不同種類儲能電池的微電網綜合儲能系統性能對比及電池選擇

劉輝 毛明慧 劉釩

【摘 要】為維持微電網安全可靠運行，實現對電能質量的改善，需要對不同種類儲能電池微電網綜合儲能系統性能有一定認識，基于此選擇合適的電池。在關于鉛酸電池和鉛碳電池性能實施試驗對比基礎上，實現對不同種類儲能電池性能的認識，由此選擇高性價比電池。試驗結果顯示：鉛碳電池和鉛酸電池相比，循環壽命及額定充放電倍率更高，成本更低，性能更優。為實現對純電池充放電的有效控制，提出了微電網儲能系統充放電控制方法，并且對其應用實施仿真分析，結果顯示這一系統在確保電池正常工作基礎上，也可以有效緩解充放電壓力，提升儲能系統的效率運行時長。在微電網發展中以光伏等分布式發電電源為主光儲微電網成為主要發展方向，可以實現對廣大用戶安全性及個性化需求的有效滿足，具有重要的推廣和應用價值。

【關鍵詞】儲能電池;微電網綜合儲能系統;性能;電池選擇

【中圖分類號】TM912 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）03-0105-03

當前，國內外對于不同種類儲能電池儲能系統性能及其控制策略研究比較注重，積極針對新型儲能電池的研究，同時也提出了各種微電網儲能系統主動控制系統，基于蓄電池容量及充放電次數限制條件，實現對儲能電池充放電的優化控制，能夠優化儲能電池充放電曲線 [1]。在提升儲能電池使用性能基礎上，也有助于有效提升并網電能質量。本次展開關于鉛碳電池及鉛酸電池微電網綜合儲能系統性能的對比分析，實現對電池的選擇，同時提出相應的控制策略。

1 不同種類儲能電池的性能對比

本次研究以鉛酸電池及鉛碳電池作為研究對象，鉛碳電池作為新型電池之一，是具備雙層電容特性碳材料和海綿狀鉛結合成為負極，屬于是復合電極，二氧化鉛為正極材料。鉛碳電池集合了鉛酸電池和超級電容器特性，能夠實現電池放電中負極板硫酸鹽化及充電中早期析氫的有效抑制，與鉛酸電池相比，鉛碳電池顯著提升了循環壽命及額定充放電倍率，也有助于降低電池成本 [2]。但是要想鉛碳電池具備較長循環壽命，不能實施太大放電深度，對于鉛碳電池的最大充放電功率具有一定限制，也影響其應用的廣泛性。

1.1 指標選取

本次研究以鉛碳電池及鉛酸電池作為研究對象，因為兩者均可以實現對微電網穩定性的要求，所以本次研究重點在于分析儲能系統的微電網經濟性。因為兩個電池可用容量比較接近，所以其種類對于微電網收益的影響作用不大，但是會對電池配置成本及更換次數產生較大影響 [3]。因此，本次分析中，以電池在微電網全壽命設為15年內的總成本實施分析，探討兩種電池的使用性能。

1.2 電池預期壽命計算

電池循環壽命（NB）直接受到電池使用中放電深度（DOD）的影響，通常放電深度越大會導致電池循環壽命越短。本次研究中兩種電池的循環壽命和放電深度相關性的表示方式如下。

針對鉛碳電池表示如下：

NB（DOD）=4 469×DOD-0.491 9-4 054 （1）

針對鉛酸電池表示如下：

NB（DOD）=5 967×DOD-0.485 7-4 653 （2）

針對電池假設第i個循環周期放電深度為DODi，電池運行中的每次充放電等效循環次數Neq具體表示如下：

Neq（DODi）=NB（I）/NB（DODi）（3）

在整個工程運行周期內，電池等效循環次數Nsum具體表示如下：

如果是在Nsum=NB（I）情況下，即這一電池組的使用壽命已經結束，需要更換。針對電池在各個循環周期中的DOD，能夠在雨流計數法應用下在時間變化過程中電池SOC變化曲線中提取出來，實際操作中的相關流程如下：第一，順時針將SOC時間變化曲線實施旋轉90°，確保時間軸呈豎直向下方向，相關數據就像從屋頂上滴下的雨水，在起點及之后各個屋檐處（峰值處）開始進行記錄 [4]。第二，在屋檐處將雨流豎直滴下，直到出現比峰值更大的峰值后即可以結束。一旦發現出現上面屋檐雨流情況下，雨流即會停止，在此過程中形成循環 [5]。第三，結合雨流起點及終點畫出循環周期，將其各個循環的峰谷值詳細記錄 [6]。循環周期中的放電深度即為各個雨流水平長度 [7]。所以，針對各個電池性能分析，想要實現對DOD提取，先要獲取時間變化中的SOC曲線，電池充電和放電中的SOC計算方式可以表示如下：

在公式（5）、公式（6）中，SOC（k）表示當前采樣時刻SOC，SOC（k-1）為上一采樣時刻SOC;KB代表電池的充/放電效率;PB（k-1）表示上一采樣時刻的電池輸出功率;QB代表的是電池容量;△t代表采樣時間間隔。

1.3 性能對比結果

針對本次兩種電池一年內的等效循環次數的研究，以某公司微電網一年氣象數據作為資料，基于Meteonorm軟件實現對電池一年SOC曲線分析。假設兩類電池在每年使用情況一致，電池預期使用年限計算方式即為NB（I）/電池年等效循環次數，通過這一方法能夠得出15年內電池更換次數。在這一計算模式下，所得結果見表1。

通過以上分析發現，兩種電池使用年限在不斷增加，隨之更換次數逐漸減少。在兩種電池成本對比結果中，鉛碳電池總成本明顯低于鉛酸電池，因此兩組對比中鉛碳電池成為微電網綜合儲能系統的最優選擇。

2 微電網儲能系統充放電控制

關于微電網儲能系統充放電控制，需要針對系統中各個儲能單元充放電狀態實施監測，以能夠合理減少電池過充或過放情況，提升儲能系統的工作效率，進一步延長電池使用壽命 [8]。本次控制研究過程中，針對各儲能單元電量裕度，針對混合儲能單元的鉛碳電池及超級電容器的實時SOC實施估計分析，以此合理安排成功放電任務。

2.1 當PHESS<0情況下

在這一情況下，如果在混合儲能模塊中第i個電池DOD值可以實現對DODi≥DODmax條件的滿足，即為相應電池不能繼續放電，雙方變流器上流動功率可以表示為

如果混合儲能模塊中第j個電池DOD值可以實現對DODi

在公式（8）中，CHESS-j代表的是第j個儲能單元基本容量，CHESS-j（DODmax-DODi）即為第j個儲能單元的剩余容量。

2.2 當PHESS>0情況下

在這一情況下，如果在混合儲能模塊中第i個電池SOC值可以實現對SOCi>SOCmax條件的滿足，即為相應電池不能繼續放電，雙方變流器上流動功率可以表示如下：

如果混合儲能模塊中第j個電池DOD值可以實現對SOCi

在公式（10）中，CHESS-j代表的是第j個儲能單元基本容量，CHESS-j（SOCmax-SOCi）即為第j個儲能單元的剩余容量。

3 實驗分析

為對以上控制方案應用進行合理性分析，將其在微電網中應用，提供和微電網并網時刻相似的波動頻率，時間常數假設為2 400 s，基于matlab平臺實現對原始風力及光伏出力數據的調用和導入，確保儲能系統配置總容量在分布式資源10%以內，具體值取7 MW，單個模塊額定容量為500 kW，所以在本次實驗中實現對10個混合儲能單元的并聯使用。在實驗過程中需要針對隨機生成的風、光不確定性功率情況實施平滑處理。同時分析發現，HESS處理平滑原始功率波動性方面，效果和超級電容器相比具有顯著優勢，主要是HESS能量密度和單一儲能方式具有顯著改善，能夠確保最終輸出功率波形實現對系統調度需求的滿足。其中，單獨對比分析混合儲能系統中超級電容和鉛碳電池的充放電功率波形，兩者充放電曲線分布詳情如圖1、圖2所示。

圖1作為超級電容器的各個時間點充放電量比較大，也較為頻繁，圖2為鉛碳電池各個時間點相對充放電量小，頻率較低。對于原因分析，本次采用二階濾波原理，第一階是對超級電容器原始輸出功率高頻波動分量及系統所需快速響應電池功率響應延遲量平滑的應用。第二階鉛碳電池能夠實現進一步平滑。在此過程中，在對超級電容器充分利用及鉛碳電池正常運行保障的基礎上，實現對過多充放電壓力的緩解，以能夠進一步提升鉛碳電池的效率運行時間。

4 結語

綜上，通過研究得出以下結論：第一，本次研究中針對鉛酸電池及鉛碳電池使用性能展開分析，鉛碳電池本身是建立在鉛酸電池基礎上，因此選取15年內運行總成本分析，結果發現鉛碳電池的運行總成本明顯低于鉛酸電池，由此可見，鉛碳電池和鉛酸電池相比更具有可選性。第二，通過微電網儲能系統充放電控制的研究，并且對其應用效果實施分析，發現這一控制方案在微電網中的應用，不但能夠確保鉛碳電池正常運行，而且能夠緩解多充放電壓力，優化鉛碳電池的效率運行時間。

在當前微電網儲能系統發展中，為滿足當前社會環境下的節能環保需求，開始出現了光儲微電網，主要以光伏等分布式發電電源為主，與傳統大電網供電方式相比，這一方式可以更好地滿足用戶高安全性及可靠性需求，以能夠針對不同用戶提供個性化供電服務。“光伏發電+儲能系統微電網”成為我國能源可持續發展戰略實施的一個重要途徑，具有較大的發展潛力，因此在未來發展中需要加大對“光伏發電+儲能系統微電網”的研究，能夠促進其發展，進而實現我國能源可持續發展戰略。

參 考 文 獻

[1]繆平，姚禎，LEMMON John，等.電池儲能技術研究進展及展望[J].儲能科學與技術，2020，9（3）：670-678.

[2]靳瑞久，張向鋒，王致杰.性能不一致的儲能電池出力的自適應控制策略[J].儲能科學與技術，2019，8（6）：1253-1259.

[3]黃福闖，張洪信，霍煒，等.軟碳負極材料鋰電池在儲能電站應用研究[J].電源學報，2020，18（3）：184-190.

[4]趙乙潼，王慧芳，何奔騰，等.面向用戶側的電池儲能配置與運行優化策略[J].電力系統自動化，2020，44（6）：121-128.

[5]Irina A.Chepurnaya，Mikhail P.Karushev，Elena V.Alekseeva，et al.Redox-conducting polymers basedon metal-salen complexes for energy storage applications[J].Pure and Applied Chemistry，2020，92（8）：1239-1258.

[6]汪惟源，朱寰，高正平，等.儲能鋰離子電池高溫循環衰減機制分析[J].電源技術，2020，44（7）：948-951.

[7]嚴干貴，李洪波，段雙明，等.基于雙鉛碳電池儲能系統的微電網優化運行控制策略[J].電力系統自動化，2019（13）：46-53.

[8]潘豐，程凡華，駱聰，等.微電網混合儲能系統充放電控制策略研究[J].東北電力技術，2018（3）：21-26.