用戶側(cè)電池儲能系統(tǒng)仿真和檢測的研究與展望

任禹同

摘要：隨著儲能電站的大規(guī)模建設(shè)，儲能系統(tǒng)不斷地應(yīng)用到工程現(xiàn)場中，用戶側(cè)電池儲能系統(tǒng)的電氣性能測試的需求不斷加強(qiáng)。本文首先從近幾年國內(nèi)外電池儲能技術(shù)的發(fā)展成果入手，介紹了用戶側(cè)電池儲能的典型應(yīng)用和示范工程，并且整理了仿真和檢測的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并且重點(diǎn)對用戶側(cè)電池儲能系統(tǒng)仿真測試平臺搭建的過程中所涉及的成組電池建模仿真問題、系統(tǒng)控制策略，系統(tǒng)檢測方案等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了論述，最后對未來電池儲能的安全問題、優(yōu)化管理和電力系統(tǒng)運(yùn)行模式等進(jìn)行了探討和展望。

關(guān)鍵詞：電池儲能系統(tǒng);控制策略;等效電路模型;檢測方案

0 ?引言

隨著可再生能源的大量接入和快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的運(yùn)行和規(guī)劃面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供需平衡、電力清潔和電網(wǎng)安全是電力系統(tǒng)專家學(xué)者所面對的共同課題。儲能技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最重要的技術(shù)，被麥肯錫公司視為未來經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆技術(shù)之一[1]。

電力系統(tǒng)對于儲能系統(tǒng)功能新要求不斷提高與深化，其控制系統(tǒng)和控制算法也在不斷豐富發(fā)展，提出了許多基儲能系統(tǒng)的主動配網(wǎng)能量控制方案，完成調(diào)頻、無功治理、電壓支撐、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動等功能，與以往分布式發(fā)電設(shè)備功能相比，對儲能系統(tǒng)特性提出了很多新的要求[2-3]，如何檢測這些功能的效果也成了需深入研究，為了便于研究配備新功能的儲能系統(tǒng)的檢測方案，有必要對儲能系統(tǒng)提供輔助服務(wù)方面的功能進(jìn)行理論研究。

縱觀電池儲能大發(fā)展歷程，電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)發(fā)電以及電網(wǎng)運(yùn)行控制中已受到國內(nèi)外電力行業(yè)的高度重視。深入探索用戶儲能系統(tǒng)的功能機(jī)特性，有助于進(jìn)一步探索電池儲能系統(tǒng)的控制與保護(hù)，同時，隨著電池儲能系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展，儲能系統(tǒng)的性能檢測的研究與完善，也對我國儲能技術(shù)、新能源推廣以及電網(wǎng)大規(guī)模調(diào)控等應(yīng)用酷游重要的戰(zhàn)略意義。

1 ?電池儲能發(fā)展現(xiàn)狀

電池儲能作為電能存儲的重要方式，具有可根據(jù)需要靈活配置功率及能量、響應(yīng)速度較快、不受自然資源因素制約等特性，這使得電池儲能在新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)輔助運(yùn)行等方面具有不可替代的優(yōu)勢。

表1為列舉了近些年典型的國內(nèi)外你建設(shè)的電池儲能。從表1中可以看出，在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，鋰離子、液流等電池均可作為電池儲能系統(tǒng)的組成單元。它們因其不同的性能具有不同的應(yīng)用場景。

總管國內(nèi)外的電力行業(yè)，電力儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電以及電網(wǎng)運(yùn)行控制均十分重視。規(guī)?；?、集中化、分布式以及移動式的集成或應(yīng)用模式將是電池儲能系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，對于儲能系統(tǒng)的多目標(biāo)、多層次的運(yùn)行控制與智能化管理研究具有重要意義。

2 ?用戶側(cè)儲能系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)

2.1 儲能電池組模型

電池儲能過程是復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，如何準(zhǔn)確描述電池儲能系統(tǒng)的狀態(tài)成為了建模重點(diǎn)。常用的電池模型主要有四種類型：電化學(xué)模型、熱模型、耦合模型和性能模型。

其中，等效電路模型因其數(shù)學(xué)描述簡單、物理意義明確而在電池建模中受到廣泛應(yīng)用。它通過電阻、電容、恒壓源等電路元件組成的電路網(wǎng)絡(luò)來模擬電池的動態(tài)特性，與其他性能模型相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）輸出解析數(shù)學(xué)方程;（2）可實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的辨識實(shí)驗(yàn);（3）完整SOC（0～1）范圍建模;（4）可考慮多模型維影響因素。等效電路模型有多種形式，由于單體電池數(shù)量龐大，將電池系統(tǒng)共分為12組，每組由216節(jié)360AH的鋰電池單體串聯(lián)組成，所搭建RTDS模型無法對BMS的單體電池信息采集和單體電池間的電量均衡進(jìn)行試驗(yàn)[4]，因此這種基于整體的建模方法具有一定的缺陷，而且會隨著電池組的老化越來越嚴(yán)重。選擇磷酸鐵鋰電池作為研究對象，對其OCV-SOC特性進(jìn)行測試，并基于測試結(jié)果對鋰電池組進(jìn)行戴維南等效電路模型建模，最后通過仿真驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性[5]，其建模方案完整詳細(xì)，具有一定的指導(dǎo)意義。

基于單體儲能電池的戴維南等效電路仿真模型，可以利用組合建模法、整體建模法和抽樣建模法對儲能電池包進(jìn)行建模，并對比分析各建模法的精度。研究單體參數(shù)如內(nèi)阻、容量、SOC等差異對串并聯(lián)電池性能的影響;研究電池不一致性及參數(shù)分布對串聯(lián)電池組能量利用率的影響。在Matlab/Simulink中對整個電池包系統(tǒng)模型進(jìn)行搭建，研究電池包工作特征對儲能電池整體性能影響，研究模型的正確性和精度。還可以進(jìn)一步研究儲能電池包健康度模型，分析儲能電池包健康度深度評估方法。

2.2 儲能系統(tǒng)的控制策略和實(shí)時仿真

電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)做成了電池儲能系統(tǒng)，如圖2所示。為降低并優(yōu)化可再生能源間歇性對電網(wǎng)帶來的影響，儲能系統(tǒng)與分布式電源形成的主動配電網(wǎng)具備調(diào)節(jié)功率的能力，降低了電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差。

并網(wǎng)、離網(wǎng)是儲能系統(tǒng)在只能電網(wǎng)中的典型運(yùn)行模式：在并網(wǎng)模式下，儲能系統(tǒng)根據(jù)接受的有功無功指令，按照PQ控制策略實(shí)現(xiàn)有功、無功控制。在離網(wǎng)模式下，儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中一般做主電源運(yùn)行，采取定電壓和定頻率控制策略（V/F控制），維持電壓和頻率的穩(wěn)定。

圖3為在微電網(wǎng)儲能運(yùn)行模式下，恒功率控制儲能系統(tǒng)策略，各功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)均采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)，對電池儲能單元進(jìn)行充/放電管理，需在充分考慮能量管理策略，微電網(wǎng)的能量管理單元接受功率參考指令，來控制儲能系統(tǒng)主控制器。

離網(wǎng)運(yùn)行分為計劃孤島和非計劃孤島兩種方式：對于非計劃孤島，其要求與分布式電源的要求一致，在2s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電。但對于計劃孤島，儲能系統(tǒng)的主要作用之一就是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，對一定范圍內(nèi)的緊急負(fù)載供電。

對于計劃孤島，需要對這部分性能進(jìn)行詳細(xì)要求，比如離網(wǎng)運(yùn)行的范圍、設(shè)計離網(wǎng)運(yùn)行時對載流方向的論證、切入離網(wǎng)運(yùn)行時的條件判定、離網(wǎng)運(yùn)行時的有功/無功功率要求、離網(wǎng)運(yùn)行時對其它聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的影響、繼電保護(hù)設(shè)備的配合等。并網(wǎng)到離網(wǎng)切換是在電網(wǎng)計劃性停電或電網(wǎng)突發(fā)性故障時要求儲能系統(tǒng)不掉電，繼續(xù)給負(fù)載供電。離網(wǎng)到并網(wǎng)切換是在變流器恢復(fù)并網(wǎng)時要保持和電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位一致，以避免出現(xiàn)電流沖擊。

2.3儲能系統(tǒng)性能測試方案

有針對性制定完整的電池儲能系統(tǒng)測試方案是難點(diǎn)所在。電化學(xué)儲能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、BMS系統(tǒng)和儲能變流器系統(tǒng)。其中電池系統(tǒng)存在容量校準(zhǔn)難、單體間不均衡、衰減快等問題，因此儲能電池的性能檢測和SOH評估（評估電池健康度）需求將越來越強(qiáng)。儲能變流器系統(tǒng)作為儲能電池與電網(wǎng)間的雙向交換樞紐，是能量流和信息流的接口，其性能特性將影響電網(wǎng)穩(wěn)定和運(yùn)營可靠性，儲能變流器的性能檢測是儲能系統(tǒng)檢測重點(diǎn)?？紤]到鐵鋰儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命一般都是基于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，而實(shí)際中儲能系統(tǒng)普遍達(dá)不到設(shè)計的充放次數(shù)，整體系統(tǒng)效率也并未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，有必要對其進(jìn)行全壽命周期的測試，來檢測和評估儲能系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的持續(xù)表現(xiàn)。測試方案大致分為后臺監(jiān)控系統(tǒng)測試、PCS控制及保護(hù)功能測試、電池儲能系統(tǒng)動態(tài)特性測試等及部分。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)測試分為兩部分。一是通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)的信息及狀態(tài)采集監(jiān)視功能的測試，確認(rèn)后臺監(jiān)控與儲能系統(tǒng)的通訊以及是否能正確執(zhí)行測試命令;二是驗(yàn)證在整改測試過程中，各個功能是否可以實(shí)現(xiàn)。

儲能變流器（以下簡稱PCS）是電池儲能系統(tǒng)的核心。因此PCS控制及保護(hù)功能是測試的核心。預(yù)計總共分6次進(jìn)行檢測：首檢、末檢和4次期間檢。每次檢測都要分別針對PCS、儲能電池組的3個模組、儲能系統(tǒng)（PCS+儲能電池組）三個對象進(jìn)行檢測，此外，首檢和末檢還要包括對8節(jié)單體電池的檢測。中間的循環(huán)充放電過程按照0.5C進(jìn)行充放電，充放電深度為70%，每充放電一次（包括充放電后的靜置時間）的時間約為4h，每天約完成6次充放電。所設(shè)置的中間間隔的循環(huán)次數(shù)不斷縮短，以便更清晰地觀測到儲能系統(tǒng)全壽命檢測實(shí)驗(yàn)后期的性能變化情況。

電池系統(tǒng)動態(tài)特性就是驗(yàn)證在外界條件變化時儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

3 探討與展望

未來隨著清潔能源發(fā)電成本以及電池的成本下降，使得用戶儲能進(jìn)入電力市場的絆腳石正逐步瓦解，在此背景下，發(fā)展用戶儲能已然大勢所趨，所以伴隨著電池儲能系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用會引發(fā)新的難點(diǎn)和課題來進(jìn)行研究和攻克，本文簡要闡述需從以下幾個方面重點(diǎn)開展研究：

（1）電池安全問題應(yīng)時刻被放在第一位，無論儲能電池的設(shè)計、集成、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，都可能存在電池燃燒、泄露、變形等安全隱患，應(yīng)在電池隱患預(yù)警預(yù)測技術(shù)方面開展研究，設(shè)計具有充分可靠性的監(jiān)測技術(shù)及方案，避免安全事故或電氣火災(zāi)發(fā)生;

（2）隨著電池行業(yè)的不斷發(fā)展擴(kuò)大，不同廠家、不同容量、不同類型以及不同使用階段的儲能單元的檢測其性能情況、充放電能力、健康狀態(tài)，是存在的另一個新的研究方向，研究具有強(qiáng)兼容性的檢測方案及平臺，來解決電池優(yōu)化管理的難題;

（3）當(dāng)用戶儲能達(dá)到一定規(guī)模后，將成為電網(wǎng)互動調(diào)控不可忽略的組成部分，但伴隨著大量的儲能系統(tǒng)的接入和退出，電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行協(xié)調(diào)控制是一個新的難點(diǎn)，研究基于大規(guī)模儲能接入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定能力提升技術(shù)是一個新的研究方向。

4總結(jié)

文章在結(jié)合近幾年圍繞電池儲能技術(shù)所取得的成果的基礎(chǔ)上，針對用戶側(cè)電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行控制與應(yīng)用方法開展了系統(tǒng)的研究，主要結(jié)論如下：

（1）對電池儲能的國內(nèi)外的發(fā)展概況進(jìn)行了敘述，介紹了電池儲能電站在新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)安全控制等領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用。列舉了國內(nèi)外電池儲能站的運(yùn)行和控制方面的一些典型工程。

（2）對國內(nèi)外用戶側(cè)儲能系統(tǒng)的測試領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了國際上已制定的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)制定的針對儲能系統(tǒng)設(shè)備檢測的標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)上述標(biāo)準(zhǔn)對于用戶側(cè)儲能系統(tǒng)整體性能無法很好的檢測，因此，搭建功能齊備的電池儲能系統(tǒng)檢測平臺將成為儲能領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。

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