基于锂电池的电氢混合储能系统研究*

曹梓泉, 李雅欣, 马凌怡, 刘海涛, 李建林

[1.储能技术工程研究中心(北方工业大学), 北京 100144;2.南京工程学院 智能电网产业技术研究院, 江苏 南京 211167]

0 引 言

新能源发电设备总体都为电流源型。因为电流源型特性,新能源发电设备对电力系统电压的主动支撑能力较弱,使得系统的电压稳定成为其主要问题;当存在大量新能源同时并网时,常规的一些可调电源所占比例就会不断降低,新能源所具有的间歇性和波动性满足不了源随荷动的调节要求,从而使得电力系统调节电源存在较大缺口;新能源发电设备基本为电力电子变换器,具有无转动惯量、低阻尼等特点。电力系统在功率波动时,频率的幅度变化和变化率逐渐增大,振荡风险也加大。在保证经济发展的前提下,科学地实现“碳达峰”和“碳中和”是战略性以及全局性的考虑。在化石能源使用量方面适当减少,提高能源的应用效能和利用率,着重考虑能源替代或使其相辅相成,构建一个以新能源为主体,多种能源共同参与的新型电力系统。混合储能系统可以对能量进行存储和释放,可以用于解决系统能量瞬时性等问题,也可以改善可再生能源出力的波动性,可以提高电网稳定性,对系统频率进行适当调节。

1 建模现状

1.1 锂电池

为准确地描述锂电池的电气特性,建立其模型。该模型结构上较为简单,但可以较好地展示锂电池的非线性特性,保证锂电池的电化学、浓差极化以及内阻特性,符合锂电池在实际状况中的反应[1]。二阶RC等效电路模型如图1所示。

图1 二阶RC等效电路模型

在图1中,规定充电为正,放电为负。其中UT为电池的端电压;电池的模型参数(即UOCV)与电池的SOC之间存在函数关系,表示电路的开路电压;I为流经电池的电流。R0代表电池的欧姆内阻;R1为电化学极化内阻;R2为浓差极化的内阻;C1为电化学极化电容,C2为浓差极化的电容。根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律可得(即KVL和KCL定律):

(1)

(2)

(3)

Uocv+R0I(t)+U1(t)+U2(t)=UT(t)

(4)

式中:C——电池当前的容量;

U1——R1、C1两端的电压;

U2——R2、C2两端的电压;

η——充放电的效率。

令τ1=R1C1,τ2=R2C2,随时间变化的电池端电压表达式为

(5)

由于考虑到电池输出特性会随着温度、充放电次数和随着使用时间增长逐渐减小的容量等因素的影响,所以该模型参数较为复杂,但精度很高。采用拟合法可以得到UOCV与SOC的函数关系,并采用扩展卡尔曼滤波法来估算电池SOC[2]。

1.2 车用磷酸铁锂电池

为获取模型参数,分析模型的精度是否足够,可依据FUDS进行HPPC试验。对车用磷酸铁锂电池模型进行分析,为保证所建的PNGV模型精度较高,选择用单体电池模块建模,该模型内阻与电池直流内阻相符合,有着十分明确的物理意义[3]。

1.3 燃料电池

燃料电池输出电压来自3个方面的损耗,可用公式表示为[4]

UCELL=ENernst+ηact+ηobmic+ηconc

(6)

式中:UCELL——燃料电池的单体工作电压;

ENernst——燃料电池的热力学预测电压;

ηact——燃料电池的活化损耗;

ηobmic——燃料电池的欧姆损耗;

ηconc——燃料电池的浓度损耗。

以上3种损耗均为负值。能斯特方程能表示热力学平衡的系统中的热力学势。在非标准状态下,电池的氢、氧的总反应可用以下能斯特方程表示[5]。

(7)

式中:E0——在标况下的可逆电压;

F——法拉第常数(96 485 C/mol);

T——温度;

R——通用气体常数;

n——迁移电子摩尔数。

为使电流的密度增大,可通过减小活化电势来降低活化能,从而加快还原反应的速率,降低反应物参与反应的难度[6]。活化损耗主要出现在低电流的区域内,该损耗由反应动力学引起。总结现有模型就能较好地建立活化损耗表达式[7]:

(8)

(9)

(10)

(11)

其中,ξ3=7.6·×10-5,ξ4=-1.93×10-4,ξ1=-0.948。

式中:i——电流密度;

A——电池有效面积;

在燃料电池的反应过程中,燃料由阳极进入,经过催化作用,使原子分解为质子和电子,电子和离子两类电荷从电池的阳极运动转移到电池的阴极。单燃料电池等效电路模型如图2所示。

图2 单燃料电池等效电路模型

欧姆损耗是由电荷转移所导致的电压损耗,主要是由离子转移所造成的[8]。而离子的转移难度比电子的转移难度更为严苛,是由于在离子传导的过程中,质子膜对离子存在阻力作用,这个阻力在欧姆损耗的电压中占比最大。

2 锂电池建模优点

锂电池储能系统是典型的能量型储能方式。为保证和维持系统功率的平衡和稳定,通过作为系统平衡节点或通过PQ和U/f两种控制运行方式,指定功率对其进行充放电[9]。考虑技术层面上的可行程度,以及经济性和可靠性等一系列因素,决定使用单极式控制结构。为了发挥出锂电池的优点,该系统通过保证系统稳定和保证系统充沛的能量需求,单极控制结构由双向DC/AC变流器所构成[10]。当系统的主电源为锂电池系统时,为得到稳定的电压频率,同时保证交流电压稳定,应采用U/f控制[11]。锂电池储能系统PQ控制方式原理图如图3所示。当系统参与功率调节时,若忽略无功控制的影响,无功功率指令保持为零不变,控制器对无功功率和有功功率的指令进行同步实时跟踪。

图3 锂电池储能系统PQ控制方式原理图

该模型具有良好的动态特性和稳定特性[12],能够获得模型运行过程中的细节参数。

3 仿真现状

3.1 锂电池等效电路模型

将电池模型进行适当的描述和简化可以更为简单地研究电池的动静态特性[13],分类上有以下两种模型:等效电路模型以及电化学模型。电路模型按其本质可以分为归纳模型和原理模型。归纳模型是对现有的模型进行归纳和递推,原理模型是在理想条件下由系统的特性和规律概念来描述系统。等效电路模型是通过电网来反映电路的工作特性,属于归纳模型,对模拟和检验系统的动态特性有着较为简单和方便的特点。常见等效模型主要有以下4种。

3.1.1 理想模型

理想模型由一个固定阻值的电阻和一个恒压的电压源串联而成,是最简单的模型,因其没有考虑荷电状态等因素的影响,该模型具有较大局限[14]。

3.1.2 一阶阻容模型

一阶阻容模型在理想模型的基础上改变而来,加入了电池内阻、电容等进行串联,更为接近真实电路但仍有着相同的问题,参数仍为定值,没有考虑充放电所带来的影响,同样具有一定的局限性[15]。

3.1.3 四阶动态模型

四阶动态模型考虑因素较为全面和充分,同时模型的阶数过高导致了在参数计算上有着较大难度,故应用范围受到了极大的限制[16]。四阶动态模型分为主分支电路和辅分支电路两部分。主分支电路用于描述和反映电池内部的反应和现象等;辅分支电路用于模拟电池水解和自放电。

3.1.4 通用等效电路模型

通用等效电路模型电路结构上虽然较为简单,仅由受控源和内阻进行串联,但该模型考虑电池内部的非线性特点,荷电状态是通用等效电路模型的唯一状态变量,因此在参数计算上较为简单方便,电路参数也更容易获取,普适性较强[17]。

电化学模型属于原理性模型,可以全面地反映电池的特性、规律、性能等,由于其模型参数复杂,计算难度较大,且与电池本身参数有关,对研究过程有着较为苛刻的制约条件[18]。

以上电池模型具有差异性,并非越复杂越精确就是最好的模型。尽管复杂模型会更为贴切现实实际情况,但其参数会极为复杂。要选择匹配实际需求,符合客观条件的模型,应当选择满足当下条件的可适用模型,再追求模型的精度。通用等效模型作为普适性较强的电路,在保证拥有相对简单的电路结构,同时考虑非线性部分增加了模型的真实程度[19],可通用于其他电池,拟合程度较高。锂电池通用等效模型电路结构如图4所示。

图4 锂电池通用等效模型电路结构

受控源的内部参数通过放电特性曲线计算获得,通过测量计算获得常值内阻。其电池内部电势即受控电压源E的计算式为

(12)

式中:Elb——空载电压;

E0_lb——额定电压;

K——极化电压;

Qlb——容量;

ilb——电流;

A、B——指数区域幅值,指数区域时间常数的导数。

在锂电池储能系统中,储能元件通常使用串并联多个单体锂电池组成通,其元件的内阻Rin_lb计算式为

Rin_lb=R1_lb·Ns_lb/Np_lb

(13)

式中:R1_lb——锂电池单体内阻;

Ns_lb、Np_lb——元件内阻。

3.2 锂电池系统暂态仿真模型

采用通用等效电路模型进行暂态仿真,采用PSCAD/EMTDC软件进行仿真,建立了锂电池组通用等效模型电路[20]和锂电池储能系统整体模型[21]。

3.3 电热混合储能建模

电热混合储能系统结构图[22]如图5所示。

图5 电热混合储能结构图

电热混合储能系统的能量灵活耦合[23]和能量互补是关键,在电热混合储能系统建模中,能量转换和输出等环节都是通过矩阵来进行描述的[24-27]。

3.3.1 充能过程

(14)

式中:PEH.H——制氢功率;

PETSS.T.in——热网输入功率;

PET.T——制热功率与热网输入热功率之和;

PETSS.E.in——电力输入功率;

β——电能分配系数,显示充电状态下分配给电转氢单元电能量;

ηEH——电转气的能源转化效率;

ηEB——电转氢转化效率。

3.3.2 放能过程

(15)

式中:PETSS.E.out——电力输出功率;

PETSS.T.out——热力输出功率;

ηMT.E——氢转电效率;

ηMT.T——氢转热的效率;

PHS——储氢释放的功率;

PTS——储热释放的功率。

将电热混合储能系统看作虚拟储能,对热网和电网有不同的特性[28],电热混合储能拥有充能和放能的两种状态,在其特性上又可以近似为一个两输入两输出系统,特性如下:

PETSS.E=PETSS.E.out-PETSS.E.in

PETSS.T=PETSS.T.out-PETSS.T.in

(16)

式中:PETSS.E——不同充放电状态;

PETSS.T——对热网的不同状态。

当PETSS.E为正数时,表示电力网络为放电状态,PETSS.E为负数时表示电力网络为充电状态;同理,PETSS.T为正数时,对热网放热,PETSS.T为负数时,对热网储热。

4 结 语

通过以上论证,将容量型储能和功率型储能进行结合,使其特性互补,得到的混合储能系统,可以做到同时满足多种情况下的不同应用模式的需求。由此可见混合储能系统对于优化电网调峰以及减少电网负担,起到了正向的作用。

随着日益增长的供电需求同供需关系随时间分配不平衡,不均匀的影响,对于单一储能系统很难保证全时段的平稳运行,同时也不能减轻电网负担并很好的实施调峰工作,因此本文总结以下结论:

(1)到目前为止,储能系统的发展仍存在一些或多或少的问题和困难。在政策方面,大部分政策仍着力于宏观方面,对于如何实现,如何运营以及相关储能行业的经济补贴和经济政策还有所欠缺。针对此状况,可针对当地的发电情况和用电需求对电价进行特殊化制定,使峰谷电价差加大,即可养成节约用电的意识又能使经济效益扩大。

(2)储能行业的主要商业情况就目前来说,不同地区大体一致略有不同,其盈利中大部分都来自于峰谷电价套利。该盈利模式较为单一,利润也相对较低,抗风险能力弱,对峰谷电价依赖性较强。应着力于开创新的盈利模式和盈利方向,因地制宜发挥各地区的优势,合理规划混合储能的发展,如本文所提到的电热混合储能系统等,多种储能方式共同作用,减小了电网负担的同时,压缩经济成本,采用创新高效的方法消纳可再生能源,减少弃电率。

(3)储能行业的材料资源问题仍然突出。有些重要材料甚至严重依赖于国外进口,使其成为阻碍储能行业发展的潜在问题和重要隐患。因此储能相关的生产制造行业应着力发展储能相关技术的研发,保证供应链和产业链的安全稳定,以及降低对配套设施进行保养和维护所需成本,最大程度上增加设备寿命,减少换新成本等问题,为储能行业带来更多的新鲜资金注入。