功率平滑用電池儲能系統的功率響應特性研究

郭 芳 鄧長虹 廖 毅 譚茂強

功率平滑用電池儲能系統的功率響應特性研究

郭 芳1,2鄧長虹2廖 毅1譚茂強1

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 廣東 廣州 510663 2. 武漢大學電氣工程學院 湖北 武漢 430072）

電池儲能系統（BESS）的功率響應速度問題，一直存在一定的爭議。有學者認為BESS的響應速度很快，主要取決于變流器的響應時間；也有學者認為BESS的響應速度偏慢，主要取決于蓄電池自身的響應時間，在需要快速響應的應用場合其調節效果較差。針對這個問題，本文通過研究蓄電池自身的運行特性，結合變流器的功率調節范圍，研究了BESS的功率響應特性。理論及仿真分析表明，BESS僅在大功率輸出時，顯示出功率響應無法快速跟隨需求的現象，其根本原因在于大電流輸出時蓄電池端電壓快速下降，限制了蓄電池本身及變流器輸出功率的能力。增加蓄電池組容量、減小蓄電池內阻以及提高電池本身的電壓維持能力、通過優化蓄電池組的成組方式提高蓄電池組的標稱電壓等，可有助于提高BESS提供大功率的能力，改善BESS的功率響應特性。

BESS 分布式電源 功率平滑 響應特性

1 引言

儲能技術由于能夠實現電能的時空平移而被認為是平滑分布式電源輸出功率波動的有效途徑，而儲能系統的功率響應特性則是影響功率平滑效果的關鍵因素。超級電容器儲能和超導儲能由于功率響應速度快，功率高[1-6]，被認為是用于功率快速調節的理想儲能元件。然而其儲能容量小，價格高，技術成熟度不高，大多處于實驗室階段。蓄電池儲能是目前應用最廣泛、技術最成熟、價格最低廉的儲能技術之一，且儲能容量大，在電力系統中有廣泛的應用空間[7,8]。其功率響應速度存在一定的爭議。有學者認為，蓄電池需要經過化學能到電能的轉換，功率響應速度較慢[3,4]，在功率平滑等需要功率快速響應的場合其調節效果不如超級電容器等儲能形式。也有學者認為，蓄電池本身的功率響應速度較快[8-11]（尤其是鋰電池），BESS的響應速度主要由變流器決定，因此采用BESS也可得到較好的功率平滑效果，而無需使用超級電容器等昂貴的儲能裝置。在這種情況下，BESS的應用將有可能顯著降低平滑分布式電源輸出功率波動的成本，對提高分布式電源接入系統的電能質量有重要意義。為明確BESS的功率響應速度，本文通過分析蓄電池自身的運行特性以及變流器的功率調節范圍，研究了BESS的功率響應特性及影響其快速提供功率的因素，分析了提高BESS快速提供功率能力的方法，并用仿真分析的方法驗證了各種配置下BESS的功率平滑效果。

2 BESS功率調節范圍分析

2.1功率平滑用BESS的結構及運行原理

BESS主要由蓄電池組、逆變器、濾波器、控制裝置和變壓器組成。功率平滑用BESS一般采用并聯方式接入電網，其典型電路結構如圖1所示，R表示變壓器電阻、線路電阻以及濾波器電感的內阻，L表示濾波電感、變壓器漏電感及線路電感。功率平滑時，BESS、分布式電源以及電網系統之間的潮流關系簡化電路如圖2所示。其中Pns-s+jQns-s表示從分布式電源流向公共連接點的功率，Pb-s+ jQb-s表示從儲能系統流向公共連接點的功率，Ps-sys+ jQs-sys表示從公共連接點流向系統側的功率，因此有如下關系:

圖1 BESS并聯接入電網結構圖Fig.1 The structure of BESS parallel with gird

圖2 并聯接入的儲能系統潮流關系簡化電路Fig.2 Simplified circuit of power flow

因此，控制BESS的輸出功率，即可控制公共連接點向系統側輸出的功率，實現不可控電源輸出功率的平滑控制。

2.2PCS的功率調節范圍分析

圖3所示是BESS接入系統的一相等值電路。其中R表示變壓器電阻、線路電阻以及濾波器電感的內阻，L表示濾波電感、變壓器漏電感及線路電感，Us為系統側電壓，Ut為蓄電池經逆變器后的等值電壓。由于R一般較小，可以忽略。因此，根據圖3，BESS與系統間的功率交換可表示為:

若用Us∠0代表矢量，則可用Ut∠-δ代表矢量U˙t，由此式（3）可以變為:

進一步推導可得BESS與系統交換的有功功率和無功功率分別為:

其中M為變流器的調制比，若采用SPWM方式，則MMAX=1，若采用空間矢量方式則MMAX=1.15，Ub代表直流母線電容兩端的電壓，即為蓄電池組的輸出電壓。

由式（5）可得:

可見，BESS與系統交換的有功功率其最大值與交流電網電壓幅值Us，直流母線電壓Ub成正比，而與濾波電感、變壓器漏電感及線路電感的總和成反比。這說明在直流母線電壓一定的情況下，濾波電感L越小，變壓器漏電感越小，BESS 能與系統交換的有功功率越大；在濾波電感及變壓器漏電感一定的情況下，直流母線電壓越高，BESS 能與系統交換的有功功率越大。

圖3 電池儲能系統并聯接入一相等值電路Fig.3 Equal value circuit of one phase

圖4 BESS與系統功率交換的范圍Fig.4 The range of power exchange between BESS and system

2.3蓄電池運行特性分析

由蓄電池的通用等效電路模型可知，蓄電池的空載電壓Eb可表示為[12]:

式中，E0是蓄電池的恒定電壓；K是極化電壓；Q是蓄電池的容量（Ah）；A是指數區域幅值；B是指數區域時間常數的倒數。該模型的參數均是通過蓄電池的放電特性曲線計算得到的。ib表示充放電電流，ib為正表示放電，為負表示充電。蓄電池的輸出電壓為:

從式（9）可見，充電時，蓄電池開路電壓Eb增加，放電時，開路電壓Eb降低。結合式（10）可見，蓄電池的充電電流越大，其輸出電壓越高，即式（8）中Ub越大；相反，蓄電池的放電電流越大，其輸出電壓越低，即式（8）中Ub越小。由此可見，受端電壓降低的影響，蓄電池大功率放電的能力有限。

3 影響BESS功率響應特性的因素分析

BESS的功率響應特性主要由蓄電池自身特性及變流器特性決定。由上述分析可知，當濾波電感及變壓器漏電感一定時，變流器直流母線電壓越高，變流器與系統交換有功功率的能力越強。而蓄電池自身在放電過程中，放電電流越大，蓄電池端電壓越低，制約了蓄電池自身提供功率的能力。結合以上兩點可見，直流側電壓即蓄電池端電壓降低，是造成BESS無法快速響應大功率需求的主要原因，在功率需求較小時，BESS可快速響應系統功率需求。

為確保BESS在大功率需求下的響應速度，應盡量提高直流側電壓，提高BESS的功率交換能力。由式（9）、（10）可見，提高電池容量、降低電池內電阻、調節電池的參數特性（如式（9）中的K、A、B等參數），提高電池的電壓維持能力等，都是提高直流側電壓的有效辦法。

對于成組電池，由于每個單體電池提供的電流及其端電壓都與電池的成組方式無關，當電池組輸出功率一定時，電池組的串聯組數越大，輸出電壓越高。因此，盡可能增加電池的串聯組數，可提高變流器直流側電壓，從而提高BESS的功率交換能力，擴大BESS快速響應的功率范圍。

4 仿真算例分析

圖5所示是簡單海島微電網的電路結構，用以仿真分析蓄電池的特性、容量及成組方式對功率平滑用BESS輸出功率特性的影響。仿真中設定風速及光照強度以及風力發電系統與光伏系統的輸出功率隨時間的變化情況如圖6所示?？梢?，隨著風光資源曲線的實時變化，風機和光伏系統的輸出功率波動較大。本算例中BESS的控制目標即為隨著風光系統的隨機波動，實時調節自身輸出功率，以保證風光儲聯合系統按照計劃要求以恒功率320kW發電。倘若BESS的功率響應時間過長，將難以達到實時調節、快速補償或吸收功率的目的，從而實現風光儲聯合系統的穩定輸出。仿真中，均不考慮大電流充放電對電池壽命的影響，對電池充放電倍率及端電壓幅值不做限制，電池組初始SOC設定為80%。

圖5 微電網結構Fig.5 Structure of micro-grid

圖6 風光資源曲線及風光電站發出的有功功率Fig.6 Resources curves and output power of PV and wind stations

4.1蓄電池類型對BESSS快速響應大功率能力的影響

不同類型以及不同型號的電池，其特性上都有一定的差異。本算例主要針對典型的鋰離子電池和鉛酸電池，仿真比較分析電池特性對BESS大功率響應能力的影響。圖7給出了相同的風光輸出下，功率平滑用BESS的輸出功率指令值、兩種電池儲能系統輸出功率實際值、風光儲聯合發電系統實際輸出功率及電池組狀態曲線，其中BESS提供的功率為正表示放電，為負表示充電。比較兩圖可發現，當BESS需要的功率較大時，鉛酸電池的輸出電壓隨著輸出電流的增加下降較快，限制了鉛酸電池響應大功率的能力。因此，當需求功率大于鉛酸電池組能提供的最大功率時，由鉛酸電池組成的BESS將以最大功率輸出，表現出無法及時響應系統的功率需求。當需求功率在BESS功率范圍以內時，BESS能快速響應系統的需求，維持風光儲聯合系統輸出320kW的恒定功率。鋰離子電池由于有較強的電壓維持能力，當需求功率增加時，鋰離子電池組的輸出電壓隨輸出電流的增加下降相對較慢，仍能維持較高的電壓水平，提供較大的輸出功率。因此，對于本算例中的功率需求，50Ah×768V的鋰離子電池組表現出較好的響應速度，可始終維持風光儲聯合系統以320kW的恒定功率輸出。

圖7 50Ah×768V電池組的調節效果及電池組狀態Fig.7 Adjust effects and battery status of 50Ah×768V battery pack

4.2電池容量對BESS快速響應大功率能力的影響

假設兩組容量不同的電池組標稱電壓相同，當兩組電池提供的總功率相同時，總容量小的電池組單體電池需提供的電流較大，造成單體電池的端電壓下降較快。因此電池組容量越低，BESS響應大功率的能力越差。圖8給出了15Ah×768V鋰離子電池的調節效果及鋰離子電池組的狀態。可見，在5.9s時刻，需求功率大幅增加，電池組輸出電壓急劇下降，無法提供更大的輸出功率。在5.9-8.7s時刻內，BESS均以最大功率輸出，直到需求功率降低至BESS功率調節范圍以內。而容量為50Ah標稱電壓為768V的鋰離子電池組則表現出較好的響應速度，可始終維持風光儲聯合系統以320kW的恒定功率輸出，如圖7（a）所示。

圖8 15Ah×768V鋰離子電池組的調節效果及電池組狀態Fig.8 Adjust effects and battery status of 15Ah × 768V Lithium-ion battery pack

圖9 20Ah×576V鋰離子電池組的調節效果及電池組狀態Fig.9 Adjust effects and battery status of 20Ah×576V Lithium-ion battery pack

4.3成組方式（或標稱電壓）對BESS快速響應大功率能力的影響

由上述第2節的分析可知，對于相同容量的電池組，盡量提高串聯組數，可提高BESS的大功率響應能力。為此，本節分別針對15Ah×768V及20Ah×576V兩種鋰離子電池組進行了仿真分析，15Ah×768V的電池組具有較大的串聯組數和較小的并聯組數。圖9給出了20Ah×576V鋰離子電池組的仿真結果。與15Ah×768V鋰離子電池組的仿真結果（圖8）比較可見，20Ah×576V的電池組由于電壓水平較低，比15Ah×768V電池組提供功率的能力更弱，無法響應功率需求的時間更長，風光儲聯合系統實際輸出功率與預定的320kW偏差更大。由此說明，提高串聯組數，對提高BESS的大功率響應能力是有益的。但在配置過程中，應注意BESS直流側電壓的許可范圍，不可盲目增大串聯組數，導致電池組充電過程中電壓上升而超出允許范圍。

5 結論

本文通過研究蓄電池自身的運行特性及變流器的功率調節范圍，發現大電流放電時蓄電池端電壓降低，是限制蓄電池及變流器輸出功率能力的主要因素，進而影響BESS的功率響應特性。因此，在功率需求較小時，BESS能快速響應系統需求，表現出良好的功率平滑效果，在功率需求較大時，BESS由于受到功率輸出的限制，無法快速響應系統的功率需求，功率平滑效果較差。提高蓄電池組的端電壓是改善BESS功率響應特性的有效途徑。而提高蓄電池容量、改善蓄電池特性以及通過優化成組方式提高蓄電池組標稱電壓等，均可提高大電流放電下蓄電池組的端電壓，從而改善BESS功率響應特性。

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Research on the Response Characteristics of BESS Used in Power Smoothing

Guo Fang1,2 Deng Chang-hong2 Liao Yi1 Tan Mao-qiang1
（1. Guangdong Electric Power Design Institute Co, Ltd. of China Energy Engineering Group, Guang zhou 510663, P.R.China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P.R.China）

The power response speed of battery energy storage system (BESS) there has been some controversy. Some scholars think that the response time of BESS mainly depends on the converter. The response is quickly. But some scholars think that the response time of BESS mainly depends on the battery itself. The response is slow. Aiming at this problem, BESS power response characteristics are studied in this article through studying the operation characteristic f the battery itself and the converter power regulation scope. Theory and simulation analysis show that the power response may cannot follow the demand quickly only when the output power of BESS is high. This is because the terminal voltage of battery will falling fast when the output current is high. This limits the battery and inverter output power ability. Increase the battery capacity, reduce the battery internal resistance and increase the voltage maintain ability of the battery, improvement of the nominal voltage of the battery through optimization the group way, etc., can improve the power response characteristics of BESS, and increase the ability of provide high power.

BESS, distributed power, power smoothing, response characteristics

TM64

郭 芳 女，1983年生，博士，研究方向為微電網、儲能技術等。

2014-09-10

鄧長虹 女，1963年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為大電網安全穩定分析及控制、新能源接入及電網智能控制、優化控制理論及電網規劃等。