基于电网的电池储能系统直流侧等效模型分析

基于电网的电池储能系统直流侧等效模型分析

谢磊雷 张丹 于小芳

上海市质量监督检验技术研究院

【摘要】随着智能电网的发展，可再生能源发电大规模接入电网，需要借助储能技术提高电网接纳能力。传统扩容方式受限于资源限制，引入储能技术可缓解与负荷需求增的矛盾，提高网络资源利用率。储能技术引入提高能源接入能力，更好地保证供电可靠性，起到削峰填谷的作用。为满足电池储能系统在电网应用中的仿真需求，需建立直流侧统一等效模型，研究铅酸电池等典型储能方式，考虑常用等效电路模型异同点，利用实际电池储能系统运行数据，检验模型有效性。表明提出模型对电池单体外特性具有较好描述能力。

【关键词】电网电池储能系统；直流侧；等效模型

能源是人类发展的基础，随着经济全球化发展人类对能源需求增加，导致自然资源枯竭带来气温上升等系列全球性难题。为解决世界性难题，引发第四次新能源革命。新能源革命在解决人类能源危机同时带来新的技术问题，由于光伏发电出力受自然环境影响较大，具有波动性，大量接入电网引起功率波。对电网电压稳定等产生较大影响，由于电力系统发输变配用同时进行，新能源革命带来新的技术难题。随着储能技术的发展，在跟踪出力等领域发挥重要作用。储能装置分为电磁与电化学类型，随着电化学储能在电网接入中容量增大，构建精确储能系统等效模型成为电力系统仿真需要解决的问题。研究储能系统直流侧等效模型可以为储能系统特性分析提供支持。

1．电网电池储能系统等效建模分析

储能装置按能量转化形式分为机械等类型。机械储能是将电能转化为势能存储方式，相变储能常用于航天器仪恒温机动力供应等领域。电磁储能是将电能转化为电场能的储能技术；电化学储能电池机理是利用化学反应完成电能与化学能转化。因其成本较低等优点在能源电力等国民经济各行业得到快速发展。

1.1电网储能等效建模原理

电力系统原件建模方法包括总体测辨法等，统计综合法利用大量元件特性数据分析，不适合储能系统等效建模^【1】；故障拟合法对元件模型未知参数采用典型参数，使之还原电力系统事故中元件动态行为。由于电化学电池储能系统自带脱网保护装置，在外电网故障下自动脱网。总体测辨法根据数据特征确定模型结构。总体测辨法建模通过现场实验获取激励下代建模系统响应，基于系统辨识理论优化模型参数。数学模型为待辨识系统特性等效描述。总体测辨建模步骤包括实验设计，模型结构选择与参数辨识。根据输入数据辨识负荷模型参数，算法包括卡尔曼滤波法等线性优化算法与进化类非线性优化辨识算法。本文构建模型为非线性模型，选择遗传算法为模型参数辨识算法。

1.2电池储能系统等效建模研究

建立电化学电池直流侧等效模型是进行电力系统计算机仿真等应用仿真的基础。构建仿真平台可为储能建模工作提供平台。相关学者对储能系统建模进行研究。关于储能系统综合等效建模研究构建模型对平抑波动等应用仿真适用性补强，较少考虑储能系统负荷特性。准确的数字仿真模型是电力系统仿真计算的基础^【2】。建立正确的储能系统直流侧模型至关重要。需要分析典型电化学电池外特性，构建适用于典型化学电池直流侧统一等效模型。

2.电池储能外特性常用模型

电池储能直流侧等效建模需要分析充放电外特性。磷酸铁锂电池由正负电极与电解质组成。磷酸铁锂电池由充电转放电电压垂直下跌。铅酸电池是目前广泛应用的电池，应用于电动摩托及储能电站等领域，单体由电解液等部件组成。

2.1 典型化学电池外特性分析

铅酸电池充电时转化功率高，由于极板微孔内硫酸剧增端电压上升，极板内硫酸扩，充电接受率下降^【3】。放电时极板微孔内电解浓度下降，放电中期极板外电解扩散，端电压下降减缓。铅酸电池放电时电压垂直下跌，放电转充电时垂直上升。镍氢电池由正负极与隔膜组成，因其能量高等优点在电动汽车领域得到重视^【4】。镍氢电池通过内部可逆电化学反应实现充放电性能，充电时正极氢氧化镍氧化为镍氧化物，放电时正极镍氧化物还原为氢氧化镍。对镍氢电池进行充放电实验，镍氢电池特性放电时电压垂直下跌，放电转充电时垂直上升。液流储能系统全钒液流电池技术利用钒离子价态转换进行电池充放电。

2.2 典型化学电池直流侧等效模型

典型电池储能外特性存在异同性，①充电转放电瞬间电压垂直上升；②充电后端电压缓慢上升；③放电转充电瞬间端电压垂直上升。典型电池储能常用模型变量包括SOC为荷电状态。锂离子电池常用模型包括混合等效模型等。电池储能常用模型共同点包括由电压源、电容元件组成。

3.电池储能系统直流侧等效建模

根据模型分析提出典型电池储能统一等效模型。电池储能直流侧等效模型开关闭合时串联电容被转变为二阶阻容模型。充放电电流Ibalt以端电压Ubalt为模型响应向量y，模型参数向量Θ=[α，β]，非独立待辨识参数向量为状态变量初始值。

表1 单体锂离子电池参数辨识结果

表2 成组锂离子电池参数便是结果

以典型电池储能充放电运行数据验证，对锂离子电池单体进行脉冲放电实验，对电池进行恒流充放电实验，模型对锂离子电池单体辨识参数较为稳定。对铅酸电池单体进行充放电实验，对统一等效模型验证。模型对铅酸电池外部特性具有良好适用性。液流电池单体充放电实验，分析表明模型对液流电池外特性具有良好适用性。工程使用电池储能堆不影响电池充放电特性。

参考文献

[1]黄中. 大容量电池储能系统实验平台设计及环流控制研究[D].上海交通大学,2020.

[2]黄际元,杨俊,李欣然,黎淑娟,罗真.面向电网的电池储能系统直流侧统一等效模型[J].电器与能效管理技术,2019(02):60-66.

[3]黄丁顺,汪亚明,屠荣平.电池储能系统的动态模型及其控制特性分析[J].电气应用,2014,33(13):42-47.

[4]崔力. 模块化多电平电池储能系统及其控制研究[D].哈尔滨工业大学,2019.