不同種類儲能電池的微電網(wǎng)綜合儲能系統(tǒng)性能對比及電池選擇

劉輝 毛明慧 劉釩

【摘 要】為維持微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的改善，需要對不同種類儲能電池微電網(wǎng)綜合儲能系統(tǒng)性能有一定認(rèn)識，基于此選擇合適的電池。在關(guān)于鉛酸電池和鉛碳電池性能實(shí)施試驗(yàn)對比基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對不同種類儲能電池性能的認(rèn)識，由此選擇高性價(jià)比電池。試驗(yàn)結(jié)果顯示：鉛碳電池和鉛酸電池相比，循環(huán)壽命及額定充放電倍率更高，成本更低，性能更優(yōu)。為實(shí)現(xiàn)對純電池充放電的有效控制，提出了微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電控制方法，并且對其應(yīng)用實(shí)施仿真分析，結(jié)果顯示這一系統(tǒng)在確保電池正常工作基礎(chǔ)上，也可以有效緩解充放電壓力，提升儲能系統(tǒng)的效率運(yùn)行時(shí)長。在微電網(wǎng)發(fā)展中以光伏等分布式發(fā)電電源為主光儲微電網(wǎng)成為主要發(fā)展方向，可以實(shí)現(xiàn)對廣大用戶安全性及個(gè)性化需求的有效滿足，具有重要的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】儲能電池;微電網(wǎng)綜合儲能系統(tǒng);性能;電池選擇

【中圖分類號】TM912 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）03-0105-03

當(dāng)前，國內(nèi)外對于不同種類儲能電池儲能系統(tǒng)性能及其控制策略研究比較注重，積極針對新型儲能電池的研究，同時(shí)也提出了各種微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)主動控制系統(tǒng)，基于蓄電池容量及充放電次數(shù)限制條件，實(shí)現(xiàn)對儲能電池充放電的優(yōu)化控制，能夠優(yōu)化儲能電池充放電曲線 [1]。在提升儲能電池使用性能基礎(chǔ)上，也有助于有效提升并網(wǎng)電能質(zhì)量。本次展開關(guān)于鉛碳電池及鉛酸電池微電網(wǎng)綜合儲能系統(tǒng)性能的對比分析，實(shí)現(xiàn)對電池的選擇，同時(shí)提出相應(yīng)的控制策略。

1 不同種類儲能電池的性能對比

本次研究以鉛酸電池及鉛碳電池作為研究對象，鉛碳電池作為新型電池之一，是具備雙層電容特性碳材料和海綿狀鉛結(jié)合成為負(fù)極，屬于是復(fù)合電極，二氧化鉛為正極材料。鉛碳電池集合了鉛酸電池和超級電容器特性，能夠?qū)崿F(xiàn)電池放電中負(fù)極板硫酸鹽化及充電中早期析氫的有效抑制，與鉛酸電池相比，鉛碳電池顯著提升了循環(huán)壽命及額定充放電倍率，也有助于降低電池成本 [2]。但是要想鉛碳電池具備較長循環(huán)壽命，不能實(shí)施太大放電深度，對于鉛碳電池的最大充放電功率具有一定限制，也影響其應(yīng)用的廣泛性。

1.1 指標(biāo)選取

本次研究以鉛碳電池及鉛酸電池作為研究對象，因?yàn)閮烧呔梢詫?shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求，所以本次研究重點(diǎn)在于分析儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閮蓚€(gè)電池可用容量比較接近，所以其種類對于微電網(wǎng)收益的影響作用不大，但是會對電池配置成本及更換次數(shù)產(chǎn)生較大影響 [3]。因此，本次分析中，以電池在微電網(wǎng)全壽命設(shè)為15年內(nèi)的總成本實(shí)施分析，探討兩種電池的使用性能。

1.2 電池預(yù)期壽命計(jì)算

電池循環(huán)壽命（NB）直接受到電池使用中放電深度（DOD）的影響，通常放電深度越大會導(dǎo)致電池循環(huán)壽命越短。本次研究中兩種電池的循環(huán)壽命和放電深度相關(guān)性的表示方式如下。

針對鉛碳電池表示如下：

NB（DOD）=4 469×DOD-0.491 9-4 054 （1）

針對鉛酸電池表示如下：

NB（DOD）=5 967×DOD-0.485 7-4 653 （2）

針對電池假設(shè)第i個(gè)循環(huán)周期放電深度為DODi，電池運(yùn)行中的每次充放電等效循環(huán)次數(shù)Neq具體表示如下：

Neq（DODi）=NB（I）/NB（DODi）（3）

在整個(gè)工程運(yùn)行周期內(nèi)，電池等效循環(huán)次數(shù)Nsum具體表示如下：

如果是在Nsum=NB（I）情況下，即這一電池組的使用壽命已經(jīng)結(jié)束，需要更換。針對電池在各個(gè)循環(huán)周期中的DOD，能夠在雨流計(jì)數(shù)法應(yīng)用下在時(shí)間變化過程中電池SOC變化曲線中提取出來，實(shí)際操作中的相關(guān)流程如下：第一，順時(shí)針將SOC時(shí)間變化曲線實(shí)施旋轉(zhuǎn)90°，確保時(shí)間軸呈豎直向下方向，相關(guān)數(shù)據(jù)就像從屋頂上滴下的雨水，在起點(diǎn)及之后各個(gè)屋檐處（峰值處）開始進(jìn)行記錄 [4]。第二，在屋檐處將雨流豎直滴下，直到出現(xiàn)比峰值更大的峰值后即可以結(jié)束。一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上面屋檐雨流情況下，雨流即會停止，在此過程中形成循環(huán) [5]。第三，結(jié)合雨流起點(diǎn)及終點(diǎn)畫出循環(huán)周期，將其各個(gè)循環(huán)的峰谷值詳細(xì)記錄 [6]。循環(huán)周期中的放電深度即為各個(gè)雨流水平長度 [7]。所以，針對各個(gè)電池性能分析，想要實(shí)現(xiàn)對DOD提取，先要獲取時(shí)間變化中的SOC曲線，電池充電和放電中的SOC計(jì)算方式可以表示如下：

在公式（5）、公式（6）中，SOC（k）表示當(dāng)前采樣時(shí)刻SOC，SOC（k-1）為上一采樣時(shí)刻SOC;KB代表電池的充/放電效率;PB（k-1）表示上一采樣時(shí)刻的電池輸出功率;QB代表的是電池容量;△t代表采樣時(shí)間間隔。

1.3 性能對比結(jié)果

針對本次兩種電池一年內(nèi)的等效循環(huán)次數(shù)的研究，以某公司微電網(wǎng)一年氣象數(shù)據(jù)作為資料，基于Meteonorm軟件實(shí)現(xiàn)對電池一年SOC曲線分析。假設(shè)兩類電池在每年使用情況一致，電池預(yù)期使用年限計(jì)算方式即為NB（I）/電池年等效循環(huán)次數(shù)，通過這一方法能夠得出15年內(nèi)電池更換次數(shù)。在這一計(jì)算模式下，所得結(jié)果見表1。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，兩種電池使用年限在不斷增加，隨之更換次數(shù)逐漸減少。在兩種電池成本對比結(jié)果中，鉛碳電池總成本明顯低于鉛酸電池，因此兩組對比中鉛碳電池成為微電網(wǎng)綜合儲能系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

2 微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電控制

關(guān)于微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電控制，需要針對系統(tǒng)中各個(gè)儲能單元充放電狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測，以能夠合理減少電池過充或過放情況，提升儲能系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)一步延長電池使用壽命 [8]。本次控制研究過程中，針對各儲能單元電量裕度，針對混合儲能單元的鉛碳電池及超級電容器的實(shí)時(shí)SOC實(shí)施估計(jì)分析，以此合理安排成功放電任務(wù)。

2.1 當(dāng)PHESS<0情況下

在這一情況下，如果在混合儲能模塊中第i個(gè)電池DOD值可以實(shí)現(xiàn)對DODi≥DODmax條件的滿足，即為相應(yīng)電池不能繼續(xù)放電，雙方變流器上流動功率可以表示為

如果混合儲能模塊中第j個(gè)電池DOD值可以實(shí)現(xiàn)對DODi

在公式（8）中，CHESS-j代表的是第j個(gè)儲能單元基本容量，CHESS-j（DODmax-DODi）即為第j個(gè)儲能單元的剩余容量。

2.2 當(dāng)PHESS>0情況下

在這一情況下，如果在混合儲能模塊中第i個(gè)電池SOC值可以實(shí)現(xiàn)對SOCi>SOCmax條件的滿足，即為相應(yīng)電池不能繼續(xù)放電，雙方變流器上流動功率可以表示如下：

如果混合儲能模塊中第j個(gè)電池DOD值可以實(shí)現(xiàn)對SOCi

在公式（10）中，CHESS-j代表的是第j個(gè)儲能單元基本容量，CHESS-j（SOCmax-SOCi）即為第j個(gè)儲能單元的剩余容量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為對以上控制方案應(yīng)用進(jìn)行合理性分析，將其在微電網(wǎng)中應(yīng)用，提供和微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)刻相似的波動頻率，時(shí)間常數(shù)假設(shè)為2 400 s，基于matlab平臺實(shí)現(xiàn)對原始風(fēng)力及光伏出力數(shù)據(jù)的調(diào)用和導(dǎo)入，確保儲能系統(tǒng)配置總?cè)萘吭诜植际劫Y源10%以內(nèi)，具體值取7 MW，單個(gè)模塊額定容量為500 kW，所以在本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對10個(gè)混合儲能單元的并聯(lián)使用。在實(shí)驗(yàn)過程中需要針對隨機(jī)生成的風(fēng)、光不確定性功率情況實(shí)施平滑處理。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)，HESS處理平滑原始功率波動性方面，效果和超級電容器相比具有顯著優(yōu)勢，主要是HESS能量密度和單一儲能方式具有顯著改善，能夠確保最終輸出功率波形實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)度需求的滿足。其中，單獨(dú)對比分析混合儲能系統(tǒng)中超級電容和鉛碳電池的充放電功率波形，兩者充放電曲線分布詳情如圖1、圖2所示。

圖1作為超級電容器的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)充放電量比較大，也較為頻繁，圖2為鉛碳電池各個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對充放電量小，頻率較低。對于原因分析，本次采用二階濾波原理，第一階是對超級電容器原始輸出功率高頻波動分量及系統(tǒng)所需快速響應(yīng)電池功率響應(yīng)延遲量平滑的應(yīng)用。第二階鉛碳電池能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步平滑。在此過程中，在對超級電容器充分利用及鉛碳電池正常運(yùn)行保障的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對過多充放電壓力的緩解，以能夠進(jìn)一步提升鉛碳電池的效率運(yùn)行時(shí)間。

4 結(jié)語

綜上，通過研究得出以下結(jié)論：第一，本次研究中針對鉛酸電池及鉛碳電池使用性能展開分析，鉛碳電池本身是建立在鉛酸電池基礎(chǔ)上，因此選取15年內(nèi)運(yùn)行總成本分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛碳電池的運(yùn)行總成本明顯低于鉛酸電池，由此可見，鉛碳電池和鉛酸電池相比更具有可選性。第二，通過微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電控制的研究，并且對其應(yīng)用效果實(shí)施分析，發(fā)現(xiàn)這一控制方案在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，不但能夠確保鉛碳電池正常運(yùn)行，而且能夠緩解多充放電壓力，優(yōu)化鉛碳電池的效率運(yùn)行時(shí)間。

在當(dāng)前微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)發(fā)展中，為滿足當(dāng)前社會環(huán)境下的節(jié)能環(huán)保需求，開始出現(xiàn)了光儲微電網(wǎng)，主要以光伏等分布式發(fā)電電源為主，與傳統(tǒng)大電網(wǎng)供電方式相比，這一方式可以更好地滿足用戶高安全性及可靠性需求，以能夠針對不同用戶提供個(gè)性化供電服務(wù)。“光伏發(fā)電+儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)”成為我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的一個(gè)重要途徑，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ虼嗽谖磥戆l(fā)展中需要加大對“光伏發(fā)電+儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)”的研究，能夠促進(jìn)其發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

參 考 文 獻(xiàn)

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