微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置充放電特性分析與研究

王文星

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.許繼集團(tuán)許繼電氣智能電網(wǎng)研究中心，河南 許昌 461002）

微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置充放電特性分析與研究

王文星1,2

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.許繼集團(tuán)許繼電氣智能電網(wǎng)研究中心，河南 許昌 461002）

針對(duì)主要儲(chǔ)能技術(shù)的特性，對(duì)鉛酸電池、超級(jí)電容器和鋰電池的充放電特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，提出了適用于微電網(wǎng)的儲(chǔ)能方式：超級(jí)電容器與鉛酸蓄電池、鋰離子電池混合應(yīng)用。隨著儲(chǔ)能技術(shù)朝儲(chǔ)能方式混合化、環(huán)境友好方向發(fā)展，微電網(wǎng)與混合儲(chǔ)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將大大提高系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟(jì)性，提高系統(tǒng)效率及穩(wěn)定性。

微電網(wǎng)；充放電性能；超級(jí)電容器；鋰離子電池；鉛酸蓄電池

微電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能裝置的性能特點(diǎn)具有較為獨(dú)特的要求，概括起來(lái)包括：能量密度大，能夠以較小的體積和質(zhì)量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統(tǒng)功率突變時(shí)所需的補(bǔ)償功率，具有較快的響應(yīng)速度；儲(chǔ)能效率高；高低溫性能好，能夠適應(yīng)一些特殊環(huán)境；以及環(huán)境友好等。微電網(wǎng)可利用的儲(chǔ)能裝置主要包括蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等[1]。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，現(xiàn)階段由于技術(shù)和成本的原因，鉛酸蓄電池的優(yōu)勢(shì)還比較明顯，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，隨著超級(jí)電容、鋰電池等價(jià)格的下降、技術(shù)的成熟和環(huán)保要求的逐漸提高，將會(huì)在微電網(wǎng)中得到更加廣泛的運(yùn)用。抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能要受到外部條件的限制，需要特殊的地理?xiàng)l件和場(chǎng)地，無(wú)法滿(mǎn)足微電網(wǎng)并、離網(wǎng)轉(zhuǎn)換及正常運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)控制的動(dòng)態(tài)需求；電磁儲(chǔ)能、鈉硫電池、液流電池技術(shù)尚不成熟，還沒(méi)有進(jìn)入大規(guī)模商用階段。因此本文選用了鉛酸電池、超級(jí)電容器和鋰電池作為研究對(duì)象，研究?jī)?chǔ)能裝置充放電特性，揭示電池的電化學(xué)特性，研究如何選擇合適的儲(chǔ)能裝置。

1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉、大電流放電及環(huán)境溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)電源中一直占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

1.1 鉛酸電池的放電特性

鉛酸電池的放電特性是一族曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。在一定的環(huán)境溫度下(圖1中為25℃)，隨放電電流的不同,具有不同的放電曲線(xiàn)。由放電曲線(xiàn)可以看出如下特性：

（1）鉛酸電池放電過(guò)程的容量：電池的容量與放電電流相關(guān)，在標(biāo)定了放電制式之后才是一個(gè)可比的確定值。

（2）放電的初始階段：放電初始階段的端電壓從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)的瞬間，極板附近的電荷快速釋放出來(lái)，部分電荷復(fù)合以后，離極板較遠(yuǎn)的電荷需要逐漸運(yùn)送到極板附近才能釋放出來(lái)。

圖1 鉛酸電池放電特性曲線(xiàn)

（3）終止電壓：電池的容量是有限的，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池端電壓最終將出現(xiàn)下降的拐點(diǎn)，稱(chēng)為安全工作時(shí)的終止電壓點(diǎn)；拐點(diǎn)之后的曲線(xiàn)具有電壓急劇下降的趨勢(shì)，直到放電曲線(xiàn)的終點(diǎn)，稱(chēng)為最小終止電壓，它表示放電電壓低于此曲線(xiàn)后將造成電池的永久性失效。

1.2 鉛酸電池的充電特性

電池的充電特性曲線(xiàn)也是在25℃溫度下測(cè)量和標(biāo)度的（6.75 V恒壓充電），見(jiàn)圖2。充電曲線(xiàn)通常有3條：

（1）充電電流曲線(xiàn)：在充電開(kāi)始階段，充電電流是一個(gè)恒定值，隨著氫離子和水損失，電池的儲(chǔ)能能力下降，電池容量恢復(fù)，充電電流逐漸下降，電池基本充滿(mǎn)后，轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)。

（2）充電電壓曲線(xiàn)：在恒流充電階段，電池的電壓上升幅度較快，稱(chēng)為升壓充電；當(dāng)恒流充電結(jié)束時(shí)，電池的電壓基本保持不變，稱(chēng)為恒壓充電；在恒壓充電階段，電池的電流逐漸減小，并最終趨于0；結(jié)束恒壓充電階段，轉(zhuǎn)入浮充電，以保持電池的儲(chǔ)能，防止電池的自放電。

（3）充電容量曲線(xiàn)：在恒流充電階段，電池的容量基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；在恒壓充電階段，容量增長(zhǎng)的速度減慢；恒壓充電結(jié)束后，容量基本恢復(fù)到100%；轉(zhuǎn)入浮充電后，容量不再明顯增長(zhǎng)。

圖2 鉛酸電池充電特性曲線(xiàn)

蓄電池的容量減少到規(guī)定值以前，蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)稱(chēng)為循環(huán)壽命。在正常維護(hù)條件下，蓄電池浮充供電的時(shí)間，稱(chēng)為浮充壽命。通常免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充壽命可達(dá)10年以上。鉛酸蓄電池充電通常要完成兩個(gè)任務(wù)：首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一個(gè)任務(wù)是用涓流充電補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量，以維持電池的額定容量。

2 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器采用電化學(xué)雙電層原理構(gòu)成雙電層電容器，也叫功率電容器，是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中的容量狀態(tài)有其自身的特點(diǎn)。超級(jí)電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。

2.1 超級(jí)電容器的充電特性

電容器的充電有兩種方式：固定電阻和固定電流方式。固定電阻方式比較簡(jiǎn)單，但在電阻上的損失功率比較大。超級(jí)電容器一般采用恒流限壓充電的方法，固定電流充電，跟鋰電池的充電類(lèi)似，但充電電流可以大得多。

圖3是2個(gè)2.3 V 2 000 F串聯(lián)超級(jí)電容器的充電特性曲線(xiàn)，實(shí)際容量1 000 F，最高電壓4.6 V，放電中止電壓約0.7 V，充電固定電流2 A。充電過(guò)程采用恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級(jí)電容器充滿(mǎn)。采用這種充電方法的優(yōu)點(diǎn)是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時(shí)間，后期采用恒壓充電，可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿(mǎn)，又可避免超級(jí)電容器內(nèi)部高溫而影響超級(jí)電容器的容量特性。

圖3 超級(jí)電容器充電特性曲線(xiàn)

2.2 超級(jí)電容器的放電特性

超級(jí)電容器放電時(shí)的電壓是急速下降的，如圖4所示，這一點(diǎn)跟電池不同，這也決定了超級(jí)電容器不適合作為主要的儲(chǔ)能單元使用。但是它可以大電流持續(xù)放電，所以作為蓄電池的補(bǔ)充是很有意義的。

圖4 超級(jí)電容器放電特性曲線(xiàn)

超級(jí)電容器儲(chǔ)能過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，因此超級(jí)電容器反復(fù)充放電可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)次，具有使用壽命長(zhǎng)、充放電限制少、功率密度大的特點(diǎn)。快速大電流充放電適用于短時(shí)間高功率輸出，由于超級(jí)電容器組可深度放電，其工作電壓可以設(shè)定在較低范圍。鑒于其優(yōu)良特性，超級(jí)電容器非常適合在多種系統(tǒng)中應(yīng)用。

3 鋰離子電池

3.1 鋰離子電池充電模式

鋰離子電池通常采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式，充電開(kāi)始為恒流階段，電池的電壓上升較快；電壓逐漸上升到4.2 V，此時(shí)轉(zhuǎn)入恒壓充電，電壓波動(dòng)應(yīng)控制在1%以?xún)?nèi)，充電電流逐漸減小。當(dāng)電流下降到某一范圍，進(jìn)入涓流充電階段。涓流充電指充電器以某一充電速率給電池繼續(xù)補(bǔ)充電荷，最后使電池處于充足狀態(tài)[2]。鋰離子電池的充電曲線(xiàn)如圖5所示。

3.2 鋰離子電池放電模式

磷酸鐵鋰電池在不同放電率時(shí)的放電特性如圖6所示，最小的放電率為0.5[8]，最大的放電率為10，5種不同的放電率形成一組放電曲線(xiàn)。由圖6可看出，不管哪一種放電率，其放電過(guò)程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩(wěn)，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時(shí)，曲線(xiàn)才向下彎曲。在0.5～10的放電率范圍內(nèi)，輸出電壓大部分在2.7～3.2 V范圍內(nèi)變化。這說(shuō)明磷酸鐵鋰電池有很好的放電特性。

圖5 鋰離子電池的充電曲線(xiàn)

圖6 磷酸鐵鋰電池的放電特性

4 結(jié)論

本文對(duì)鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容器的充放電特性進(jìn)行了分析。鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池一般采用的是三階段充電方式，即先恒流充電、再恒壓充電、后浮充充電。磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程中電壓變化平坦，有很好的充放電特性。

微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)正常工作時(shí)由鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、電網(wǎng)等提供電流，這個(gè)額定電流由電力系統(tǒng)的特性決定，同時(shí)通過(guò)充電電路向超級(jí)電容器充電。微電網(wǎng)并、離網(wǎng)轉(zhuǎn)換或在負(fù)載突然增大時(shí)，需要的電流是額定電流的幾倍。而對(duì)于電池來(lái)講，突然提供一個(gè)很大的電流將會(huì)使電池電壓迅速降低，從而使微電網(wǎng)的性能不能達(dá)到正常水平。這個(gè)突然增加的電流可以由超級(jí)電容器提供。這樣，電池兩端的電壓和電池流出的電流變化都會(huì)大大減小，不僅對(duì)改善微電網(wǎng)的性能有很大幫助，對(duì)于電池壽命的影響也會(huì)大大減小。所以在以鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng)中，配合超級(jí)電容器使用應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇。至于選擇的容量，需要根據(jù)微電網(wǎng)所在系統(tǒng)的功率來(lái)計(jì)算，以保證負(fù)荷與電源之間動(dòng)態(tài)的功率平衡和系統(tǒng)供電質(zhì)量為目標(biāo)。

[1]程紅麗，王立，劉建，等.電容儲(chǔ)能的自動(dòng)化終端備用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22)：116-120.

[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測(cè)試[J].中國(guó)西部科技，2011，33 (10)：3-4，49.

Analysisand research on chargeand discharge characteristicsof m icrogrid energy storage

WANGWen-xing1,2

Based on the characteristics of the major energy storage technologies,charge and discharge characteristics of lead-acid battery,supercapacitor and lithium-ion battery were experimentally analyzed,providing energy storage methods suitable for the m icrogrid,hybrid system of supercapacitor,lead-acid battery and Li-ion battery.W ith the development of energy storage technologies toward the hybrid of energy storage methods and environment-friend ly direction,the organic integration of the m icrogrid and hybrid energy storage technology would greatly improve the energy utilization efficiency and economy of the system,and improve efficiency and stability of the system.

m icrogrid;charge and discharge characteristics;supercapacitor;lithium-ion battery;lead-acid battery

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0892-03

2013-12-08

王文星(1967—)，男，天津市人，博士，副教授，副總工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、微電網(wǎng)。