微电网储能装置充放电特性分析与研究

王文星

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2.许继集团许继电气智能电网研究中心，河南 许昌 461002）

微电网储能装置充放电特性分析与研究

王文星1,2

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2.许继集团许继电气智能电网研究中心，河南 许昌 461002）

针对主要储能技术的特性，对铅酸电池、超级电容器和锂电池的充放电特性进行了实验分析，提出了适用于微电网的储能方式：超级电容器与铅酸蓄电池、锂离子电池混合应用。随着储能技术朝储能方式混合化、环境友好方向发展，微电网与混合储能技术的有机结合将大大提高系统的能源利用率和经济性，提高系统效率及稳定性。

微电网；充放电性能；超级电容器；锂离子电池；铅酸蓄电池

微电网对储能装置的性能特点具有较为独特的要求，概括起来包括：能量密度大，能够以较小的体积和质量提供较大的能量；功率密度大，能够提供系统功率突变时所需的补偿功率，具有较快的响应速度；储能效率高；高低温性能好，能够适应一些特殊环境；以及环境友好等。微电网可利用的储能装置主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等[1]。

在微电网系统中，现阶段由于技术和成本的原因，铅酸蓄电池的优势还比较明显，但是从长远考虑，随着超级电容、锂电池等价格的下降、技术的成熟和环保要求的逐渐提高，将会在微电网中得到更加广泛的运用。抽水储能、压缩空气储能要受到外部条件的限制，需要特殊的地理条件和场地，无法满足微电网并、离网转换及正常运行时实时控制的动态需求；电磁储能、钠硫电池、液流电池技术尚不成熟，还没有进入大规模商用阶段。因此本文选用了铅酸电池、超级电容器和锂电池作为研究对象，研究储能装置充放电特性，揭示电池的电化学特性，研究如何选择合适的储能装置。

1 铅酸电池

铅酸蓄电池因为其价格低廉、大电流放电及环境温度范围大等优点，在化学电源中一直占有绝对优势。

1.1 铅酸电池的放电特性

铅酸电池的放电特性是一族曲线，见图1。在一定的环境温度下(图1中为25℃)，随放电电流的不同,具有不同的放电曲线。由放电曲线可以看出如下特性：

（1）铅酸电池放电过程的容量：电池的容量与放电电流相关，在标定了放电制式之后才是一个可比的确定值。

（2）放电的初始阶段：放电初始阶段的端电压从充电状态转变为放电状态的瞬间，极板附近的电荷快速释放出来，部分电荷复合以后，离极板较远的电荷需要逐渐运送到极板附近才能释放出来。

图1 铅酸电池放电特性曲线

（3）终止电压：电池的容量是有限的，随着放电时间的延长，电池端电压最终将出现下降的拐点，称为安全工作时的终止电压点；拐点之后的曲线具有电压急剧下降的趋势，直到放电曲线的终点，称为最小终止电压，它表示放电电压低于此曲线后将造成电池的永久性失效。

1.2 铅酸电池的充电特性

电池的充电特性曲线也是在25℃温度下测量和标度的（6.75 V恒压充电），见图2。充电曲线通常有3条：

（1）充电电流曲线：在充电开始阶段，充电电流是一个恒定值，随着氢离子和水损失，电池的储能能力下降，电池容量恢复，充电电流逐渐下降，电池基本充满后，转入浮充电状态。

（2）充电电压曲线：在恒流充电阶段，电池的电压上升幅度较快，称为升压充电；当恒流充电结束时，电池的电压基本保持不变，称为恒压充电；在恒压充电阶段，电池的电流逐渐减小，并最终趋于0；结束恒压充电阶段，转入浮充电，以保持电池的储能，防止电池的自放电。

（3）充电容量曲线：在恒流充电阶段，电池的容量基本呈线性增长；在恒压充电阶段，容量增长的速度减慢；恒压充电结束后，容量基本恢复到100%；转入浮充电后，容量不再明显增长。

图2 铅酸电池充电特性曲线

蓄电池的容量减少到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。通常免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。铅酸蓄电池充电通常要完成两个任务：首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一个任务是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量，以维持电池的额定容量。

2 超级电容器

超级电容器采用电化学双电层原理构成双电层电容器，也叫功率电容器，是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能装置。超级电容器充放电过程中的容量状态有其自身的特点。超级电容器受充放电电流、温度、充放电循环次数等因素影响，其中充放电流是最主要的影响因素。

2.1 超级电容器的充电特性

电容器的充电有两种方式：固定电阻和固定电流方式。固定电阻方式比较简单，但在电阻上的损失功率比较大。超级电容器一般采用恒流限压充电的方法，固定电流充电，跟锂电池的充电类似，但充电电流可以大得多。

图3是2个2.3 V 2 000 F串联超级电容器的充电特性曲线，实际容量1 000 F，最高电压4.6 V，放电中止电压约0.7 V，充电固定电流2 A。充电过程采用恒流充电结束后转入恒压浮充，直到超级电容器充满。采用这种充电方法的优点是：第一阶段采用较大电流以节省充电时间，后期采用恒压充电，可在充电结束前达到小电流充电，既保证充满，又可避免超级电容器内部高温而影响超级电容器的容量特性。

图3 超级电容器充电特性曲线

2.2 超级电容器的放电特性

超级电容器放电时的电压是急速下降的，如图4所示，这一点跟电池不同，这也决定了超级电容器不适合作为主要的储能单元使用。但是它可以大电流持续放电，所以作为蓄电池的补充是很有意义的。

图4 超级电容器放电特性曲线

超级电容器储能过程中发生的电化学反应是可逆的，因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次，具有使用寿命长、充放电限制少、功率密度大的特点。快速大电流充放电适用于短时间高功率输出，由于超级电容器组可深度放电，其工作电压可以设定在较低范围。鉴于其优良特性，超级电容器非常适合在多种系统中应用。

3 锂离子电池

3.1 锂离子电池充电模式

锂离子电池通常采用恒流转恒压充电模式，充电开始为恒流阶段，电池的电压上升较快；电压逐渐上升到4.2 V，此时转入恒压充电，电压波动应控制在1%以内，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段。涓流充电指充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态[2]。锂离子电池的充电曲线如图5所示。

3.2 锂离子电池放电模式

磷酸铁锂电池在不同放电率时的放电特性如图6所示，最小的放电率为0.5[8]，最大的放电率为10，5种不同的放电率形成一组放电曲线。由图6可看出，不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳，基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲。在0.5～10的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2 V范围内变化。这说明磷酸铁锂电池有很好的放电特性。

图5 锂离子电池的充电曲线

图6 磷酸铁锂电池的放电特性

4 结论

本文对铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池和超级电容器的充放电特性进行了分析。铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池一般采用的是三阶段充电方式，即先恒流充电、再恒压充电、后浮充充电。磷酸铁锂电池充放电过程中电压变化平坦，有很好的充放电特性。

微电网储能系统正常工作时由铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、电网等提供电流，这个额定电流由电力系统的特性决定，同时通过充电电路向超级电容器充电。微电网并、离网转换或在负载突然增大时，需要的电流是额定电流的几倍。而对于电池来讲，突然提供一个很大的电流将会使电池电压迅速降低，从而使微电网的性能不能达到正常水平。这个突然增加的电流可以由超级电容器提供。这样，电池两端的电压和电池流出的电流变化都会大大减小，不仅对改善微电网的性能有很大帮助，对于电池寿命的影响也会大大减小。所以在以铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池作为储能装置的微电网中，配合超级电容器使用应该是不错的选择。至于选择的容量，需要根据微电网所在系统的功率来计算，以保证负荷与电源之间动态的功率平衡和系统供电质量为目标。

[1]程红丽，王立，刘建，等.电容储能的自动化终端备用开关电源设计[J].电力系统保护与控制，2009，37(22)：116-120.

[2]徐进.锂电池充放电特性分析和测试[J].中国西部科技，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，副总工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化、微电网。