電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用

劉理

摘 要 隨著國家新能源、智能電網(wǎng)越來越受到重視，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力電子技術(shù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有靈活容量配置和調(diào)峰調(diào)頻的能力，但它的電化學(xué)特性在目前階段制約了易維護(hù)和實(shí)用化以及電池往大容易的發(fā)展方向。所以如何利用電力電子裝置作為紐帶溝通電力電子和電化學(xué)這兩個(gè)完全不同的體系結(jié)構(gòu)，一方面是電力電網(wǎng)提供如新能源配合、削峰填谷、無功支撐等等功能，另一方面如何保證電池正常使用壽命、不同的串并聯(lián)方式以及如何高效的適應(yīng)不同電池類型都是值得我們探討的技術(shù)問題。

【關(guān)鍵詞】電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 電力電子 技術(shù)問題

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)簡介

電池按電化學(xué)反應(yīng)原理的變化不同可分為鋰電池、全釩液流電池及鈉硫電池。而其中鋰電池又可以根據(jù)正極材料角度可以分為：錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、三元材料電池及磷酸鐵鋰電池。鈷酸鋰電池里面的鈷是非常珍貴的資源，成本也非常高，而且由于在高溫狀態(tài)及充電的狀態(tài)下有非常大的安全隱患，所以鈷酸鋰電池不適合在大容量電池儲(chǔ)能中應(yīng)用。而價(jià)格便宜，又沒有環(huán)境污染，在安全性方面又好的錳酸鋰電池有著豐富的正極材料資源，在近幾年都已在電動(dòng)公交車，電動(dòng)車中的應(yīng)用成功，都取得了重大突破。成本較低又相對(duì)安全的三元材料鋰電池其實(shí)是鈷酸鋰電池的替代品。有著循環(huán)壽命、制造成本、安全性方面都有明顯優(yōu)勢的磷酸鐵鋰電池，它的能量密謀只有鈷酸鋰電池的四分之三。

電池就是通過電極和電解質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)以及外部電路的連接完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換，利用電化學(xué)原理進(jìn)行轉(zhuǎn)化能量及儲(chǔ)存的裝置。電池系統(tǒng)具有靈活配置、不受資源制約和地理環(huán)境的特性，通過能量轉(zhuǎn)換裝置（PCS）連接到電力電網(wǎng)系統(tǒng)，就可以訊速調(diào)節(jié)無功和有功輸出，更加適合新一代新能電力電子和在新能源方面發(fā)展的需要。

2 電動(dòng)汽車儲(chǔ)能潛力

當(dāng)前，鋰離子電池在交通領(lǐng)域中的電動(dòng)汽車上得到了非常廣泛的運(yùn)用。

十年前，美國鋰離子電池達(dá)到了10億美元的市場銷售量，而且估計(jì)每年都在以50%至60%的幅度增長。

電動(dòng)汽車可以通常通過兩種方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)儲(chǔ)能。一種是電網(wǎng)—車輛（grid to vehicle，G2V）這種應(yīng)用的車輛和電網(wǎng)的通信是雙向的，可是車輛從電網(wǎng)中獲得電能的僅作為負(fù)荷取得，而通信實(shí)現(xiàn)不了向電網(wǎng)提供電能，它只改變其充電速率。另一種是車輛—電網(wǎng)（V2G）車輛與電網(wǎng)的通信是雙向的，電池的放電、充電也是雙向的。車載電池不只是作為負(fù)荷從電網(wǎng)充電，同時(shí)又作為一種設(shè)備為電網(wǎng)提供電能。電動(dòng)汽車大規(guī)模接入后，可以作為電源向電網(wǎng)反方向提供電能，也可以作為負(fù)荷調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷特性，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷，為改善電網(wǎng)性能，提供調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)，平滑可再生能源發(fā)電出力，從而提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，通過優(yōu)化控制充放電，電動(dòng)汽車可以平抑風(fēng)電、太陽能波動(dòng)發(fā)電，提高電網(wǎng)消納新能源及再生能源發(fā)電利用率。

3 能量轉(zhuǎn)換裝置（PCS）和電力電子技術(shù)

從電力系統(tǒng)應(yīng)用角度來看電池其實(shí)就相當(dāng)是一個(gè)直流電壓源，成千上萬個(gè)電池組串并聯(lián)而成一個(gè)大容量電池堆，也會(huì)構(gòu)成一個(gè)帶電容和內(nèi)險(xiǎn)的直流電壓源，而這種方式的能量是不能直接為交流電網(wǎng)使用的，所以需要適當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換裝置（PCS）把DC轉(zhuǎn)變成AC，而這種裝置一般都會(huì)需要應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件和技術(shù)。

電力電子技術(shù)是以1957年第一個(gè)晶閘管的開始誕生為標(biāo)志，從此，從家用電視、洗衣機(jī)、空調(diào)到大型廠礦用的內(nèi)機(jī)變頻、軋鋼機(jī)到電力系統(tǒng)用的高壓直流、無功補(bǔ)償?shù)鹊榷际且驗(yàn)榘雽?dǎo)體開關(guān)器件的訊速發(fā)展而推動(dòng)了電力電子裝置在這些行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用，各行各業(yè)都可以看到這些電力電子裝置的身影。而不管電力電子裝置在什么應(yīng)用場合，都需要下面所示的3個(gè)內(nèi)涵：

——電子和元器件（electronics and devices）

——控制系統(tǒng) （systems and control）

——電力和能量應(yīng)用 （power and energy）

以上的三者關(guān)系相互制約同時(shí)也是相輔相成，任何一方的需求或者不足都是需要另外兩方去滿足或者補(bǔ)充。

4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力電子技術(shù)中的問題

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置在電力電子技術(shù)的中的應(yīng)用，電力電子技術(shù)和對(duì)PCS裝置提出了全新的挑戰(zhàn)和要求，主要的問題體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）PCS要配合電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功支持、孤網(wǎng)供電、調(diào)頻調(diào)峰、移峰填谷、電力系統(tǒng)穩(wěn)定以及改善電能質(zhì)量等多種應(yīng)用功能系統(tǒng)，PCS是需要與電力系統(tǒng)進(jìn)行頻繁實(shí)時(shí)互動(dòng)，而不再是一個(gè)獨(dú)立的并網(wǎng)裝置系統(tǒng)級(jí)設(shè)備。

（2）電池組內(nèi)部如果要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡才能防止電池在運(yùn)行過程中差異性擴(kuò)大，通過電阻電容電感和開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)充放電過程中的能量消耗。

（3）為了有效延長電池循環(huán)壽命，可以用分組方法結(jié)合PCS在直流側(cè)進(jìn)行多個(gè)電池組的獨(dú)立電壓控制，但得以成本和系統(tǒng)復(fù)雜度提高及效率降低作為代價(jià)。

（4）儲(chǔ)能電站的黑啟動(dòng)或者計(jì)劃內(nèi)孤島運(yùn)行則需要工作在電壓源模式，而PCS只有在電流源模式狀態(tài)下才能正常工作，這兩種方式的無縫轉(zhuǎn)換和外部電源的配合就是控制上的難點(diǎn)。

（5）要求PCS在外部電壓大幅波動(dòng)的情況下跟蹤電網(wǎng)頻率和相位下的低電壓穿越，同時(shí)控制有功和無功的穩(wěn)定輸出，這種情況在電壓不對(duì)稱跌落時(shí)非常困難。

5 結(jié)語

由于大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力電子技術(shù)中應(yīng)用時(shí)間不長，而關(guān)鍵設(shè)備在國內(nèi)外市場上也沒有非常成熟的技術(shù)路線和產(chǎn)品，因此需要從產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)開始，借鑒光伏逆變器和內(nèi)機(jī)變流器的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮直流電池和交流電網(wǎng)的特殊性，在效率、成本、體積和可靠性的各方面找到平衡點(diǎn)，為將來儲(chǔ)能逆變的產(chǎn)品開發(fā)作為充分的準(zhǔn)備的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]費(fèi)萬民，張艷莉.大容量靜止無功發(fā)生器與電池儲(chǔ)能的集成[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015.

[2]崔艷華，孟凡明.釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].電源技術(shù)，2015.

[3]王振文，劉文華.鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2016.

作者單位

武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 湖北省武漢市 430064