微電網儲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，河南 鄭州 450011；2.許繼集團許繼電氣智能電網研究中心，河南 許昌 461002）

微電網儲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，河南 鄭州 450011；2.許繼集團許繼電氣智能電網研究中心，河南 許昌 461002）

針對主要儲能技術的特性，對鉛酸電池、超級電容器和鋰電池的充放電特性進行了實驗分析，提出了適用于微電網的儲能方式：超級電容器與鉛酸蓄電池、鋰離子電池混合應用。隨著儲能技術朝儲能方式混合化、環境友好方向發展，微電網與混合儲能技術的有機結合將大大提高系統的能源利用率和經濟性，提高系統效率及穩定性。

微電網；充放電性能；超級電容器；鋰離子電池；鉛酸蓄電池

微電網對儲能裝置的性能特點具有較為獨特的要求，概括起來包括：能量密度大，能夠以較小的體積和質量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統功率突變時所需的補償功率，具有較快的響應速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應一些特殊環境；以及環境友好等。微電網可利用的儲能裝置主要包括蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能等[1]。

在微電網系統中，現階段由于技術和成本的原因，鉛酸蓄電池的優勢還比較明顯，但是從長遠考慮，隨著超級電容、鋰電池等價格的下降、技術的成熟和環保要求的逐漸提高，將會在微電網中得到更加廣泛的運用。抽水儲能、壓縮空氣儲能要受到外部條件的限制，需要特殊的地理條件和場地，無法滿足微電網并、離網轉換及正常運行時實時控制的動態需求；電磁儲能、鈉硫電池、液流電池技術尚不成熟，還沒有進入大規模商用階段。因此本文選用了鉛酸電池、超級電容器和鋰電池作為研究對象，研究儲能裝置充放電特性，揭示電池的電化學特性，研究如何選擇合適的儲能裝置。

1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池因為其價格低廉、大電流放電及環境溫度范圍大等優點，在化學電源中一直占有絕對優勢。

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，見圖1。在一定的環境溫度下(圖1中為25℃)，隨放電電流的不同,具有不同的放電曲線。由放電曲線可以看出如下特性：

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

（2）放電的初始階段：放電初始階段的端電壓從充電狀態轉變為放電狀態的瞬間，極板附近的電荷快速釋放出來，部分電荷復合以后，離極板較遠的電荷需要逐漸運送到極板附近才能釋放出來。

圖1 鉛酸電池放電特性曲線

（3）終止電壓：電池的容量是有限的，隨著放電時間的延長，電池端電壓最終將出現下降的拐點，稱為安全工作時的終止電壓點；拐點之后的曲線具有電壓急劇下降的趨勢，直到放電曲線的終點，稱為最小終止電壓，它表示放電電壓低于此曲線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也是在25℃溫度下測量和標度的（6.75 V恒壓充電），見圖2。充電曲線通常有3條：

（1）充電電流曲線：在充電開始階段，充電電流是一個恒定值，隨著氫離子和水損失，電池的儲能能力下降，電池容量恢復，充電電流逐漸下降，電池基本充滿后，轉入浮充電狀態。

（2）充電電壓曲線：在恒流充電階段，電池的電壓上升幅度較快，稱為升壓充電；當恒流充電結束時，電池的電壓基本保持不變，稱為恒壓充電；在恒壓充電階段，電池的電流逐漸減小，并最終趨于0；結束恒壓充電階段，轉入浮充電，以保持電池的儲能，防止電池的自放電。

（3）充電容量曲線：在恒流充電階段，電池的容量基本呈線性增長；在恒壓充電階段，容量增長的速度減慢；恒壓充電結束后，容量基本恢復到100%；轉入浮充電后，容量不再明顯增長。

圖2 鉛酸電池充電特性曲線

蓄電池的容量減少到規定值以前，蓄電池的充放電循環次數稱為循環壽命。在正常維護條件下，蓄電池浮充供電的時間，稱為浮充壽命。通常免維護鉛酸蓄電池的浮充壽命可達10年以上。鉛酸蓄電池充電通常要完成兩個任務：首先是盡可能快地使電池恢復額定容量，另一個任務是用涓流充電補充電池因自放電而損失的電量，以維持電池的額定容量。

2 超級電容器

超級電容器采用電化學雙電層原理構成雙電層電容器，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能裝置。超級電容器充放電過程中的容量狀態有其自身的特點。超級電容器受充放電電流、溫度、充放電循環次數等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。

2.1 超級電容器的充電特性

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單，但在電阻上的損失功率比較大。超級電容器一般采用恒流限壓充電的方法，固定電流充電，跟鋰電池的充電類似，但充電電流可以大得多。

圖3是2個2.3 V 2 000 F串聯超級電容器的充電特性曲線，實際容量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。充電過程采用恒流充電結束后轉入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。采用這種充電方法的優點是：第一階段采用較大電流以節省充電時間，后期采用恒壓充電，可在充電結束前達到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級電容器內部高溫而影響超級電容器的容量特性。

圖3 超級電容器充電特性曲線

2.2 超級電容器的放電特性

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

圖4 超級電容器放電特性曲線

超級電容器儲能過程中發生的電化學反應是可逆的，因此超級電容器反復充放電可以達到數十萬次，具有使用壽命長、充放電限制少、功率密度大的特點。快速大電流充放電適用于短時間高功率輸出，由于超級電容器組可深度放電，其工作電壓可以設定在較低范圍。鑒于其優良特性，超級電容器非常適合在多種系統中應用。

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恒壓充電模式，充電開始為恒流階段，電池的電壓上升較快；電壓逐漸上升到4.2 V，此時轉入恒壓充電，電壓波動應控制在1%以內，充電電流逐漸減小。當電流下降到某一范圍，進入涓流充電階段。涓流充電指充電器以某一充電速率給電池繼續補充電荷，最后使電池處于充足狀態[2]。鋰離子電池的充電曲線如圖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。由圖6可看出，不管哪一種放電率，其放電過程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時，曲線才向下彎曲。在0.5～10的放電率范圍內，輸出電壓大部分在2.7～3.2 V范圍內變化。這說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

圖6 磷酸鐵鋰電池的放電特性

4 結論

本文對鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和超級電容器的充放電特性進行了分析。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程中電壓變化平坦，有很好的充放電特性。

微電網儲能系統正常工作時由鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、電網等提供電流，這個額定電流由電力系統的特性決定，同時通過充電電路向超級電容器充電。微電網并、離網轉換或在負載突然增大時，需要的電流是額定電流的幾倍。而對于電池來講，突然提供一個很大的電流將會使電池電壓迅速降低，從而使微電網的性能不能達到正常水平。這個突然增加的電流可以由超級電容器提供。這樣，電池兩端的電壓和電池流出的電流變化都會大大減小，不僅對改善微電網的性能有很大幫助，對于電池壽命的影響也會大大減小。所以在以鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池作為儲能裝置的微電網中，配合超級電容器使用應該是不錯的選擇。至于選擇的容量，需要根據微電網所在系統的功率來計算，以保證負荷與電源之間動態的功率平衡和系統供電質量為目標。

[1]程紅麗，王立，劉建，等.電容儲能的自動化終端備用開關電源設計[J].電力系統保護與控制，2009，37(22)：116-120.

[2]徐進.鋰電池充放電特性分析和測試[J].中國西部科技，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，主要研究方向為電力系統及其自動化、微電網。