行，国内还没有大容量电池储能装置的示范工程投入运行。

目前，我国电池储能的应用规模还很小，但随着国家能源政策的调整和节能环保政策逐步落实，其应用规模预计也将逐步扩大。上海市电力公司已经建设包括漕溪站、前卫站、白银站三个储能示范电站，电力调度中心可以直接通过电网储能管理系统对分布于各地的储能站实施统一调度与远程监控。BYD 在深圳龙岗建立了一座1 MW(4 MW・;h)储能电站。 国家电网所属的新源控股有限公司与张家口市张北县开发建设全国第一个风光储能综合示范

项目，该项目总规模为风电500 MW，光电100 MW，储能70 MW。张北风光储项目是世界上规模最大的风光储三位一体示范工程，但是还没有进入投运，目前已经完成了一期工程方案设计，正在进行一期建设工作。

3 快速发展的风电对储能技术的要求

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53 亿kW。近几年来，中国的并网风电迅速发展。截至2007 年底全国累计装机约600 万kW。 年12 月，中国风电装机总量已经超过1 000 万kW，位居世界第五，截至 年3月中旬，我国风电累计装机容量达4 450 万kW，风电建设的规模居全球之首。这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。

在我国风电在建规模高居世界第一的同时，风电并网问题却始终制约着我国风电的健康发展。有数据显示，我国风电装机累计并网3 107 万kW，但仍然有近三成风电没有并网这是由于风能随机性和间歇性的特点，造成风电机组的出力频繁波动，从而风电场的出力可靠性也差，风电比重过大，会使电网的调频、调峰压力加大，以及电网长距离送电的技术要求和运行成本急剧增大。因此，风电场大规模的并网接入对电力系统的运行也带来一些新问题：

1)风电的随机性及不可控性给电力系统规划和稳定运行带来新的挑战;

2)风电功率的.波动特性与电网负荷的波动特性难以一致，使电网的调峰问题更加突出，对调峰容量和响应速度都提出了更高的要求;

3)由于风速变化，风电机组容易引起电网电压和功率波动问题，以及由其带来的无功电压控制和电能质量问题。

风电具有间歇性和波动性与电力系统需要实时平衡之间矛盾，使得并网风电的波动需要通过常规电源的调节和储能系统来平衡，成为长期困扰风电并网的主要难题。而蓄水储能电站由于地理上的局限，不具有普遍的可获得性，因此，引入可普遍应用的大容量电池储能装置与风电场结合弥补风力发电的波动给电网带来的各类影响是一种合适的技术选择[8]。通过储能系统与风电系统的协调，不仅有效减小风电对系统的冲击和影响，提高风电出力与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，还降低电力系统的备用容量，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。

4 国内外对风电并网的要求

越来越多的大中型风电场相继建成并投入运行，当风电所占比例逐渐增大后而风电场的功率波动会影响当地电网的电能质量，产生电压波动与闪变。对局部电网将产生明显冲击，严重时会引发严重事故[9，10]。各国风电场并网技术规定都对风电场的有功功率变化提出了要求，如：

1)Eltra 和Eltra&Elkraft 要求并网风电场l min 的输出功率变化小于等于风电场最大功率的5%。风电场能够通过控制系统保证在2 s 内降到额定功率的20%以下，Eltra&Elkraf 要求风电场每分钟的功率变化率在10%～100%内可调;

2)而E.ON 和ESBNG 要求风电场输出功率在任何时间内都小于它的注册容量。E.ON 要求每分钟功率降低最少要占额定容量的10%，ESBNG 要求15 min 功率变化与风电场的规模有关，小于100 MW 的风电场每分钟功率变化小于5%，小于200 MW 的风电场每分钟功率变化小于额定容量的4%，大于200 MW的风电场每分钟功率变化小于额定容量的2%;

3)苏格兰并网技术规定要求风电场输出功率在合理的时间内可以超出额定功率;

4)中国国家电网公司规定了风电场1 min 和10 min 的功率变化率，变化率与风电场的装机容量有关，如小于30 MW 的风电场10 min 最大变化量为20 MW，1 min 最大变化量为6 MW;

5)Scottish 要求风电场起停要满足电压质量的要求，Scottish 还要求风电场起停满足最大

功率变化的要求，而且不多于25%的额定容量可以跳开，并在30 min 内分阶段逐步退出。 5 大容量电池储能技术对风电的平稳作用

显然实现有功功率最重要的调节手段是储能，大功率、大容量的储能系统能够平抑风电的波动性和间歇性。储能系统的容量达到一定规模时，将储能系统与风电机组结合，可以有效抑制或缓解风电的波动性，减小风电对电网的影响[11，12]。大容量电池储能技术在风电并网中能够实现如下功能：

1)平滑机组输出：将电池储能系统与风力发电机组相结合，在快速风速扰动下平滑风电场输出，减少风电场输出波动对电网的影响，降低风电波动对电网的冲击。

2)提高风电输出与预测的一致性：以储能作为配合来调整输出，根据风电场预测的出力曲线优化出力，提高风电输出可信度。

3)提高调度能力：采用储能系统则可以控制风力发电输出的有功功率和无功功率，用于电力调峰，使风力发电单元作为调度机组单元运行，而且具备向电力系统提供频率控制、快速功率响应等辅助服务的能力。

4)峰值转移：利用大功率大容量储能系统可以将不稳定的风能电力收集起来并在适当的时候将其平稳释放，转移峰值，降低对电网冲击;

5)保证风力发电系统持续可靠地供电：当环境因素或外部条件变化较快，风力发电系统不能稳定地输出电能时，储能系统中存储的能量可以产生一定的能量和功率支撑作用，保证对负载持续、稳定地供电。

6)系统运行可靠性及冗余度大大提高：多台容量较小的并网逆变器的并联群控运行，使得系统可以根据各种新能源发电的特点，启动不同数量的并网逆变器进行控制，这样就可以实现系统的发电效率最优，进一步提高系统可靠性和冗余度也将大大提高。

7)使风力发电具有可调度性：单纯的新能源发电系统受环境因素的影响较大，因此，无法制订特定的发电规划。如果配置能量储存装置，就可以在特定的时间提供所需的电能，而不必考虑此时发电单元的发电功率，新能源发

大容量电池储能技术在风电中的应用电系统可以与电网连接，实现向电网的馈电，并可以提供削峰、紧急功率支持等服务。只需按照预先制定的发电规划进行发电。储能装置的容量越大，系统的调度就更加自由，就可以获取更多的经济利益，但需要的投资也就越大，关键在于找到最佳经济平衡点。

6 结论

电池储能系统 篇3

1 “油改电”轮胎吊过转道存在的主要问题

如图1所示：过道指轮胎吊从一个堆场通过无电区不转向进入另一个堆场；转道指轮胎吊从一个堆场通过无电区转向后进入另一个堆场。“油改电”轮胎吊在堆场内依靠电力运行；当过转道时，轮胎吊从市电区进入无电区，需要从用电状态切换为用油状态，依靠柴油发动机的动力完成过转道，进入堆场后再从用油状态切换为用电状态。这一过程存在以下问题：（1）耗油量较大，完成1次邻近堆场的过道耗油约4.5 L；（2）过转道时发动机频繁启停，容易造成积碳、启动电压不足等问题，导致发动机故障大幅增加；（3）由于需要等待发动机启停和可编程逻辑控制器系统重启，轮胎吊过道耗时通常超过，转道耗时则更长，导致作业效率下降；（4）由于柴油燃烧不充分，导致轮胎吊在过转道时排放大量废气和黑烟，而且噪声较大，不符合节能环保要求。

2 “油改电”轮胎吊电池储能过转道改造方案设计

2.1 电池类型

“油改电”轮胎吊电池储能过转道改造方案采用电池储能方式为轮胎吊过转道提供能量。在选择电池类型时，需要综合考虑电池的储能容量、使用寿命、回收性能、环保性能、安全性能和价格等因素。北二集司的“油改电”轮胎吊已实现全控整流方式的能量回馈，能够将起升机构下降的势能转化为电能反馈至电网；因此，在电池的储能容量方面，主要考虑满足大车行走机构的需求。经比较，最终选择铅炭电池作为储能介质（见表1）。

表1 常见电池类型性能比较

2.2 设计目标

（1）电池系统在满充的情况下能够为轮胎吊提供至少或连续转场（其中包含6次过转道）的动力能量。

（2）电池系统向轮胎吊的主回路提供电压为的直流电源，并通过逆变装置向辅助回路提供轮胎吊转场所需的频率为，电压为的三相交流正弦波电源。

2.3 参数计算

按照设计目标，电池系统应当满足轮胎吊大车行走机构运行的峰值功率需求和稳态功率需求，即

式中：Q为电池储能容量；P为轮胎吊大车行走机构功率； 为效率；Q'为轮胎吊完成1次转向的能耗；t为转场时间；s为相邻堆场的转场距离；v为轮胎吊转场平均速度；n为转场区间；I为电池放电电流；U为大车行走机构电压。

轮胎吊大车行走机构功率为，大车行走机构电压为，开启自动纠偏时的效率为0.9，转场平均速度为/s，转场最远距离为，包含6次转向（耗时，耗能 h）。经计算，电池储能容量应当大于 h，平均放电容量为 h。

2.4 电池系统框架

如图2所示：（1）铅炭电池组（共96节电池，每节电池电压6 V，放电容量 h）作为储能装置为轮胎吊提供过转道所需的能量；（2）充电装置由高频开关电源和脉冲维护模块组成，用于电池组充电和维护；（3）电池巡检模块负责实时监测电池组中每节电池的电压，为电池组的运行状况提供诊断依据；（4）应急电源装置用于市电电源与逆变器电源之间的无缝切换；（5）监控装置负责监控各子系统的运行状态并存储历史数据，监控内容包括交流输入电参数、直流输出电参数、电池组充电状态和电池组维护状态等；（6）远程监控单元基于互联网技术对整个系统的运行状态实施远程监控。

3 “油改电”轮胎吊电池储能过转道改造方案实施

3.1 实施过程

（1）将电池、应急电源装置、充电装置、电源巡检模块等集成在电池房中。

（2）拆除轮胎吊海侧发动机房，将电池房放置在原发动机房的位置，调整电池房的重心，以确保轮胎吊海侧重心不偏移及大车纠偏效果不受影响。

（3）在电池房与轮胎吊陆侧电气房之间敷设动力线、控制线等。

（4）在电池房可编程逻辑控制器与轮胎吊可编程逻辑控制器之间建立连接，并设置相关保护，如电池低电压预警等。

（5）上电后，测试电池状态，并记录使用效果。

3.2 远程监控

本方案采用GPRS-DTU模块实时监控电池系统。如图3所示，通过232串口通信建立可编程逻辑控制器模块与GPRS-DTU模块的通信连接，将电池组的电压、电流、环境温度、荷电状态等数据通过GPRS网络传至后台服务器，并使其他计算机以浏览器的方式访问服务器以取得数据。

3.3 实施效果

北二集司于2015年5月对2台“油改电”轮胎吊实施电池储能过转道改造。截至目前，电池系统运行稳定，轮胎吊过转道操作简单、快捷且无噪声，取得良好的经济效益和社会效益。

（1）经济效益 轮胎吊每年过转道油费节约12.5万元左右；每次过道时间缩短左右，过转道效率显著提高；发动机故障减少，每台发动机每年材料维护成本和人工成本节约1.5万元左右。总的来看，该方案3年左右即可收回成本。

（2）社会效益 由于轮胎吊过转道时的耗油量减少，预计每年可减少CO2排放量以上，减少SO2排放量以上。此外，发动机噪声彻底消除，极大地改善司机及其他作业人员的工作环境。

（编辑：张敏 收稿日期：2015-10-26）

电池储能系统 篇4

As a broadly applied power source for portable devices, lithium-ion battery has advantages of high energy density, no memory effects, long cycle life, being environmental friendly, etc. After small lithium-ion batteries are dominant in the consumer electronics area, large lithium-ion batteries are developed, marching into automobile and power grid applications.

The application of lithium-ion battery brings about fire accidents and explosions, many researchers in the field of battery chemistry have studied and analyzed the reasons of battery failures under various conditions from a chemistry point of view[1,2,3,4]. According to such studies, continuous improvements of battery components were made: various anode and cathode materials were developed to improve the chemical stability; a multilayer separator was designed to limit thermal runaway[5]; proper additives were introduced into electrolyte to block chemical reactions[6] or to discharge the battery itself for mitigation of overcharge risk without affecting normal charging[7], etc. Manufacturing and assembling techniques were also improved to decrease the defect probability. However, detailed substances of battery components and the quality of battery assembling, which highly affect the safety of the battery, remain unclear to electrical engineers operating battery energy storage system (BESS). Therefore, principles of lithium-ion battery needs to be presented, then a basic perspective on risks caused by lithium-ion battery and reasons of such risks can be gained. This perspective will provide engineers operating BESS with proper ways for well-regulated safety.

1 Principles of Lithium-ion Battery Cell

1.1 Components of a Lithium-ion Battery Cell

In the lithium-ion chemistry system, both the positive and negative electrodes serve as host structures for the lithium-ions. Different kinds of metal oxide of lithium, such as LiCoO2, LiFePO4 and LiMn2O4, etc, can be used as the positive material (called the cathode material). Graphite is the normal choice for the negative material (called the anode material). Fig. 1 shows the basic components of a lithium-ion battery cell, and the dashed lines refer to the discharge process.

In the process of battery charging, the lithium-ions flow from the positive material to the negative material inside the battery via the electrolyte, while the electrons flow from the positive current collector to the negative current collector by an external circuit. The discharging process is realized with an opposite movement direction of lithium-ions and electrons. To prevent direct electron transfer between electrodes, a separator is inserted between the positive and negative materials.

A lithium-ion cell consists of four components: active positive material, active negative material, separator, and electrolyte. Generally, the electrical performances of the cell including energy and power capability, safety, and reliability, are highly influenced by the materials of above four components.

1.2 Safety Theories of Lithium-ion Battery Cell

In the field of battery chemistry, severe safety issues, such as fire and explosion, can be concluded as a thermal runaway phenomenon. Therefore, attentions should be paid to thermal behaviors of major components in a lithium-ion battery cell. In this paper, the exothermic phenomenon of the aforementioned 4 major components under different conditions, which may lead to battery failures, were briefly discussed.

1.2.1 Positive Material

Common active positive materials should be metastable during the charging process. Once the cell is overcharged, lithium-ion is depleted of the positive material, resulting in an increase of the cell internal impedance and temperature. With the increasing temperature, the positive material decomposition occurs to generate heat and release oxygen to the electrolyte[8]. The initiating temperatures of the positive material decomposition are different. LiCoO2 starts the decomposition at around 181 ℃, whereas LiFePO4 starts at around 221 ℃ and LiMn2O4 starts at around 209 ℃[9]. The released oxygen reacts with the electrolyte to generate heat and gas. The heat from electrolyte oxidation can be coupled with the heat from positive material decomposition and finally leads to a thermal runaway of the cell. Moreover, the over-charge of a lithium-ion battery occurs during normal operation without well-designed balance circuit.

The assembling level also affects the performance of a cell. A tight bend can result in a cracking of the positive material and the underlying current collector will lead to lithium plating during the charging cycle, gas generation inside the cell and a capacity loss.

1.2.2 Negative Material

When a cell is assembled, it is completely discharged. The first charge forms an electrolyte decomposition layer on the surface of the negative material, called the solid electrolyte interphase (SEI) layer. SEI functions as a protective barrier, which prevents the direct reaction between intercalated lithium in the negative material and electrolytes. Exothermic decomposition of SEI layer occurs at 90～120 ℃. Without the protection of SEI, the exothermic reactions between intercalated lithium in the negative material and electrolytes will start[8,10].

Physical damages of SEI, which results in direct reactions between intercalated lithium in the negative material and electrolytes, are caused by lithium metal plating. The fundamental mechanism of lithium metal plating is that lithium-ions are not held by the negative material but are converted into lithium metal outside the negative material, which is caused by two aspects: (1) at a low temperature (lower than -30 ℃), the flowing of lithium-ion through the SEI layer is hindered. Therefore, charging the cell under this condition can result in lithium plating on SEI/electrolyte interface[11]. (2) the overcharge or insufficient negative material can cause lithium plating because the negative material is full of lithium-ions and cannot hold any more ions[4]. The dendrite growth of lithium can penetrate the separator and result in a fierce internal short circuit between the positive and negative materials.

Studies showed that a thermal runaway of the cell is not caused by a single deep over-discharge but repeated over-discharges[12]. When a cell is over-discharged, its negative material is depleted of lithium-ions. Then the oxidation of copper current collector occurs, which leads to dissolution of copper into the electrolyte. When it is charged again, the dissolved copper is deposited of the cell with decreasing performance, a cell structure injury or even an internal short circuit.

1.2.3 Separator

The separator provides a physical isolation between the positive and negative materials, allowing free transport of lithium-ions and forbidding the flow of electrons without direct participation in the cell reaction. However, its properties and structures affect the overall performances of the battery, such as power density, energy density, cycle life, and safety.

No matter under normal or abnormal operations, the internal temperature of the battery increases due to the exothermic reactions. When the internal temperature approximately reaches 130 ℃, the separator starts to melt, which helps to terminate the internal current by closing its pores and impeding the movement of the lithium-ion between electrodes. However, if there exists other exothermic reactions inside the battery, which causes even higher internal temperature, the separator will start to collapse above 180 ℃. Consequently, the physical structure of separator fails and leads to a direct contact of electrodes, thus resulting in a fierce internal short circuit[13].

To increase the thermal stability of the separator membrane, battery designers introduce multi-layer material based membrane. For instance, in a design of the PP/PE/PP triple-layer membrane, the pore of polyethylene (PE) can be self-closed at a relatively low temperature (approximately 135 ℃). The physical support of polypropylene (PP) can survive at a relatively high temperature (approximately 160 ℃)[14,15].

1.2.4 Electrolyte

As discussed before, when SEI between the negative material and the electrolyte is broken, the intercalated lithium in the negative material has an exothermic reaction with the electrolyte.

The decomposition of electrolyte can occur with an elevated temperature (higher than 200 ℃). The decomposition products include different kinds of toxic and ignitable gases such as H2, CH4, C2H4 and C2H6, etc. When they are released to the air, the ignition occurs if the ignition source exists and oxygen is sufficient[12].

The flammable organic solvent is used as the electrolyte of lithium-ion cells. If the electrolyte is released into the air, it ignites and releases additional heat[12].

2 Abuse Test of Lithium-ion Battery Cell

Practically, the failure of lithium-ion cell is a comprehensive process, which can start with any of the above-mentioned exothermic reactions while ended with different dangers such as battery body expansion, electrolyte leakage, gas venting, fire, explosion, etc. To estimate the safety level of commercial lithium-ion batteries, abuse test items in mechanical, electrical and thermal aspects are designed according to standards from UL[16] and IEC[17,18]. For lithium-ion BESS used in the grid application, large batteries with pouch type or prismatic type design are preferred. In this paper, commercial LiFePO4 based battery cells of those two types were tested. All the cells were fully charged before abuse tests according to the standards.

2.1 Thermal Abuse

Objective cells were heated in a temperature chamber. The ambient temperature of the chamber was set to 130 ℃ with an increased rate of 5 ℃/min. After the ambient temperature in the chamber reached 130 ℃, it was kept for 10 min and then the samples were observed. Under the temperature, potential risks were brought by SEI failure, the melt of the separator and an increased gas pressure from the electrolyte.

After the test, the leakage, gas venting and the voltage drop of the tested battery cells were not observed. Therefore, there was no thermal runaway of the tested cells.

It is observed from Fig.2 that the cell body expansion of both prismatic type cells and pouch type cells occurs. The body expansion might be caused by vaporizing electrolyte. The body expansion rate under the test depends on the amount of the low-boiling-point solvent in the electrolyte. And the exact amount and the proportion are unclear to users. However, according to the observation, it is concluded that the pouch type sample shown in Fig.2 (c) has better performance than that in Fig.2 (b), which indicates a higher safety level. The prismatic type sample in Fig.2 (a) shows good performance due to its high thermal resistance caused by the thickness.

2.2 Nail Penetration

A Ø5 mm nail was penetrated into the samples at 20 mm/s. It was then pulled out after 1 min. Under this test condition, an internal short circuit caused by the direct contact of positive and negative materials may happen. The heat brought by the internal short circuit may lead to decomposition reactions of battery components.

During the test, electrolyte spray and serious gas venting were observed for all the prismatic type cells. The measured voltage and surface temperature of one cell are shown in Fig.3 (a). The curves showed an occurrence of the internal short circuit which caused a release of the stored energy and a drop of the cell voltage. Furthermore, the temperature rose up to 130.8 ℃ due to the released energy. The surface temperature then dropped to a relatively safe range, which means exothermic chain reactions did not occur and the thermal runaway was avoided after the test.

For pouch type cells, temperature rise, electrolyte spray or gas venting were not found during the test, except one of five samples. In Fig.3 (b), the measured voltage and the surface temperature of the problematic one are plotted. Part of the stored energy was released through the internal short circuit. And the internal short circuit was terminated by the gas released from the electrolyte, which expended the cell body and formed an isolation layer between the positive and negative materials and the separator in the penetrated area. This incomplete internal short circuit only led to a slightly reduced cell voltage and a peak temperature of 90.5 ℃. As the cell surface temperature dropped, the phenomenon of thermal runaway did not occur after the test.

The venting protection of the prismatic type cell was triggered due to the high internal pressure, as shown in Fig.4 (a). For the pouch type cell, body expansions could be observed, as shown in Fig.4 (b). Generally, pouch type cells show higher safety level compared with prismatic type cells.

2.3 Overcharge

The samples are overcharged with a current of 0.05 C. Once the cell voltage reaches 5 V or the charging time reaches 30 min, the test ends. 1 C is defined as the current rate at which the battery cell is fully discharged in 1 hour, which means 1 C equals 40 A for a battery with the capacity of 40 Ah.

For all the tested samples, there were no electrolyte leakage, venting gas or other dangers observed. The body expansion of the samples can be observed after the test. According to the measured cell voltage, the ambient and cell surface temperatures shown in Fig.5, it is concluded that the phenomenon of thermal runaway did not occur.

2.4 External Short Circuit

A circuit contactor was connected between sample electrodes, and the short circuit resistance was set to 5 mΩ.

In the initial trials of the test, fires were found on the cable or the contactor, as shown in Fig.6. Therefore, cables and contactors with a current of 1 500 A were chosen in the test afterward to avoid the fire in the test circuit.

The body expansion, electrolyte leakage and gas venting were found during the test of all the prismatic type samples as well as some pouch type samples. After the test circuit contactor was closed, the cell surface temperature rose up to around 100 ℃. With an elevated temperature, cell body expanded (as shown in Fig.7, area A) with gas released from the electrolyte (as shown in Fig.7, area B) and electrolyte leaked (as shown in Fig.7, area C). Finally, a fierce gas venting with electrolyte (as shown in Fig.7, area D) occurred. According to the previous introduction of the electrolyte, the vented gas and electrolyte is ignitable. After around 10 min, the cell surface temperature began to drop. There was no fire or explosion during and after the test. Therefore, the phenomenon of thermal runaway did not occur.

Besides, the current collector of the positive electrode was melt down immediately, terminating the external short circuit. The phenomenon was observed in most of the pouch type samples and one prismatic type sample. Fig.8 showed that the melting-down of prismatic type samples was fiercer than that of pouch type samples. Metallic sparks in Fig. 8 splashed from the positive current collector. Those metallic sparks can ignite the venting gas or leaking electrolyte and then cause fire.

3 Single Cell Safety and BESS Safety

The abuse test of the single lithium-ion battery cell provides an understanding of battery performance in critical states. However, it cannot cover all the safety issues when the battery is assembled and used in an energy storage system.

Test results only demonstrate the safety performances under serious failures for single time. The accumulated damages of battery chemistries and battery structure due to soft failures, such as repeated slight overcharges or over-discharges, will not be found in the safety test report of manufactures. However, BESS safety can be improved based on the abuse tests of battery cells and the analysis of the accidents. In this paper, BESS safety is classified into three categories.

3.1 Primary Safety

The primary safety of BESS refers to the safety of batteries, cables, switches, and power conversion system (PCS), etc. In this paper, the primary safety related to the battery is studied.

The battery type and the material are the basic concern. Each battery cell plays a significant role in the entire BESS safety. Therefore, the electrode material, the body design and the rated capacity of the battery are carefully selected. For a lithium-ion based BESS, pouch type battery cells which are usually less than 2 cm thick with a capacity ranging from 15 Ah to 30 Ah are recommended concerning primary safety. If the cell capacity is too high, i.e., higher than 40 Ah, the chemical energy release caused by thermal runaway failures becomes dangerous for other components, thus leading to a cascaded failure in BESS.

The consistency among cells also affects BESS safety. The megawatt-level BESS is usually composed of thousands of energized battery cells grouped in modules and strings. Concerning the impacts of one battery cell on other cells, the initial consistency of the cells should meet the requirements mentioned in Ref.[19]. The inferior initial consistency will increase the loading of balancing circuit and bring potential risks of batteries during the operation. Consistency is even more important in the application of second-hand batteries. When batteries retired from electric vehicles (EVs) are going to be used in a BESS, battery sorting and module recombination must be performed by the consistency control to ensure the performance and the safety of the whole system.

The fuse link is an important protection for cutting off over current caused by electrical faults or incorrect operations. In Ref.[19], the fuse link is required to be installed between modules as well as between battery system and PCS. Thus, battery cells in the module can be protected from external over current. For the pouch type battery, normally two or three cells are connected in parallel to increase the redundancy and the capacity of the module. When a single cell fails, an over current will occur to remain other healthy cells in case of no fuse connection among cells. Therefore, the fuse link installation for each parallel connected cell inside the module are considered.

3.2 Secondary Safety

The secondary safety of BESS refers to the safety guarantee or improvement by the battery management system (BMS), balance technologies, and other protection circuits.

The balance circuit is necessary for maintaining the consistency. Even though the initial consistency of battery cells has a good performance, the consistency will decrease with natural aging. The difference in equivalent internal resistances and internal capacitances of battery cells usually causes unbalanced voltage and current. And overcharge or over-discharge leads to the damage of battery. Therefore, the limited operation range and reliable balanced circuit with related BMS is required to maintain good system performance, life cycle and safety.

Since the failure of a single cell may lead to over-voltage or over-current in other healthy cells, besides the fuse link installation, proper protection circuit and algorithm against those dangers are designed. The redundancy design is considered for safe system operation and safe shut-down under N-1 conditions.

The thermal management including a cooling design improves the battery life and the safety of the system, in which the heat generated during the normal operation and the heat released in case of cell or module thermal runaway are considered. Once encountering an emergency, the cooling system can reduce the heat generated by the chemical reaction inside the battery, which helps to prevent the cascaded thermal runaway of healthy batteries.

3.3 Auxiliary Safety

The auxiliary safety of BESS refers to safety guarantees or improvements by the components which do not participate in the operation of BESS.

Thermal isolation is recommended for BESS. According to recent accidents of NGK NaS BESS in Japan and Xtreme Power BESS in Hawaii, the thermal runaway of singleor multi-cells heats other healthy cells and causes a cascaded thermal runaway in the battery system, which finally results in BESS fire. In a commercial BESS, battery cabinets are usually closely placed one by one without heator fire protections or other isolation solutions. The layout is safe in electrical distances, but not in thermal distances. Concerning failure isolation in BESS, thermal or fire isolation material between cabinets is recommended. Sedimentation of cabinets with thermal runaway can also cut off the direct contact between failed and healthy cabinets, thus providing a limited impact on each cabinet. Besides, fire protection zones in the BESS are required to be designed.

Air quality monitoring is recommended for early warning of the thermal runaway. When the thermal runaway starts in a cell, different kinds of gas, including CO, CO2 and other hydrocarbons, will vent.

In summary, safety concerns and the origins of the safety issues of large lithium-ion batteries are presented. To improve the safety level of large energy storage systems based on lithium-ion batteries, comprehensive measures should be adopted.

4 Conclusions

In this paper, the working principles of the lithium-ion battery and its safety fundamentals are described. Results from abuse tests on prismatic and pouch type cells are obtained by analyzing the observed phenomena and comparing with the safety of two types of cells. Pouch type cells have higher safety performances than prismatic type cells in aspects of thermal behaviors, internal pressure releases and self-termination of failures. Moreover, safety concerns in BESS are discussed and measures for improving its safety are proposed.

电池储能系统 篇5

磁悬浮飞轮电池是一种高效、清洁、适合移动、以储存机械能代替储存电能的二次放电装置。它利用不接触的旋转飞轮储存能量,具有高比功率和比能量、充电快、高转速、寿命长以及环境友好等优点,在航空航天、交通运输、电力能源等领域有着广泛的应用前景。在国外其已经用于汽车、火车、航空航天[1,2,3,4,5,6,7],例如:美国飞轮系统公司已经生产出飞轮电池轿车AFS20,是一种完全由飞轮电池提供电能的电动汽车,其加速性能很好,从0加速到96 km/h仅需6.5 s,其寿命超过3.21×106 km[1]。在国内,清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学等高校和科研院所也做了相关研究工作[8,9,10,11,12,13,14,15]。

在电动汽车领域,磁悬浮飞轮储能电池可作为单独动力源直接驱动车辆行驶[1],也可作为辅助动力源辅助电动汽车原动力蓄电池工作。作为辅助动力源时,磁悬浮飞轮电池主要功能为:①提高蓄电池循环使用寿命;②稳定电动汽车原动力蓄电池的功率输出,在电动汽车启动、爬坡或者加速时,磁悬浮飞轮电池能够快速、大能量地放电,为主蓄电池提供辅助动力,并减少主蓄电池的动力输出损耗;③提高再生制动能量回收效率,在电动汽车下坡、滑行或制动时,磁悬浮飞轮电池能快速储存机械能,即快速充电,且充电速度不受“活性物质”化学反应速度的影响,提高了再生制动时能量的回收效率[16]。

就目前技术而言,磁悬浮飞轮电池还不足以单独应用于电动汽车。结合磁悬浮飞轮储能装置本身的特点来看,它更加适合与混合动力汽车或者纯电动汽车联合使用。本文研究的磁悬浮飞轮电池储能系统可辅助动力蓄电池驱动纯电动汽车工作:在汽车制动时给磁悬浮飞轮电池充电,以及给蓄电池充电的同时给飞轮充电,保证飞轮中储存着能量;汽车启动、爬坡或加速等需要更大功率时,飞轮电池与蓄电池同时放电,避免蓄电池输出电流过大,能量损耗过快,可大幅度提升电动汽车的综合性能,提高电动汽车原动力蓄电池的循环使用寿命。

1 储能装置

磁悬浮飞轮电池的机械部分由真空腔、飞轮转子、电动机/发电机、径向磁轴承、轴向磁轴承、位移传感器及保护轴承等组成。具体结构原理见图1。

图1中,飞轮转子由磁性飞轮、芯轴、径向磁轴承位置处充磁环1、电机处充磁环2、铜质位移检测环等组合加工而成。通过对磁性材料定期充磁获得磁性飞轮。铜质位移检测的作用是提高传感器的检测灵敏度。

从图1可以看出,无论是轴向自由度还是每个径向自由度都由一对磁悬浮轴承定子线圈控制,同时配备一对差动式位移传感器,目的是:①提高位移测量精度以及磁悬浮轴承对转子的约束能力;②保护轴承在飞轮转子未被悬浮时对其起支撑作用,并且在飞轮转子振幅较大或控制系统故障导致飞轮转子失稳时起到保护磁悬浮轴承和位移传感器的作用;③当电动汽车启动、上坡或加速时,电动机/发电机起到发电作用,将转子中储存的机械能转化为电能,辅助原动力蓄电池驱动电动汽车工作;④当电动汽车制动、下坡滑行时,电动机/发电机起到储能作用,即飞轮转子加速,机械能增加。

在整个磁悬浮飞轮电池储能装置中,飞轮转子无疑是其核心部件,直接决定装置的储能能力。飞轮转子储存的能量由下式决定:

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式中:E为飞轮储存的能量;J为飞轮的转动惯量,与飞轮的结构和重量有关;ω为飞轮的转动角速度。

由式(1)可知,磁悬浮飞轮电池储存能量的多少与飞轮结构、重量及其转动角速度等有关。

2 控制决策

磁悬浮飞轮控制技术是磁悬浮飞轮实现高速稳定旋转的关键。现以x方向的径向单自由度为例,分析磁悬浮飞轮电池的控制原理,如图2所示。

图中:I0为偏置电流;ix为控制电流;x方向与重力方向夹角为45°。当电涡流传感器检测到转子偏离平衡位置信号时,会将该信号经传感器驱动电路输送给数字比例—积分—微分(PID)控制器,然后经控制器调节后输送给功率放大器,由功率放大器输出合适的控制电流ix;ix与偏置电流I0一起输送到磁悬浮线圈中,保证转子稳定悬浮于平衡位置。

图2中数字PID控制器的传递函数为:

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式中:Kp为比例增益;Ti为积分常数;Td为不完全微分环节微分常数;Tf为频率常数;Tl为超前常数;Tds/(1+Tfs)为不完全微分环节;(1+Tls)/(1+αTls)为附加超前环节,α<1。

由图2给出系统单自由度闭环传递函数为:

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式中:G(s)为单自由度闭环传递函数;GA(s)为功率放大器输出增益,GA=0.4 A/V;GS(s)为位移传感器的增益,GS=20 000 V/m;GDOF(s)为单自由度上对应飞轮转子和磁轴承线圈的传递函数[17],

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Ki为电流刚度系数;Kx为位移刚度系数;m为转子质量。根据对所设计的磁悬浮飞轮电池装置的分析计算,可以得出,Ki=1.896×102 N/A,Kx=1.517×106 N/m,m=10.8 kg。

下面给出磁悬浮飞轮电池储能系统在电动汽车中的应用流程,如图3所示。首先,开启磁悬浮飞轮控制系统悬浮飞轮转子,查看飞轮转子在轴向自由度和4个径向自由度上是否被控制系统完全悬浮,即保证转子在空间无接触地自由悬浮。如果没有实现完全悬浮,则需要检测控制系统并调节各自由度PID参数实现完全悬浮。当5个自由度完全悬浮后,允许电动汽车控制系统对飞轮电池双向逆变器发出工作指令;当电动汽车制动、下坡滑行时电动机作用,使飞轮转子加速,储存机械能,即完成充电;当电动汽车启动、上坡、加速时发电机工作,使飞轮转子减速,将飞轮机械能转变为电能,并通过整流器产生直流电,该直流电与电动汽车原动力电池输出直流电叠加后经控制器、逆变器等电力电子控制装置,转换为三相交流电来驱动电动汽车电动机工作,最终驱动电动汽车行驶。

3 仿真与实验

3.1 仿真分析

针对式(3)中的磁悬浮飞轮电池储能系统单自由度闭环传递函数,进行Bode图仿真分析,相关特性曲线如图4所示。其中,假设Kp=1.685,Ti=0.745,Td=0.676,Tf=0.753 9,Tl=0.043 7,α=0.005 37。

由图4幅频特性曲线知,低频阶段,曲线处于0附近,说明系统输出能够很好地响应输入,在角频率为5 000 rad/s之后,响应曲线斜率下降明显,说明控制系统具有比较好的高频抗干扰能力;由图4相频特性曲线知,曲线在-180°和180°之间没有穿越点,由对数频率稳定判据知,闭环系统稳定。

下面对飞轮转子系统进行数学建模,分析飞轮几何中心的运动轨迹及其径向跳动位移,如图5所示,飞轮模型借鉴文献[17,18]建立。其中,数字PID控制器参数与图4中所给参数一致,磁悬浮轴承位移刚度、电流刚度及转子质量等与式(4)中所给相同。

由图5可知,飞轮转子由于存在质量不平衡,转动时会产生涡动现象,即出现飞轮转子形心绕着原来的平衡位置转动现象(图5(a)),对应的转子径向位移存在径向跳动(图5(b))。该涡动现象在任何高速旋转系统中都会存在,如果控制系统参数选择合理,不会影响系统正常工作。

3.2 实验结果

下面对磁悬浮飞轮电池储能系统样机进行旋转实验研究。首先将飞轮转子稳定悬浮起来,然后通过双向逆变器驱使电动机带动飞轮转子旋转,使飞轮电池储存机械能。图6给出了飞轮转子在转速为30 000 r/min时飞轮转子径向跳动位移曲线及对应的控制电流曲线,其中位移曲线由所测量的位移传感器输出电压信号曲线表示。

由图6中位移曲线可知,飞轮转子在高速旋转时确实存在径向跳动位移,为了限制该径向跳动位移,需要同频的控制电流作用到磁悬浮轴承线圈中,产生相应的电磁力,保证飞轮转子尽量绕其几何对称轴旋转,避免控制系统失稳。

下面给出磁悬浮飞轮电池作用前后电动汽车原动力电池输出功率对比曲线,如图7所示。

图7中2条输出功率曲线是由电动汽车电池管理系统(battery management system, BMS)中对应的输出功率和时间数据拟合而成。实线代表磁悬浮飞轮电池不参与放电,即未起作用时原动力电池输出功率曲线;虚线代表磁悬浮飞轮电池参与放电时的原动力电池输出功率曲线。图中2次实验时电动汽车启动时间、匀速行驶速度、加速过程基本一致,即2次实验时电动汽车有功功率基本相等。

由图7知:①在电动汽车启动过程中,飞轮电池参与放电时原动力电池输出最大功率约为25 kW,明显小于只有原动力电池驱动电动汽车工作时的最大功率35 kW,且飞轮电池参与放电时功率变化速度相对于仅有原动力电池作用时较慢;②在电动汽车加速过程中,飞轮电池参与放电时原动力电池输出功率同样明显小于只有原动力电池驱动电动汽车工作时功率,且功率变化速度也比仅有原动力电池作用时慢;③在电动汽车匀速行驶阶段,磁悬浮飞轮电池不参与放电。启动过程和加速过程中的输出功率曲线比较可说明,当磁悬浮飞轮电池参与放电后,可明显减小原动力电池输出功率,降低由于输出功率瞬间变大对锂电池化学特性的影响,提高电动汽车原动力电池的能量效率,并可有效提高原动力电池的综合性能及使用寿命。

4 结语

电池储能系统 篇6

关键词：风力发电,平滑时间常数,功率限幅,并网逆变器,电池储能系统,优化控制

0 引言

风能固有的间歇、随机和不可控等特点,会对电网的电能质量和稳定性造成负面的影响。目前,国家电网公司出台了风电系统接入电网技术规定,对并网风电的功率变化提出了严格的要求[1]。在风电场出口处配置一定容量和功率的储能系统,可以有效地平滑风电功率波动,提高电力系统的稳定性[2,3]。当前适合用于风电场的大规模储能电池有锂电池、液流电池和钠硫电池等[4]。但是储能电池成本较高,导致风电场配置的储能电池容量和功率都十分有限,合理使用和保护储能系统、延长电池寿命具有重要的经济和工程意义。

并网控制策略和逆变器控制算法的选取至关重要,控制不当可能会导致储能装置出现过充、过放或过载,将严重影响储能装置的寿命,同时并网功率波动过大也危及电网的稳定运行。文献[2,5-10]提出了多种基于储能的风电并网控制策略。文献[5-6]通过取仿真时间段内的风速信号的平均值为风速预测值,以此确定储能系统有功功率参考值。但是该方法在风速预测值变化较大的情况下并网功率的波动将增加,同时对储能功率和容量的要求很高,增加了成本。文献[2]提出了利用一阶低通滤波器滤除风电随机功率中的高频波动分量,从而得到较为平滑的并网功率。该方法有效地抑制了风电功率波动,但是没有考虑储能系统荷电状态(SOC)的因素,容易造成储能系统的过充或过放。文献[7-8]通过加入一个反馈补偿量的方式来修正储能系统充放电功率的大小,从而有效地控制SOC避免出现过充过放,但该方法不能实现连续、平滑的调节,将使并网功率指令产生阶跃变化,影响并网功率的平滑度。文献[9-10]将SOC和低通滤波器结合起来,通过引入SOC反馈来调整时间常数,但是时间常数的调节方法比较简单,没有根据SOC大小进行动态和有针对性的调节,同时没有考虑电池最大功率、最大功率爬坡等因素对储能系统寿命的影响。此外,文献[2,5-10]对基于储能的并网控制策略的研究均为理论方面的仿真,鲜有涉及具体的逆变器设计和实验验证,缺乏工程应用参考意义。

本文在常见的一阶低通滤波器并网控制策略基础上,加入了电池储能系统(BESS)SOC反馈和功率限幅环节,根据SOC区间和储能系统的实际外特性得到优化的有功功率参考值,该方法能有效地兼顾储能系统的寿命和并网功率的平滑度。还提出一种具体的储能并网逆变器底层控制算法,避免电池的欠压和过压运行。最后进行了不同控制方法、不同储能系统下的实验,实验结果验证了所提方法的优越性。

1 BESS优化控制策略的设计

1.1 基于定平滑时间常数的BESS优化控制

图1所示为一个典型的基于BESS的风电系统,BESS通过储能并网逆变器接入电网。风电功率Pwind与风速有关,通过控制储能并网逆变器补偿有功功率Pbess,来得到较为平滑的并网功率参考值Pref,从而实现风电可靠、平滑并网。

图2所示为现阶段最常用的基于定平滑时间常数T的一阶低通滤波器BESS优化控制[2]。其中,Pwind,Pref和Pbess与图1相对应,分别为风电功率、并网功率参考值和储能系统有功功率参考值。Pwind中含有大量高频波动分量。利用一阶低通滤波器过滤Pwind可以获得较为平滑的并网功率参考值Pref,该一阶低通滤波器的滤波时间常数称为平滑时间常数T。Pwind和Pref之差为储能系统应该补偿的有功功率参考值Pbess,当Pwind>Pref时,储能系统吸收功率;当Pwind

1.2 基于变平滑时间常数和功率限幅的BESS优化控制

基于定平滑时间常数的优化控制,不足之处是没有考虑储能系统的SOC和功率限制等因素,容易造成储能系统过充、过放或过载,严重降低了储能系统的寿命。本文提出一种基于变平滑时间常数和功率限幅的BESS优化控制方法。

变平滑时间常数的控制方法,是指根据实测的SOC实时、分段、分等级调整T,实质为间接动态调整储能系统充放电功率,以维持SOC工作在正常区间。为便于阐述,以图3为例说明具有5个优先级的变平滑时间常数控制理念。图中,优先级的数字越大,说明优先级越高,充放电优先级0表示没有优先级,并且限制充放电的发生。当SOC处于正常区间b~(1-b)时,充放电均为中等优先级,T为一固定的常数;当SOC处于较高区间(1-b)~(1-a)时,充电优先级下降1个等级、放电优先级上升1个等级,在该模式下适当地增加放电功率、减小充电功率,避免SOC过快上升;当SOC处于满充区间(1-a)~100%时,由于处于满充状态,储能系统被强制工作于只放电不充电模式,充电优先级为0,放电优先级达到最高等级,充电时T=0,并网功率Pref跟随风电功率Pwind,放电时T很大,故并网功率基本保持恒定,有利于SOC快速下降;当SOC处于较低或者过放区间时原理则相反。同时可以得出如表1所示的量化后的控制规则表。表中:t0为正常区间的T,即基准T;Tc和Tf分别为充电和放电工况下的时间常数。SOC处于非正常区间时,则在此基准T上进行调节。k1,k3,k4均为控制参数,分别代表优先级1,3,4情况下的T变化斜率,优先级0和2情况下的T为常数。

注:ISOC为SOC值。

a和b为SOC区间的分段转折点,可以根据不同储能电池的充放电深度、外特性线性变化区间等参数进行选取。由于储能系统大部分时间工作在SOC正常区间,t0的选取至关重要,t0的确定需要首先满足并网功率平滑度要求。而在非正常区间时T的确定则首先需要满足保护电池寿命的要求,其次才是兼顾一定的平滑度要求。t0的选取有如下3个量化指标。一是根据电池储能的具体特性。电池储能一般用于分钟至小时级的功率平抑[11],故t0一般较大(不小于60s)。二是结合需要补偿的风电功率波动频段。针对不同风电场,可对其历史发电功率曲线进行傅里叶变换,分析其主要波动频率范围,从而设计滤波器以抑制该频段范围内的功率波动。三是考虑对并网功率波动率的要求。对历史发电功率曲线进行统计可以估算出最大功率波动率,对照并网功率波动率要求,可设计滤波器使得在极端情况下并网功率波动率不超出要求。优先级1的T处于0~t0之间,选取k1使得在相应SOC区间内T从t0线性变化到0。k3的选取可依据不同电池的特性进行,k3越大则保持电池工作于正常SOC区间的控制能力越好。k4的优先级比k3高一个等级,故k4也应该比k3大一个级别,可以选取k4为10k3。上述为控制参数的定性选取原则,实际应用中需要根据采用的储能电池性能、并网控制目标,结合风电场实际条件和算例进行优化选择,并且通过调试来确定这些参数的优化值。

根据上述控制规则表,可以定性地画出在充放电工况下的平滑时间常数T变化曲线如图4所示。

由图4可知:当SOC处于正常区间b~(1-b)时,T为常数t0;当SOC处于较高区间(1-b)~(1-a)时,若储能系统处于充电工况,T在t0基准上以斜率k1线性递减至0,若处于放电工况,T在t0基准上以斜率k3线性递增;当SOC处于满充区间(1-a)~100%时,若储能系统处于充电工况,T=0,若处于放电工况,T以更大的斜率k4线性递增;当SOC处于较低或者过放区间时变化则相反。T增加充放电功率增大,T减小充放电功率减小,基于变T的控制方法可以实时根据SOC区间和储能系统的充放电工况直接调整T,从而间接分配充放电功率,使得储能系统向着正常的SOC区间转化,避免过充和过放。

功率限幅的控制方法,是指对储能系统的功率进行限幅,包括2个方面的功率限幅:一是储能系统的总输出功率不能超过其额定功率;二是相邻2个控制周期的有功功率参考值变化幅值大小(定义为dPbess=Pbess_t-Pbess_t-1,其中t和t-1表示相临2个周期)不能超过储能系统的功率变化幅值限制。前者是为了避免储能系统工作于过载状态,后者是为了避免频繁的大功率充放电会造成电池温度升高、正负极板上的活性物质脱落等现象,导致电池容量积累性亏损并在短时间内快速下降,严重影响储能系统的使用寿命[12]。故功率限幅环节的加入将有效地延长储能装置的寿命。

图5为所提出的基于变平滑时间常数和功率限幅的BESS优化控制原理框图。

1.3 储能系统充放电状态的确定方法

所提优化控制方法实现的关键在于对储能系统充放电工况的判断。当SOC处于满充或者过放状态时,充电和放电工况下的时间常数Tc和Tf相差较大,充放电工况的错误判断将可能导致电池的损坏。本文提出一种结合本控制周期的风电功率Pwind_t和上一个控制周期的并网功率Pref_t-1来判断本控制周期电池状态的方法,其原理如下:若Pwind_t>Pref_t-1,根据滤波器原理,即使T从0变到∞,Pref_t必定小于Pwind_t,故此控制周期内储能系统必定工作于充电工况;反之,若Pwind_t

2 BESS储能并网逆变器的设计

2.1 储能并网逆变器的拓扑设计

采用基于三相电压型PWM电压源变流器(VSC)作为储能并网逆变器的拓扑,便于储能系统和电网之间进行双向能量传递,同时实现功率控制[13,14]。其拓扑结构如图6所示,主要由VSC、调压器TU、隔离变压器TM、交流接触器KM等组成。在储能系统直流电压等级较低的情况下,通过调压器TU也可以方便地实现交流电压的升压并网。结合实验要求和文献理论[13,14],逆变器电路参数设计为:交流电感L=1mH,交流滤波电容Cac=4.7μF,直流电解电容Cdc=4 700μF,IGBT功率单元采用智能功率模块(IPM),控制器采用DSP28335作为主控芯片。

2.2 储能并网逆变器的底层控制

常用的电源并网逆变器控制一般为双环控制,包括恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制等[15]。在恒功率双环控制的基础上,结合维持电池正常工作电压的目标,这里提出一种可切换模式的改进双环控制策略。具体的控制原理如下:当直流电压Vdc在电池充放电电压上下限之间时,实行有功功率和无功功率双环控制;在电池电压Vdc超过电压上限后,切换为直流电压和无功功率双环控制,直流电压给定值为电池电压上限Vmax;在Vdc低于电压下限后,切换为直流电压和无功功率双环控制,直流电压给定值为电池电压下限Vmin。其中,有功功率给定值为根据第1节介绍得到的储能系统有功功率参考值Pbess,无功功率参考值均为0,电池电压上、下限则由实际的储能系统确定。采用可切换模式的改进双环逆变器控制,既可以有效保证储能系统对风电功率波动的补偿和平滑,又可避免采用单一的功率控制带来的储能系统过压或欠压运行状况,具有灵活、可靠的优点,具体控制框图见附录A图A1。

3 BESS优化控制的实现流程

采用图6所示的硬件拓扑结构,以及结合附录A图A1所示的软件控制算法,可实现基于变平滑时间常数和功率限幅的BESS优化控制。具体的DSP程序设计可按图7的流程图进行编写。

在实际所编写的程序中,测控循环周期为3s,即风电功率每隔3s实时更新。获取实时风电功率后,DSP控制器将先后执行图7中虚线框内的各个子程序,然后再次进入下一个循环,重复相同的操作。

4 实验及结果

4.1 实验参数及接线

为了验证所提的BESS优化控制算法,根据图6所示的拓扑结构搭建了容量为3kVA的储能并网逆变器样机。为实验方便,这里用通用型电池模拟器[16]取代电池原型,可以方便地模拟不同种类、不同参数的电池外特性以及各种极端工况。电池模拟器通过RS-232发送SOC数值,便于逆变器实时获取储能系统的SOC。实验接线如图8所示。

在电池配置方面,设置锂电池输出功率限幅值为550 W、功率变化限幅值为120 W、容量为100kJ;设置液流电池输出功率限幅值为500 W、功率变化限幅值为100 W、容量为90kJ。初始SOC均设置为50%。电池容量设置得较小是为了便于在实验过程中SOC发生大范围的变化,从而进入非正常区间,更好地检验所提出的优化控制策略。同时配置的电池充放电倍率较大,但是仍可利用电池模拟器进行模拟,避免使用电池原型进行试验的风险和不便,同时这种配置并不会影响全文结论和实验验证。

在表1中的控制参数配置方面,根据1.2节介绍的方法进行设计。本实验中的储能电池主要用于平抑分钟级的功率波动,因此t0≥60s;同时对实验所采用的风电功率曲线进行快速傅里叶变换(FFT),可知其波动频段范围集中在0~0.015 Hz,对应的滤波器时间常数为t0≥67s;此外根据并网指标要求并网功率波动率不应超过3%,根据数字滤波器原理有:

式中:λ=Δt/(Δt+t0),Δt为计算时间间隔,这里为测控周期3s。对式(1)进行变换得:

式(2)中要求ΔPref_t不超过3%,结合所采用的风电功率曲线有Pwind_max=0.9,Pwind_min=0.15,代入式(2)中,可得t0≥72s。

综上,这里取t0=100s。对于其他参数,根据第1节介绍的方法以及实验的具体情况确定,这里取k1=-667,k3=500,k4=5 000,a=0.15,b=0.3。将上述参数代入表1,可计算得到锂电池的控制规则如附录B表B1所示。针对液流电池可深度充放电的特点,其控制规则表(见附录B表B2)中可充放电的区间范围更宽(5%~95%),同时k1,k3,k4相比于锂电池的控制参数,可以选取得更小。

4.2 实验结果及结论

图9对比了锂电池基于定T和变T 2种优化控制下的实验波形。定T实验中T=100s,变平滑时间常数中T则以100s为基准根据SOC按照附录B表B1进行调整,因而从图9(a)可看出2种控制下的并网功率波形有所不同。从图9(b)可知,定T控制下SOC的变化范围达到了44%~95%,进入了过充状态;在变T控制下SOC的变化范围为19%~84%,有效避免了储能系统的过充过放。图9(c)反映了T的变化趋势,当SOC处于正常区间时为100s,超出正常工作区间后SOC开始变化,同时在6min处T在不断减少的过程中突然增大,这是因为储能系统在持续的充电过程中突然出现一个短暂的放电过程,故T骤增以增加放电功率。从图9(d)可看出,基于变T的控制可以实时调整和分配储能系统的充放电功率,相比于定T控制有优势。

附录C图C1对比了液流电池和锂电池2种储能系统下的基于变平滑时间常数和功率限幅的BESS优化控制效果。由于2种电池的电池配置和控制规则表不同,从实验波形可知控制效果和实验结果也不一样。对比图C1(c)与(d)以及(e)与(f)可知锂电池在补偿总功率和功率变化限幅值上有优势,液流电池在某些时刻其功率被限幅了而锂电池仍能够继续提供补偿。比较图C1(g)与(h)可知实验过程中液流电池的SOC变化范围为19%~92%,锂电池SOC变化范围为19%~84%,液流电池在充放电深度上有优势,可以实现深度充放电,利用更小的电池容量(90kJ)可以实现相近的平滑效果,有利于减少电池储能容量配置,从而减少储能系统的成本。附录C图C1的实验结果表明,锂电池和液流电池都能起到平抑功率波动的效果,并且都有各自的优势。

上述实验均为在较大储能容量下进行的实验,为了验证在小容量极端情况下的控制效果,还进行了50kJ容量下的锂电池定T和变T的实验,实验结果见附录C图C2。从图C2(a)和(b)可知,在定T控制下电池在5min内达到了满充状态,SOC升到100%,锂电池因故障和损坏而退出运行,此后风电没有通过储能而直接并网。从图C2(c)—(f)可知,在变T控制下电池SOC被限制在了15%~85%之间、总输出功率被限制在了±550W以内、功率变化幅度被限制在了±120W以内。这种情况下由于所配置的储能容量远达不到功率平滑需要,故并网功率波形波动较大。同时T的变化也较剧烈,这是由于SOC处于满充或过放的时候,充电和放电工况下的T相差很大导致。此外,加入限幅环节以后有效地限制了储能系统的过载和短时间内的频繁大功率充放电。总输出功率、SOC和功率变化幅值均很好地被限制在了设定范围内。因此即便在极端恶劣情况下,变T控制策略相比于定T控制能有效地保护储能系统。

最后,提出一个量化指标用于衡量所提出的可切换模式的改进双环控制算法的实现效果。附录C图C3(a)和(b)分别为有功功率偏差(有功功率参考值和实测有功功率之差)和无功功率偏差(实测无功功率和0之差)波形。可见有功功率被控制在了±5 W以内,控制精度高达1%,无功功率被控制在了±5var以内,证明所提出的底层控制算法具有较高的控制精度和良好的实现效果。

5 结语

电池储能系统 篇7

为改善电能质量、促进柔性输电,国内外学者已提出多种FACTS装置,并被广泛应用于电力系统中[1]。随着储能技术的发展,将FACTS装置与低成本的储能系统相结合以提高性能、扩展功能已成为FACTS技术发展的新方向[2]。

静止同步补偿器STATCOM作为一种新型无功补偿装置,由于动态响应快、运行范围宽、谐波含量少等诸多优点,是目前应用最广、研究最热的FACTS装置[3,4,5,6,7,8]。

传统STATCOM由直流侧电容和电压型逆变器组成,为保证输出电压的幅值,稳态时需要从电网吸收一定的有功功率补偿自身损耗以维持直流测电压,所以不具备有功调节能力,不能向电网注入有功功率。

近年来,已有学者对结合储能系统的STATCOM进行了研究[9,10,11,12,13,14,15],结果表明:结合储能系统后,STATCOM的运行范围由一维扩展到了二维[9];可同时调节无功功率与有功功率,实现对系统的四象限补偿[10];直流侧电压基本恒定[10];可提供瞬态有功支撑,提高系统暂态稳定性[11,12];采用多电平技术时无需调节直流侧电容电压[13,14,15];可在白天电费高时放电,夜晚电费低时充电,为用户节省电费。

目前,常用的储能技术包括飞轮储能、超导储能、燃料电池储能以及蓄电池储能等。本文提出一种结合蓄电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)的STATCOM(以下简称STATCOM/BESS)。与以往研究不同,本文为实现无功功率与有功功率的独立调节,采用旋转坐标系下的电流解耦控制方法,并给出了PI参数的整定原则。仿真与实验结果验证了文中理论分析的正确性和控制方法的可行性。

1 工作原理

图1给出了STATCOM/BESS的拓扑结构。图中蓄电池直接并联在直流侧电容的两端,所以在运行时装置的直流侧电压近似恒定。由于蓄电池提供了有功支撑,所以STATCOM/BESS可被视为输出电压的幅值与相位均可调的电压源,可实现对系统的四象限补偿。

图2为四象限工作模式对应的相量图(只考虑基频)。图中分别是装置电压与系统电压的相量;为输出电流相量;X为连接电抗;电阻R与电抗X串联,代表线路损耗及装置的开关损耗。由图2可看出,通过改变输出电压的大小和相位即可改变装置输出的无功功率与有功功率,从而实现四象限补偿。

2 数学模型

图3为STATCOM/BESS的等效电路。图中vabc、eabc分别是系统与装置的三相电压;蓄电池被等效为理想直流源串联内阻Rs。

以下推导基于三点假设:1)系统电压对称;2)忽略电流与电压的谐波;3)忽略装置的自身损耗。由图3得

设E、V分别为eabc与vabc的幅值;m为调制比,k=m/2;为eabc超前vabc的相位角,所以式(1)中

对式(1)做dq变换,变换矩阵为

变换后的方程为

其中

将式(6)代入式(5)得

系统侧的潮流可表示如下

STATCOM/BESS的直流侧方程为

由式(10)得

根据能量守恒原理得

将式(6)、式(11)代入式(12)得

将式(13)与式(7)合并得出STATCOM/BESS的数学模型为

3 控制方法

STATCOM/BESS的控制方法可采用旋转坐标系下的电流解耦控制,该方法可有效实现无功功率与有功功率的分别调节,且动稳态性能均令人满意。

由式(6)得

由式(5)得

由上式可看出,电流id、iq间存在耦合关系。令

所以

利用变量x1、x2即可实现电流的解耦,即令

具体控制框图如图4所示。

图中STATCOM/BESS采用载波调制,可保证控制的实时性。在工作过程中,STATCOM/BESS可在充电模式与放电模式之间转换,如在夜晚电费低时充电;在白天电费高时放电。图中Pch、Pdis分别是蓄电池的额定充放电功率;系数0.6与1.4用来为装置的自身损耗留出裕量;Unom、Umax分别是蓄电池的额定电压与满电电压。

图5为电流id、iq的等效控制框图。

其开环传递函数为

令

则闭环传递函数为

可见闭环系统为一阶惯性环节,其动态响应时间约为

可通过式(26)与式(28)整定PI参数。

4 仿真结果

为验证STATCOM/BESS的有效性,本文采用Matlab对其进行了仿真,仿真参数如表1所示。

图6为负载由感性转为容性时的仿真结果。此时蓄电池放电,注入系统的有功功率为19.8 k W;负载的有功需求为39.6 k W,无功需求由52.8 kvar变为-52.8 kvar。

由图可见系统只需输出19.8 k W的有功功率,负载所需的无功功率被STATCOM/BESS动态补偿,且稳态误差为0,暂态响应时间约12.5 ms,与理论分析一致。

图7为蓄电池由放电转为充电时的仿真结果。此时负载为感性,有功需求为39.6 k W,无功需求为52.8 kvar;STATCOM/BESS由向系统注入19.8k W的有功功率转为吸收等量的有功功率,导致系统输出的有功功率由19.8 k W变为59.4 k W。

5 实验结果

实验参数如表2所示,装置直流侧串联两个蓄电池,其他参数与表1相同。实验采用有功需求为18 W、无功需求为24 var的感性负载。

图8为蓄电池放电时的实验结果。此时STATCOM/BESS在补偿负载的无功功率的同时向系统注入12 W的有功功率,导致系统只需输出6 W的有功功率。

图9为蓄电池充电时的实验结果。此时STATCOM/BESS在补偿负载的无功功率的同时从系统吸收12 W的有功功率,导致系统输出30 W的有功功率。

6 结论

电池储能系统 篇8

1 各种储能技术的分类和特性概述

储能的形式很多,各种储能技术所利用的原理之间也存在很大差异。储能技术大致可分如下几类:电化学储能与物理储能,最常用到的是电磁储能,还有较少见的变相储能。电化学储能的形式中有最常见的蓄电池储能还有超级电容器储能。变相储能的典型方式是冰蓄冷储能。

2 蓄电池储能技术

蓄电池储能的原理主要依靠的是化学反应。电池中主要发生的化学反应是氧化还原反应,蓄电池也是通过这种化学反应实现放电和充电。蓄电池储能系统比较复杂,由多个部分共同组成,通常情况下的组成部分有控制装置、电池等。另外,还需要一些适当的辅助设备。不同的蓄电池中使用的物质不同,按照其中化学物质对蓄电池进行分类,可以划分为锂离子电池、铅酸电池以及液流电池等。

(1)铅酸电池。铅酸电池的发展历史较长,技术也日趋成熟。市场上的铅酸电池主要以密封型产品为主,这种电池的优点是价格便宜、可靠性高、电能密度适中,因此铅酸电池在电力系统中应用很广泛,但它在报废后难以进行无公害处理以及深度放电,这些问题制约了它的深层次开发与应用。

(2)镍氢电池。镍氢电池的特点是结构坚固、容量大、充放循环次数多,价格昂贵。这种电池也属于封闭免维护电池,不含有毒物质,不会在正常的使用过程中产生有害物质。

(3)锂离子电池。锂离子电池具有功率高、对环境影响小以及自放电小的特点,但锂离子电池系统很容易受工艺和环境温度等因素的影响,导致系统的寿命比单位电池短很多,因此锂离子电池的大规模集成比较困难,加上需要维护,限制了锂离子电池在电力系统中应用。

(4)钠硫电池。钠硫电池被普遍认为是最高效和最具有发展潜力的电力储能电池,日本已经成功开发出钠硫储能电池系统。日本也开始把钠硫电池应用在风力发电系统中,钠硫电池在风力发电中的主要任务就是稳定输出功率。在日本风力发电中应用钠硫电池,已经成为该国政府重点资助的发展项目,并且制定了进一步的发展计划。

(5)全钒电池。液流电池中的全钒电池是行业正在重点研究的。全钒电池的工作原理是离子经过一系列的电化学反应来实现充电和放电。液流电池的储能容量与电解液的容量和密度有很大关系,可以进行灵活配置,如果需要增大储存能量的话,就可以采用增大电解液容积和浓度的方法。在日本已经有全钒液流储能电池用于风电场的调频和调峰。

3 超导储能系统

超导储能的原理是将超导线制成线圈,线圈的作用是对磁场能量进行储存,并可以在用电的时候返还电能。这种储能技术的优点主要体现在三个方面:①能量的释放速度快,不需要能量转换。②可以实现能量的无损耗储存,能量返还率高。③可以对电网电压、频率等进行调节,实现与电力系统的大容量能量交换以及功率补偿,超导储能技术已经在风力发电中应用了很长一段时间。

4 超级电容器储能技术

电化学双电层理论是超级电容器研制的基础,也是重要的理论依据。超级电容器储能系统已经发展了很长时间,它在电力系统中的任务是提高电压下降时的供电水平。世界上一个典型在风力发电系统中应用超级电容器的例子发生在美国,美国建造的超级电容器储能装置的主要任务是缓解风力发电机组向电网输送功率产生的较大波动。超级电容器储能系统的发展思路为采用串联和并联的方式应用于风力发电系统中,这使得系统的调节速度加快,调节范围也增大,同时也提升风力发电系统中的电能质量,提高了系统的稳定性。

5 其他储能技术

除了以上在生活中比较常见和常用到的四种储能方式以外,还有抽水蓄能装置,这种技术的主要任务是调峰,在集中式发电中应用比较广泛。抽水蓄能装置需要在地理条件允许的情况下才能应用,因此,很多风力发电场受条件限制无法建造抽水蓄能电站。另外,还有压缩空气储能,它可以用于调峰,它消耗的燃气低,能量转化率高,在复合化发电以及大容量发电中,成本很低。

氢燃料电池是一种新型的储能技术,把氢气作为一种能源载体大规模地应用,首先要解决的是氢的成本和储存问题,也就是要实现氢的低成本制造以及进行安全储存。在氢燃料成本还很高的情况下,氢燃料电池的大规模应用还需要进一步发展。

6 各种储能技术应用前景分析

储能技术多种多样,综合分析来看,在调峰方面具有优势的储能技术是抽水蓄能技术;比较适用于中、小规模储能的是电池储能,而且电池储能还可以适应不同用户的需求。超级电容储能在电动汽车储能方面应用比较广泛;飞轮储能在电网的调频方面有优势。

大部分储能技术由于需要的原料比较昂贵,这导致储能技术应用于电力系统的成本都会很高,成本问题也是制约储能技术在风力发电中大规模应用的一个重要问题。因此,提高能量转化效率以及降低成本是实现储能技术在风力发电中应用的重要措施。在风力发电中,在进行储能方式选择时需要考虑多种因素,例如系统成本、环境条件以及技术成熟度等。进行风力发电系统中电能的储存的亲体是进行电能质量的管理,超级电容器、高速飞轮储能等技术的重要作用是保证系统输出功率的稳定。当外部电网有故障出现时,储能系统可以为电力系统提供一定的电压来维护电网的稳定。另外,铅酸电池和液流电池储能这两种系统的调峰功能比较优越,非常有利于对电能的大规模储存。储能系统还可以进行组合,例如超级电容器和蓄电池等,采用混合式储能系统对提高储能效率很有帮助。

7 结论

随着电网风电渗透水平的不断提高以及电化学储能技术的日益进步,规模化电池储能系统有望在不久的将来进入商业运行。电池储能技术在风力发电系统中有着很大的应用潜力,做好电池储能的研究工作,有助于促进风力发电的发展。

参考文献

[1]张博.风力发电系统中储能技术研究[J].科技资讯,2013(35):1.

[2]张庆伟.风力发电系统中储能技术的应用研究[J].科技资讯,2015(26):5-6.

电池储能系统 篇9

大规模电池储能系统(battery energy storage system,BESS)通过在负荷高峰时放电,在负荷低谷时充电,可以实现对负荷的削峰填谷功能。电网公司利用BESS削峰填谷,能够推迟设备容量升级,提高设备利用率,节省设备更新的费用;电力用户利用BESS削峰填谷,可以利用峰谷电价差获得经济效益。在国外已有许多大规模BESS在运行;在国内,南方电网开展了兆瓦级BESS示范项目。本文的研究基于南方电网兆瓦级电池储能项目,并应用于监控系统的高级应用控制部分。

如何利用有限的电池容量达到最优的削峰填谷效果,并满足一组约束条件的限制,需要借助于优化算法来实现。求解储能系统充放电策略的优化算法可分为智能优化算法和经典优化算法2类。文献[1-7]中采用智能算法来求解,包括遗传算法[1,2,3,4,5]、粒子群算法[6]和模拟退火算法[7]。智能算法的优点是模型中可以包含不连续、非线性的约束;其缺点是对于含有多个局部最优解的问题,智能算法无法保证收敛到全局最优解,且参数选取困难。

求解储能系统充放电策略的经典优化算法包括梯度类算法[8,9,10]和动态规划算法[11,12]。梯度类算法无法处理不连续的约束条件,对初值的依赖性强。采用动态规划算法则可以在模型中考虑不连续、非线性的约束,且方便使用计算机求解。

文献[11-12]中提出用动态规划方法求解BESS削峰填谷离线优化问题,以电池剩余电量或荷电状态(SOC)为状态变量。本文进一步提出了基于动态规划的削峰填谷实时控制方法,能够在线修正优化结果,并且考虑到了充放电次数和放电深度对电池寿命的影响。

1 削峰填谷实时优化建模

BESS的充放电功率可以快速、灵活地改变,不需要考虑爬坡速率约束。忽略电池组的内部损耗,可以将电池看做恒压源模型。

若储能系统的拥有者为电力用户,在市场电价体系下,用户的目标为最大化储能系统给用户带来的经济利益;若储能系统的拥有者为电网,为了减少常规发电机组的开停机次数以及旋转备用的容量,电网的目标为负荷曲线尽量平坦。在数学上,方差可以反映随机变量偏离其均值的程度。负荷的方差可以反映负荷曲线的平坦程度。在本文中选取最小化负荷曲线的方差作为目标函数:

式中:N为一日中负荷数据点的个数,由预测负荷数据决定,设当前时刻对应于第n个负荷数据(1≤n≤N);D(i)为时刻i的负荷,为已知量,且1≤i≤n时为实际负荷,i>n时为预测负荷;b(i)为时刻i到时刻i+1之间BESS的输出功率,电池充电为正,放电为负,且1≤i<n时为已知量,i≥n时为控制变量。

实时优化模型中包含以下几类约束条件。

1)电池容量约束。各时刻的电池电量不超出电池容量的上下限:

式中:Slow和Shigh分别为电池剩余电量的下限和上限;s(i)为时刻i电池的电量,0≤i≤n时为已知量,i>n时为状态变量。

在线计算时,当前时刻的电量s(n)为初值,N时刻的电量s(N)为终值。忽略电池的损耗后,电池在Δt时间内减少的电量与这段时间内输出的电量相等:

式中:Δt为相邻负荷数据的间隔时间;Sinitial和Sfinal分别为电池剩余电量的初值和终值。

当电池容量的初值Sinitial和终值Sfinal确定后,为常数,式(1)可以简化为:

目标函数具有分离性,满足动态规划方法对指标函数的要求。

2)功率约束。由于电力电子变流器(PCS)及电池本体的限制,电池各时刻的输出功率不能超过功率的上下限:

-Pmax≤b(i)≤Pmaxi=1,2,…,N(7)式中:Pmax为最大充放电功率限值。

电池的寿命与电池的充放电次数、放电深度(DOD)有关。为了研究不同的充放电次数和放电深度对电池寿命的影响,延长电池使用寿命,需要在模型中加入充放电次数约束和放电深度约束。

3)充放电次数约束。电池的状态可以分为充电、放电、空闲3种。将空闲状态看做以零功率进行充电或放电,因此,在一日当中,充电阶段和放电阶段交替出现。若将一个充电阶段加上一个放电阶段算做一次充放电,则充放电次数约束可以描述为:一日中的充放电次数限制为k次,k为已知的正整数。

4)放电深度约束。电池组每一次放电的放电深度不应超过限制值。在第j次放电时,各时刻的电池电量不应小于SDOD(j),其中,j=1,2,…,k;S为电池组总容量;DOD(j)为已知的第j次放电时的放电深度限制值,0≤DOD(j)<1,DOD(j)=0表示在第j次放电时可以将电池电量全部放出。

如果优化模型中只包含容量约束和功率约束,则约束为线性约束,目标函数为二次函数,优化模型符合二次规划的模型要求,可以采用有效集算法进行求解。加入充放电次数约束和放电深度约束后,由于约束条件不连续,无法采用基于连续模型的优化算法。本文提出的基于动态规划的实时控制方法可以用来求解此模型。

2 基于动态规划的实时优化模型求解方法

2.1 经典动态规划算法[13]

动态规划算法的基础是最优性理论:最优策略包含的子策略一定是最优子策略。在动态规划顺推解法中,从初始状态开始,根据初始条件f(r0)=0和第n阶段的递推方程由前向后推算,直至求得目标函数的最优解。其中:rn为n时刻的状态;un为第n阶段的决策变量;d(rn)是由rn确定的允许决策集合;vn(rn,un)为第n阶段的阶段指标。顺推解法的路径如图1所示。采用动态规划算法可以避免对所有的路径进行计算。

2.2 实时优化模型求解方法

BESS中的高级应用模块通过动态规划算法求得储能系统的充放电策略,并实时控制每组PCS的出力值。

采用动态规划方法求解储能系统充放电策略的方法如下:将一日划分为N个阶段,相邻阶段的时间差为Δt。选择电池电量S为状态,将其离散化,相邻2个状态的电量差为Δs。在线控制时,初始状态Sinitial为当前时刻电池电量,在当前时刻阶段;终值状态Sfinal在第N阶段。最优策略可以看做从初始状态到终值状态的最优路径。第N阶段的递推方程为实时优化模型的目标函数。由此可见,优化模型中的目标函数应满足递推特性。

为了满足充放电次数约束和放电深度约束,图1中每个时刻的状态被划分为2k个组。假设电池首先进行充电,Sinitial≥SDOD(j),j=1,2,…,k,在每日的00:00时刻,各阶段的状态与可行路径如图2所示。

在充电组中,电池可以空闲、充电或者跳转到上面的放电组,所有状态都满足电量上下限的要求;在放电组中,电池可以空闲、放电或者跳转到上面的充电组,所有状态都满足本次放电的放电深度要求及容量上下限的要求。图中:一个箭头代表一个可行的决策。箭头所连接的2个状态的电量之差不超过PmaxΔt。沿着箭头所示的路径走,可以保证满足容量约束、功率约束、充放电次数约束和放电深度约束。从第n-1阶段的状态l到第n阶段的状态m,Δt时间内的充电功率为Plm,阶段决策指标vn(l,m)=(D(n)+Plm)2。从初始状态到第n阶段的状态m,最优指标函数f(n,m)=min{l∈E(n,m)f(n-1,l)+vn(l,m)},其中E(n,m)为指向第n阶段的状态m的所有决策的起始点组成的集合。

3 仿真结果

以深圳碧岭站某日的负荷作为测试用的实时负荷。假设预测负荷与实时负荷相同。负荷曲线在上午、下午和晚上各有一次负荷高峰,其中前2次为工业用电高峰,第3次属于民用电高峰。曲线在凌晨、中午、傍晚各有一次负荷低谷,以凌晨时的低谷期最长,负荷值最小。

采用i5-2410M处理器,采用C++编程。优化模型的参数如下:Δt为5 min,N=288。电池容量为20 MW·h,最大充放电功率为5 MW。原始负荷数据的方差为22.720 8。假设00:00时刻电池的状态为0,终止状态Sfinal也取为0。

3.1 基于动态规划的实时优化控制结果

3.1.1 充放电次数限制对优化结果的影响

假设电池仅执行削峰填谷功能,放电深度限制DOD(j)都设为0,电量差Δs为0.2 MW×5 min。不同的充放电次数约束下求得的优化结果如表1所示。在不同的充放电次数约束下的优化结果曲线如图3所示。其中,每个子图的上图的虚线为原始负荷曲线,实线为经过储能削峰填谷后的负荷曲线;每个子图的下图表示储能系统出力。图4中给出了负荷方差随优化阶段的推移由大到小的变化曲线。

可见,通过削峰填谷后的负荷方差比原始负荷方差明显减小。随着充放电次数限制k从1增大到3,优化出的负荷方差越来越小,计算时间也越来越长。当k取3或4时优化结果相同,说明一日中充3次放3次是最优的策略。若要求一日4充4放,那么有一次是以零功率充放电。由于k取4时状态更多,因此运算时间比k取3时更长。1充1放和2充2放时的目标函数分别比3充3放时的目标函数增大了0.355 4和0.076 7,这是为了满足充放电次数限制所需的代价。

3.1.2 电量差Δs和放电深度对优化结果的影响

假设电池仅执行削峰填谷功能,放电深度限制DOD(j)都设为0,充放电次数限制设为3。选取不同的电量差Δs,削峰填谷实时控制一日后的结果如表2和图5所示。

电量差Δs越小,优化出的负荷方差就越小,优化结果也越精确,但状态量的增加会导致计算量增加。从优化结果曲线中可以看出,Δs取值越小,优化后的负荷曲线越平坦。

当Δs为1 MW×5min,k取3时,若将第1次放电深度限制DOD(1)设为0.65,方差由原来的7.320 1增大为7.334 1,这是为了满足放电深度限制所需的代价。

3.2 动态规划结果与二次规划结果的对比

如果去掉日前优化模型中的充放电次数约束和放电深度约束,日前优化模型转化为二次规划模型。采用有效集算法进行求解,优化后负荷方差为7.123 0,优化结果如图6所示。

由二次规划模型的优化结果可以看出,针对此预测负荷曲线,BESS的最佳充放电次数为3充3放。对比有效集算法和动态规划算法可以看到,由于有效集算法中电池容量变化值是连续的(图6中的台阶变化是由于储能出力调整时间间隔为5min),而动态规划中需要将电池容量离散化,因此有效集算法优化出的曲线更加平坦,负荷方差也更小,是离散化后的动态规划方法计算的理想值,这也验证了上述动态规划方法计算结果的正确性。

3.3 实时优化控制与离线优化控制结果的对比

本节测试与其他储能功能的协调优化性能,假设预测负荷与实时负荷相同,充放电次数限制值k=1,Δs=0.5 MW×5 min,电池在08:00—09:00之间放电20 min来进行调频或其他有功功率控制。在这段时间内没有进行削峰填谷,负荷曲线不变,但减少了电池容量。如果采用离线优化,仿真电池运行一日后的负荷曲线和电池出力曲线如图7所示。

在第2个峰的末尾,电池容量已经用光,无法放电,也无法削减第3个峰。实际负荷方差为10.112 739。若采用实时优化控制,因为可以实时调整电池出力策略,仿真一日后的负荷曲线、电池出力曲线如图8所示。

在调频等其他控制结束、第1个峰到来之前,电池进行了短时充电,在第2个峰的放电阶段,适度减小了电池的放电功率,以便在第3个峰上放电。运行一日后负荷方差为10.037 077。

实时优化的方差比离线优化的方差小,由于电池进行了调频控制,此时的方差比只进行削峰填谷控制要大。

4 现场测试结果

在深圳碧岭站进行现场测试,测试时电池容量为16 MW·h,最大充放电功率为4 MW,电池电量差Δs为0.5 MW×5 min。当充放电次数限制为2次时,在00:00时刻,监控系统显示的削峰填谷优化结果如图9所示。监控系统显示的碧岭站实时负荷曲线如图10所示。

图9表明,实际应用中的日前优化与仿真结果基本类似,优化效果明显。在图10中,高峰阶段和低谷阶段被准确识别,并加以有效降低,切实起到了削峰填谷的作用,在示范工程中验证了本文方法的有效性。

5 结语

针对BESS削峰填谷优化问题,本文提出了基于动态规划的削峰填谷实时优化方法,考虑了充放电次数和放电深度对电池寿命的影响,能够处理储能系统削峰填谷功能与其他功能协调控制问题。上述方法基于深圳碧岭站的负荷数据进行了仿真测试,结果表明:本文提出的方法能够有效控制BESS执行削峰填谷功能,并且能够满足充放电次数限制和放电深度限制,有利于延长电池的使用寿命。BESS可以实现多种功能协调控制。在执行削峰填谷功能的同时,储能系统还可以响应调频调压等功能指令。采用实时优化控制策略,可以在线修正电池电量因调频调压所发生的变化,达到最优的削峰填谷控制功能。同时,本文设计的优化控制策略已经应用于南方电网兆瓦级电池储能示范工程,现场实测结果也验证了所述方法的有效性。

由于削峰填谷优化的效果依赖于预测负荷的准确性,在进一步的研究中,本文提出的实时控制方法可以与短期负荷预测相结合,在线修正预测负荷值以及储能系统充放电策略,达到更好的削峰填谷效果。