不同种类储能电池的微电网综合储能系统性能对比及电池选择

刘辉 毛明慧 刘钒

【摘 要】为维持微电网安全可靠运行，实现对电能质量的改善，需要对不同种类储能电池微电网综合储能系统性能有一定认识，基于此选择合适的电池。在关于铅酸电池和铅碳电池性能实施试验对比基础上，实现对不同种类储能电池性能的认识，由此选择高性价比电池。试验结果显示：铅碳电池和铅酸电池相比，循环寿命及额定充放电倍率更高，成本更低，性能更优。为实现对纯电池充放电的有效控制，提出了微电网储能系统充放电控制方法，并且对其应用实施仿真分析，结果显示这一系统在确保电池正常工作基础上，也可以有效缓解充放电压力，提升储能系统的效率运行时长。在微电网发展中以光伏等分布式发电电源为主光储微电网成为主要发展方向，可以实现对广大用户安全性及个性化需求的有效满足，具有重要的推广和应用价值。

【关键词】储能电池;微电网综合储能系统;性能;电池选择

【中图分类号】TM912 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）03-0105-03

当前，国内外对于不同种类储能电池储能系统性能及其控制策略研究比较注重，积极针对新型储能电池的研究，同时也提出了各种微电网储能系统主动控制系统，基于蓄电池容量及充放电次数限制条件，实现对储能电池充放电的优化控制，能够优化储能电池充放电曲线 [1]。在提升储能电池使用性能基础上，也有助于有效提升并网电能质量。本次展开关于铅碳电池及铅酸电池微电网综合储能系统性能的对比分析，实现对电池的选择，同时提出相应的控制策略。

1 不同种类储能电池的性能对比

本次研究以铅酸电池及铅碳电池作为研究对象，铅碳电池作为新型电池之一，是具备双层电容特性碳材料和海绵状铅结合成为负极，属于是复合电极，二氧化铅为正极材料。铅碳电池集合了铅酸电池和超级电容器特性，能够实现电池放电中负极板硫酸盐化及充电中早期析氢的有效抑制，与铅酸电池相比，铅碳电池显著提升了循环寿命及额定充放电倍率，也有助于降低电池成本 [2]。但是要想铅碳电池具备较长循环寿命，不能实施太大放电深度，对于铅碳电池的最大充放电功率具有一定限制，也影响其应用的广泛性。

1.1 指标选取

本次研究以铅碳电池及铅酸电池作为研究对象，因为两者均可以实现对微电网稳定性的要求，所以本次研究重点在于分析储能系统的微电网经济性。因为两个电池可用容量比较接近，所以其种类对于微电网收益的影响作用不大，但是会对电池配置成本及更换次数产生较大影响 [3]。因此，本次分析中，以电池在微电网全寿命设为15年内的总成本实施分析，探讨两种电池的使用性能。

1.2 电池预期寿命计算

电池循环寿命（NB）直接受到电池使用中放电深度（DOD）的影响，通常放电深度越大会导致电池循环寿命越短。本次研究中两种电池的循环寿命和放电深度相关性的表示方式如下。

针对铅碳电池表示如下：

NB（DOD）=4 469×DOD-0.491 9-4 054 （1）

针对铅酸电池表示如下：

NB（DOD）=5 967×DOD-0.485 7-4 653 （2）

针对电池假设第i个循环周期放电深度为DODi，电池运行中的每次充放电等效循环次数Neq具体表示如下：

Neq（DODi）=NB（I）/NB（DODi）（3）

在整个工程运行周期内，电池等效循环次数Nsum具体表示如下：

如果是在Nsum=NB（I）情况下，即这一电池组的使用寿命已经结束，需要更换。针对电池在各个循环周期中的DOD，能够在雨流计数法应用下在时间变化过程中电池SOC变化曲线中提取出来，实际操作中的相关流程如下：第一，顺时针将SOC时间变化曲线实施旋转90°，确保时间轴呈竖直向下方向，相关数据就像从屋顶上滴下的雨水，在起点及之后各个屋檐处（峰值处）开始进行记录 [4]。第二，在屋檐处将雨流竖直滴下，直到出现比峰值更大的峰值后即可以结束。一旦发现出现上面屋檐雨流情况下，雨流即会停止，在此过程中形成循环 [5]。第三，结合雨流起点及终点画出循环周期，将其各个循环的峰谷值详细记录 [6]。循环周期中的放电深度即为各个雨流水平长度 [7]。所以，针对各个电池性能分析，想要实现对DOD提取，先要获取时间变化中的SOC曲线，电池充电和放电中的SOC计算方式可以表示如下：

在公式（5）、公式（6）中，SOC（k）表示当前采样时刻SOC，SOC（k-1）为上一采样时刻SOC;KB代表电池的充/放电效率;PB（k-1）表示上一采样时刻的电池输出功率;QB代表的是电池容量;△t代表采样时间间隔。

1.3 性能对比结果

针对本次两种电池一年内的等效循环次数的研究，以某公司微电网一年气象数据作为资料，基于Meteonorm软件实现对电池一年SOC曲线分析。假设两类电池在每年使用情况一致，电池预期使用年限计算方式即为NB（I）/电池年等效循环次数，通过这一方法能够得出15年内电池更换次数。在这一计算模式下，所得结果见表1。

通过以上分析发现，两种电池使用年限在不断增加，随之更换次数逐渐减少。在两种电池成本对比结果中，铅碳电池总成本明显低于铅酸电池，因此两组对比中铅碳电池成为微电网综合储能系统的最优选择。

2 微电网储能系统充放电控制

关于微电网储能系统充放电控制，需要针对系统中各个储能单元充放电状态实施监测，以能够合理减少电池过充或过放情况，提升儲能系统的工作效率，进一步延长电池使用寿命 [8]。本次控制研究过程中，针对各储能单元电量裕度，针对混合储能单元的铅碳电池及超级电容器的实时SOC实施估计分析，以此合理安排成功放电任务。

2.1 当PHESS<0情况下

在这一情况下，如果在混合储能模块中第i个电池DOD值可以实现对DODi≥DODmax条件的满足，即为相应电池不能继续放电，双方变流器上流动功率可以表示为

如果混合储能模块中第j个电池DOD值可以实现对DODi

在公式（8）中，CHESS-j代表的是第j个储能单元基本容量，CHESS-j（DODmax-DODi）即为第j个储能单元的剩余容量。

2.2 当PHESS>0情况下

在这一情况下，如果在混合储能模块中第i个电池SOC值可以实现对SOCi>SOCmax条件的满足，即为相应电池不能继续放电，双方变流器上流动功率可以表示如下：

如果混合储能模块中第j个电池DOD值可以实现对SOCi

在公式（10）中，CHESS-j代表的是第j个储能单元基本容量，CHESS-j（SOCmax-SOCi）即为第j个储能单元的剩余容量。

3 实验分析

为对以上控制方案应用进行合理性分析，将其在微电网中应用，提供和微电网并网时刻相似的波动频率，时间常数假设为2 400 s，基于matlab平台实现对原始风力及光伏出力数据的调用和导入，确保储能系统配置总容量在分布式资源10%以内，具体值取7 MW，单个模块额定容量为500 kW，所以在本次实验中实现对10个混合储能单元的并联使用。在实验过程中需要针对随机生成的风、光不确定性功率情况实施平滑处理。同时分析发现，HESS处理平滑原始功率波动性方面，效果和超级电容器相比具有显著优势，主要是HESS能量密度和单一储能方式具有显著改善，能够确保最终输出功率波形实现对系统调度需求的满足。其中，单独对比分析混合储能系统中超级电容和铅碳电池的充放电功率波形，两者充放电曲线分布详情如图1、图2所示。

图1作为超级电容器的各个时间点充放电量比较大，也较为频繁，图2为铅碳电池各个时间点相对充放电量小，频率较低。对于原因分析，本次采用二阶滤波原理，第一阶是对超级电容器原始输出功率高频波动分量及系统所需快速响应电池功率响应延迟量平滑的应用。第二阶铅碳电池能够实现进一步平滑。在此过程中，在对超级电容器充分利用及铅碳电池正常运行保障的基础上，实现对过多充放电压力的缓解，以能够进一步提升铅碳电池的效率运行时间。

4 结语

综上，通过研究得出以下结论：第一，本次研究中针对铅酸电池及铅碳电池使用性能展开分析，铅碳电池本身是建立在铅酸电池基础上，因此选取15年内运行总成本分析，结果发现铅碳电池的运行总成本明显低于铅酸电池，由此可见，铅碳电池和铅酸电池相比更具有可选性。第二，通过微电网储能系统充放电控制的研究，并且对其应用效果实施分析，发现这一控制方案在微电网中的应用，不但能够确保铅碳电池正常运行，而且能够缓解多充放电压力，优化铅碳电池的效率运行时间。

在当前微电网储能系统发展中，为满足当前社会环境下的节能环保需求，開始出现了光储微电网，主要以光伏等分布式发电电源为主，与传统大电网供电方式相比，这一方式可以更好地满足用户高安全性及可靠性需求，以能够针对不同用户提供个性化供电服务。“光伏发电+储能系统微电网”成为我国能源可持续发展战略实施的一个重要途径，具有较大的发展潜力，因此在未来发展中需要加大对“光伏发电+储能系统微电网”的研究，能够促进其发展，进而实现我国能源可持续发展战略。

参 考 文 献

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