用戶側電池儲能系統仿真和檢測的研究與展望

任禹同

摘要：隨著儲能電站的大規模建設，儲能系統不斷地應用到工程現場中，用戶側電池儲能系統的電氣性能測試的需求不斷加強。本文首先從近幾年國內外電池儲能技術的發展成果入手，介紹了用戶側電池儲能的典型應用和示范工程，并且整理了仿真和檢測的國內外標準和規范，并且重點對用戶側電池儲能系統仿真測試平臺搭建的過程中所涉及的成組電池建模仿真問題、系統控制策略，系統檢測方案等關鍵環節進行了論述，最后對未來電池儲能的安全問題、優化管理和電力系統運行模式等進行了探討和展望。

關鍵詞：電池儲能系統;控制策略;等效電路模型;檢測方案

0 ?引言

隨著可再生能源的大量接入和快速發展，電力系統的運行和規劃面臨著前所未有的挑戰。如何實現電網供需平衡、電力清潔和電網安全是電力系統專家學者所面對的共同課題。儲能技術作為實現這一目標最重要的技術，被麥肯錫公司視為未來經濟的十二大顛覆技術之一[1]。

電力系統對于儲能系統功能新要求不斷提高與深化，其控制系統和控制算法也在不斷豐富發展，提出了許多基儲能系統的主動配網能量控制方案，完成調頻、無功治理、電壓支撐、旋轉備用、黑啟動等功能，與以往分布式發電設備功能相比，對儲能系統特性提出了很多新的要求[2-3]，如何檢測這些功能的效果也成了需深入研究，為了便于研究配備新功能的儲能系統的檢測方案，有必要對儲能系統提供輔助服務方面的功能進行理論研究。

縱觀電池儲能大發展歷程，電池儲能系統在新能源發發電以及電網運行控制中已受到國內外電力行業的高度重視。深入探索用戶儲能系統的功能機特性，有助于進一步探索電池儲能系統的控制與保護，同時，隨著電池儲能系統的大規模發展，儲能系統的性能檢測的研究與完善，也對我國儲能技術、新能源推廣以及電網大規模調控等應用酷游重要的戰略意義。

1 ?電池儲能發展現狀

電池儲能作為電能存儲的重要方式，具有可根據需要靈活配置功率及能量、響應速度較快、不受自然資源因素制約等特性，這使得電池儲能在新能源并網、電網輔助運行等方面具有不可替代的優勢。

表1為列舉了近些年典型的國內外你建設的電池儲能。從表1中可以看出，在實際工程應用當中，鋰離子、液流等電池均可作為電池儲能系統的組成單元。它們因其不同的性能具有不同的應用場景。

總管國內外的電力行業，電力儲能系統在新能源發電以及電網運行控制均十分重視。規模化、集中化、分布式以及移動式的集成或應用模式將是電池儲能系統未來的發展方向，對于儲能系統的多目標、多層次的運行控制與智能化管理研究具有重要意義。

2 ?用戶側儲能系統的研究熱點

2.1 儲能電池組模型

電池儲能過程是復雜的電化學反應，如何準確描述電池儲能系統的狀態成為了建模重點。常用的電池模型主要有四種類型：電化學模型、熱模型、耦合模型和性能模型。

其中，等效電路模型因其數學描述簡單、物理意義明確而在電池建模中受到廣泛應用。它通過電阻、電容、恒壓源等電路元件組成的電路網絡來模擬電池的動態特性，與其他性能模型相比，它有以下優點：

（1）輸出解析數學方程;（2）可實現模型參數的辨識實驗;（3）完整SOC（0～1）范圍建模;（4）可考慮多模型維影響因素。等效電路模型有多種形式，由于單體電池數量龐大，將電池系統共分為12組，每組由216節360AH的鋰電池單體串聯組成，所搭建RTDS模型無法對BMS的單體電池信息采集和單體電池間的電量均衡進行試驗[4]，因此這種基于整體的建模方法具有一定的缺陷，而且會隨著電池組的老化越來越嚴重。選擇磷酸鐵鋰電池作為研究對象，對其OCV-SOC特性進行測試，并基于測試結果對鋰電池組進行戴維南等效電路模型建模，最后通過仿真驗證模型的準確性[5]，其建模方案完整詳細，具有一定的指導意義。

基于單體儲能電池的戴維南等效電路仿真模型，可以利用組合建模法、整體建模法和抽樣建模法對儲能電池包進行建模，并對比分析各建模法的精度。研究單體參數如內阻、容量、SOC等差異對串并聯電池性能的影響;研究電池不一致性及參數分布對串聯電池組能量利用率的影響。在Matlab/Simulink中對整個電池包系統模型進行搭建，研究電池包工作特征對儲能電池整體性能影響，研究模型的正確性和精度。還可以進一步研究儲能電池包健康度模型，分析儲能電池包健康度深度評估方法。

2.2 儲能系統的控制策略和實時仿真

電池系統、功率轉換系統、電池管理系統、監控系統做成了電池儲能系統，如圖2所示。為降低并優化可再生能源間歇性對電網帶來的影響，儲能系統與分布式電源形成的主動配電網具備調節功率的能力，降低了電網的負荷峰谷差。

并網、離網是儲能系統在只能電網中的典型運行模式：在并網模式下，儲能系統根據接受的有功無功指令，按照PQ控制策略實現有功、無功控制。在離網模式下，儲能系統在主動配電網中一般做主電源運行，采取定電壓和定頻率控制策略（V/F控制），維持電壓和頻率的穩定。

圖3為在微電網儲能運行模式下，恒功率控制儲能系統策略，各功率轉換系統均采用如圖4所示的結構，對電池儲能單元進行充/放電管理，需在充分考慮能量管理策略，微電網的能量管理單元接受功率參考指令，來控制儲能系統主控制器。

離網運行分為計劃孤島和非計劃孤島兩種方式：對于非計劃孤島，其要求與分布式電源的要求一致，在2s內停止向電網供電。但對于計劃孤島，儲能系統的主要作用之一就是當電網出現故障時，對一定范圍內的緊急負載供電。

對于計劃孤島，需要對這部分性能進行詳細要求，比如離網運行的范圍、設計離網運行時對載流方向的論證、切入離網運行時的條件判定、離網運行時的有功/無功功率要求、離網運行時對其它聯網設備的影響、繼電保護設備的配合等。并網到離網切換是在電網計劃性停電或電網突發性故障時要求儲能系統不掉電，繼續給負載供電。離網到并網切換是在變流器恢復并網時要保持和電網電壓幅值、頻率和相位一致，以避免出現電流沖擊。

2.3儲能系統性能測試方案

有針對性制定完整的電池儲能系統測試方案是難點所在。電化學儲能系統主要包括電池系統、BMS系統和儲能變流器系統。其中電池系統存在容量校準難、單體間不均衡、衰減快等問題，因此儲能電池的性能檢測和SOH評估（評估電池健康度）需求將越來越強。儲能變流器系統作為儲能電池與電網間的雙向交換樞紐，是能量流和信息流的接口，其性能特性將影響電網穩定和運營可靠性，儲能變流器的性能檢測是儲能系統檢測重點。考慮到鐵鋰儲能系統的循環壽命一般都是基于實驗室的數據，而實際中儲能系統普遍達不到設計的充放次數，整體系統效率也并未達到預期的目標，有必要對其進行全壽命周期的測試，來檢測和評估儲能系統在全生命周期內的持續表現。測試方案大致分為后臺監控系統測試、PCS控制及保護功能測試、電池儲能系統動態特性測試等及部分。

后臺監控系統測試分為兩部分。一是通過后臺監控系統的信息及狀態采集監視功能的測試，確認后臺監控與儲能系統的通訊以及是否能正確執行測試命令;二是驗證在整改測試過程中，各個功能是否可以實現。

儲能變流器（以下簡稱PCS）是電池儲能系統的核心。因此PCS控制及保護功能是測試的核心。預計總共分6次進行檢測：首檢、末檢和4次期間檢。每次檢測都要分別針對PCS、儲能電池組的3個模組、儲能系統（PCS+儲能電池組）三個對象進行檢測，此外，首檢和末檢還要包括對8節單體電池的檢測。中間的循環充放電過程按照0.5C進行充放電，充放電深度為70%，每充放電一次（包括充放電后的靜置時間）的時間約為4h，每天約完成6次充放電。所設置的中間間隔的循環次數不斷縮短，以便更清晰地觀測到儲能系統全壽命檢測實驗后期的性能變化情況。

電池系統動態特性就是驗證在外界條件變化時儲能系統的動態響應。

3 探討與展望

未來隨著清潔能源發電成本以及電池的成本下降，使得用戶儲能進入電力市場的絆腳石正逐步瓦解，在此背景下，發展用戶儲能已然大勢所趨，所以伴隨著電池儲能系統發展與應用會引發新的難點和課題來進行研究和攻克，本文簡要闡述需從以下幾個方面重點開展研究：

（1）電池安全問題應時刻被放在第一位，無論儲能電池的設計、集成、運維等環節，都可能存在電池燃燒、泄露、變形等安全隱患，應在電池隱患預警預測技術方面開展研究，設計具有充分可靠性的監測技術及方案，避免安全事故或電氣火災發生;

（2）隨著電池行業的不斷發展擴大，不同廠家、不同容量、不同類型以及不同使用階段的儲能單元的檢測其性能情況、充放電能力、健康狀態，是存在的另一個新的研究方向，研究具有強兼容性的檢測方案及平臺，來解決電池優化管理的難題;

（3）當用戶儲能達到一定規模后，將成為電網互動調控不可忽略的組成部分，但伴隨著大量的儲能系統的接入和退出，電池儲能系統與電網穩定運行協調控制是一個新的難點，研究基于大規模儲能接入的電力系統穩定能力提升技術是一個新的研究方向。

4總結

文章在結合近幾年圍繞電池儲能技術所取得的成果的基礎上，針對用戶側電池儲能系統的運行控制與應用方法開展了系統的研究，主要結論如下：

（1）對電池儲能的國內外的發展概況進行了敘述，介紹了電池儲能電站在新能源并網和電網安全控制等領域所發揮的重要作用。列舉了國內外電池儲能站的運行和控制方面的一些典型工程。

（2）對國內外用戶側儲能系統的測試領域的發展現狀進行了綜述，介紹了國際上已制定的儲能系統并網標準和國內制定的針對儲能系統設備檢測的標準，總結發現上述標準對于用戶側儲能系統整體性能無法很好的檢測，因此，搭建功能齊備的電池儲能系統檢測平臺將成為儲能領域的重點發展方向。

參考文獻

[1] 孫永福，王禮恒，陸春華，孫棕檀，王崑聲，徐源.國內外顛覆性技術研究進展跟蹤與研究方法總結[J].中國工程科學，2018，20（06）：14-23.

[2]鄭建華.儲能行業戰略研究[J].機械制造，2018，56（10）：1-8.

[3]《儲能產業研究白皮書2018》發布[J].高科技與產業化，2018（04）： 38-41.

[4]李哲. 純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D] .清華大學，2011.

[5]范劉洋，汪可友，張寶群，李國杰，翟登輝，王衛星.考慮電池組不一致性的儲能系統建模及仿真[J] .電力系統自動化，2016，40（03）： 110-115