基于计算机技术的储能系统优化北大核心CSCD

基于对能源储存利用的优化研究,我国的储能行业迅速发展壮大。在研究如何减少电能储存中的损耗、提高利用效率、控制稳定性等系统优化技术时,通常需要利用计算机技术高效的计算和控制能力加以辅助。包括在新能源汽车能源利用优化、储能装置温度控制优化、电池容量优化、储能材料研究等诸多研究方向都出现了计算机技术的身影。依据目前行业内的研究成果,在人工智能和大数据技术的加持下,储能行业的发展也能得到进一步提升。     

大容量储能系统电池管理系统均衡技术研究

电池组一致性问题是大容量电池储能系统的重要问题,电池管理系统的均衡技术是解决这一问题的有效方法。对大容量储能系统中电池管理系统均衡技术进行了研究,分别介绍和探讨了电池模块内均衡技术、模块间均衡技术,以及电池系统中相内和相间均衡策略,并阐述了四级均衡体系的构建与实现。通过电池系统四级均衡体系的应用,实现了电池系统内不同层级的有效动态均衡,为更大容量的电池系统的长寿命和有效利用提供了技术支持。     

光伏系统液流电池储能优化配置北大核心CSCD

液流电池具有长时储能成本低、系统安全性高等特点,适用于大规模长时储能的应用场景,通过对液流电池系统进行合理的规划配置,可以平抑新能源发电系统的间歇性和波动性,对于保障电网安全稳定运行具有重要意义。目前缺乏基于液流电池技术特性和运行特性展开的新能源系统与液流电池优化配置方法研究,随着我国能源快速转型,充分发挥液流电池技术及运行特点,优化配置新能源系统中液流电池容量,对建立新型电力系统有着积极作用。本工作以光伏与液流电池联合发电的局域网为研究对象,提出了适用于光伏系统的液流电池储能优化配置方法,通过对液流电池系统中各个模块系统的运行特性、系统初投资和全寿期运维成本进行了深入地研究分析,基于液流电池系统具有功率与容量模块相分离的特点,对大规模液流电池系统的功率和容量配比进行了优化设计。综合液流电池系统模块优化设计的结果,对光伏与液流电池联合发电的局域网系统进行运行策略优化,在保证局域网供电稳定运行的同时,以液流电池系统初投资与全寿期运行成本之和最小为目标函数,求解得到优化液流电池优化配置方案。算例应用表明,大规模液流电池系统功率和容量配置为1 MW/8 MWh时为经济性最优的兆瓦级液流电池模块设计,25年运行期LCOE为0.292元/kWh;在本工作应用的局域网中储能优化配置的目标函数在储能配置为20 MW/160 MWh方案达到最优解。     

基于三绕组变压器的锂电池组自适应交错控制均衡方案北大核心CSCD

为了解决锂电池组由于电池单体在制造工艺等方面的差异所引起的单体电压不一致性问题,本工作提出一种可以实现多种均衡类型的均衡方案,该方案由基于三绕组变压器的主动均衡拓扑以及与之对应的自适应交错控制策略组成,可控制能量在不同均衡对象之间灵活地转移以及根据电池组所处的状况实时调节均衡类型,使均衡电路始终在最佳状态下工作,实现电池组的快速均衡。最后通过仿真算例,验证了所提均衡方案能有效解决电池组不一致性问题,且具有较快的均衡速度。     

储能电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制

为降低储能电池组内各单体间不可避免的一致性差异,提出一种多阈值自适应聚类群组均衡控制方法。首先,引入结构简单、控制简单、均衡功能完善的单电感储能均衡拓扑,并分析了其均衡原理和控制信号占空比设计过程;其次,提出一种多阈值自适应聚类群组均衡控制方法,在引入自适应聚类均衡思想的同时,基于一致性差异较小的相邻单体建立群组均衡控制方法,实现均衡能量在包含不同个数相邻单体的电池群组间转移;最后,通过仿真实验,验证了所提多阈值自适应聚类群组均衡控制相比于基于极差的“单对单”均衡控制,在初始荷电状态(state of charge,SOC)分布中间高、两边低,两边高、中间低,均匀分布的情况下,在保证均衡效率的前提下,均衡速度分别提高了40.4%、24.6%和17.5%,并且均衡结束后各单体SOC相比于电池组平均SOC的离散程度更小。本工作创新了大数量单体构成的储能电池组的均衡思路,有助于改善储能电池组内各单体的一致性差异,提高其能量利用率及循环寿命,促进储能电池组的应用。     

大型储能电池短路故障分析与保护策略北大核心CSCD

由电池构成的大型储能在清洁能源占比高的电力系统里占有重要地位,电池的短路计算和保护配置十分重要。本文首先提出了单体电池短路模型,并用短路实验验证了模型有效性。在此基础上,推导了簇内和簇间短路的短路电流通用计算公式,计算公式可以广泛应用于任意电池数量的大型储能系统之中,全面地覆盖了各种极间及极地短路情况,在算例中验证理论计算公式与仿真误差在4%以内可以满足保护分析需要。分析了影响短路电流的因素和变化规律,发现了簇内短路时短路点内部电池越多则其他簇和短路点电流越大、簇间短路时模组差对短路电流影响等结论。根据理论计算公式,研究了大型储能电站各种保护方案的利弊,提出了基于熔断器的保护配置方案,并分析了最有利的熔断器安装位置,总结出在此方案下各个熔断器最大短路电流的计算方法。本文提出的保护配置方案覆盖了短路电流计算、器件选型等多个方面,可以广泛应用于各种电池储能电站前期方案设计之中。     

锂离子电池储能集装箱爆炸危害数值模拟北大核心CSCD

随着电化学储能的规模化发展,以锂离子电池为能量载体的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生,成为制约其安全健康发展的主要瓶颈。储能集装箱本身的安全措施及摆放间距对于燃爆的发展及扩散有着重要的影响。本工作通过改变点火位置和泄压板强度来探究不同的冲击波压力和火焰传播速度变化对储能集装箱安全的影响,发现当着火点位于近进风百叶窗一侧时,冲击波压力升高,火焰传播速度增大,分别可达41.28 kPa和557.0 m/s。泄压板对储能集装箱安全设计至关重要,且仅在进风百叶窗处设置泄压板且将开启压力设置为30 kPa时,计算区域内已发展为爆轰,对周边安全造成较为严重的影响。此外,研究结果表明,单个储能舱发生燃爆后,在短边间距达到10 m时将会对周边造成的影响最小。该研究可为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。     

锂离子电池储能系统多时间尺度均衡方法

锂离子电池可作为后备电源为电力系统的一次设备、二次设备及通信管理等提供不同等级的交直流电,保证核心设备紧急时刻仍然能够正常工作。先串后并的并联型储能系统不仅因并联模组的互为备用具有更高的可靠性,也能够避免传统串联型后备电源的木桶效应问题。然而,并联型方案会因模组之间的不一致,使得各模组寿命呈现差异性;串联电池组组内电压分布差异,也会导致电池单体过充或者过放。为此提出了一种针对并联型锂离子电池储能系统的多时间尺度均衡方法。首先,对电池模组组内单体以荷电状态(state of charge,SOC)为指标进行旁路均衡,使电池组在单次充放电循环的短时间尺度达到组内均衡;然后,通过并联电池模组组间的寿命均衡,使系统在寿命衰减的长时间尺度达到平衡。所提均衡方法能够提高并联型储能系统使用过程中模组间的一致性,增强并联模组互为备用的可靠性,降低运维成本,提高锂离子电池的使用效率。为了验证该均衡方法,在电池加速老化实验的基础上,搭建仿真模型验证了所提方法在不同条件下的有效性。     

并联锂离子电池组建模及不均衡电流分析

近年来电池储能以其响应速度快、能量密度高等优点,在电力系统中发挥重要作用。为满足实际应用的要求,电池储能系统需要将电池或电池组并联从而达到较高的可用容量,但并联电池在实际中受内阻、容量、荷电状态（SOC）等影响将出现电流不平衡现象,一定程度上制约了电池充放电电流和使用条件,影响了电池性能。针对并联电池组支路电流采集过程繁琐且状态估计复杂的情况,以电池的二阶等效电路为基础,结合回路电流法建立了并联电池组的仿真模型。模型能够根据锂电池的性能参数及状态方程实现并联支路电流的计算,进而估计并联电池组的状态,省去了对并联支路电流的检测环节。同时重点研究了并联电池组的支路不均衡电流现象,以磷酸铁锂电池为例,分析了并联电池组的充电特性。针对并联电池组的支路不均衡电流影响因素较为复杂、难以解耦的特性,采用控制变量法,通过模型详细分析了内阻、容量、初始SOC等因素对支路电流点的影响,为并联电池组的设计、成组优化及性能分析提供了参考。     

储能电池一次调频无模型自适应控制策略北大核心CSCD

为发挥储能电池对电网调频特性的改善功能,针对储能电池参与电网一次调频进行了深入研究。首先建立含储能电池的高渗透率新能源区域电网的频率特性模型,并对其进行幅频特性分析,结果表明储能的加入可以有效提高电网的频率稳定性;为保证储能电池荷电状态(state of charge,SOC)的保持效果、电网调频需求以及储能电池的精确数学模型无法确定因素,提出一种考虑电池SOC,基于储能系统输入输出数据驱动的无模型自适应的储能控制策略,并给出相应的调频效果和SOC保持效果指标;最后在Matlab/Simulink搭建典型高渗透率新能源区域电网调频模型进行仿真。结果表明,所提策略能提高电网的抗干扰及自适应能力;与其他传统控制策略比较,所提策略在阶跃负荷扰动情况下,调频效果指标较佳;在长时负荷扰动(连续)情况下,所提策略的SOC指标最优,调频效果指标最佳。仿真结果验证了所提策略的可行性及优势。本文采用数据驱动研究方法,并没有采用传统的模型法,摆脱了对受控系统数学模型的高度依赖,有助于推动储能电池参与电网调频的更高效应用,为加速双碳目标提供更多思路。     

锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能北大核心CSCD

锂电池储能系统是构建新型电力系统,实现双碳战略目标的关键支撑,但锂离子电池储能系统的消防安全问题成为了制约储能系统大规模推广的关键瓶颈,现有基于固定建筑物式的传统气体灭火系统适用性不强,无法扑灭锂离子电池火灾及抑制复燃。本工作面向典型预制舱式锂离子电池储能系统,基于多层协同预警技术和不同防护灭火策略实现了对储能系统的靶向消防防控装备开发。首先,基于烟/温感探测器、可燃气体传感器、Pack温度传感器构建了多层协同的预警技术,实现对电气火灾、锂离子电池火灾的精准预警。其次,在现有七氟丙烷灭火系统基础上增加锂电池火灾专用抑制系统,满足国标电气场所消防设计要求的同时保障锂电池火灾抑制需求。通过主管道、应急管道、喷嘴的布局定位安装,所设计的抑制系统支持Pack级主动防护,能将锂离子电池抑制剂输送到Pack,实现对锂离子电池火灾的早期扑灭并能多次启动,抑制锂离子电池火灾复燃及蔓延。灭火系统和抑制系统协同作战,各自发挥优势,全方位保障锂离子电池储能系统的安全。     

电化学储能电池技术主题识别、演化及风险分析北大核心CSCD

电化学储能电池技术作为发展潜力极大的一类储能技术,其研发态势受到全球各国关注。然而由于电化学储能电池技术本身的复杂性和广泛性,其关键技术主题、未来研发趋势及技术发展的风险水平尚未得到全面综合的科学分析。基于专利数据,宏观分析专利数据申请特征,使用LDA主题模型识别技术主题并基于后离散方法分析主题演化趋势,通过贝叶斯网络模型对热门研发领域技术发展进行风险分析。结果显示:电化学储能电池技术领域共存在15个技术主题,主题演化趋势分为上升型、平稳型和衰退型。从专利数量、产业链和电池类型3个角度进行分析,发现电化学储能电池技术全球研发呈持续增长态势,产业链上游原材料相关技术是研发的关键领域,但可能存在技术饱和现象或遭遇瓶颈,中游加工领域相关技术正逐渐成为研发热门方向。在产业链视角下对中游加工领域技术发展的风险评估为中等水平,关键风险因子有关键技术垄断、上游原材料价格上涨、行业标准滞后、产业链协作不充分。本研究将为电化学储能电池技术的发展规划及研发决策提供有益的参考。     

新能源侧储能优化配置技术研究进展北大核心CSCD

储能作为提升新能源消纳量的一种重要手段,在“碳达峰、碳中和”要求大力发展风光等新能源背景下,“新能源+储能”模式将成为国家“十四五”期间新能源发展主流趋势。已有的储能相关综述文章主要归纳总结了各种储能本体技术的发展和储能在电力系统中的应用场景,对储能优化配置技术研究综述尚少,特别是新能源侧储能,因此了解储能在新能源侧的优化配置技术十分必要。本文首先介绍和分析了新能源侧配置储能的发展现状,包括“十四五”期间各省份颁布的政策、国内典型示范工程和应用场景;其次探讨了储能优化配置技术中2个关键问题,储能系统选型和储能系统规划模型。在选型方面,对比和分析了各种电池类型的优缺点和适用场景,在构建储能系统规划模型方面,综合考虑风光出力不确定性、经济性、环保性和技术性等不同因素对规划模型的影响,列出了具体的数学表达式和相应的规划方法;最后,针对新能源侧配置储能的政策制定、储能本体技术的发展、系统选型、优化模型的建立和优化配置仿真软件平台的开发等关键性内容提出建设性意见,为未来新能源侧配置储能实际工程项目的建设提供借鉴和参考。     

固体电热储能装置热工与储能性能测试平台设计北大核心CSCD

该平台以GB/T39288—2020《蓄热型电加热装置》中提出有关固体电热储能装置的热工性能测试方法及流程为蓝本,参考了国内外标准,专门针对固体电热储能装置,进行纯储热工况、纯放热工况、边储边放工况全工况测试,改善并补充了固体电热储能装置热工与储能性能测试。该平台改进了GB/T 39288—2020的试验流程,结合非制热状态下的放热测试和制热状态下的放热测试,能够进行固体电热储能装置热工与储能性能标准测试。为了验证该平台可靠性,对某固体电热储热装置进行一次标准测试,记录其试验时的电量、时间、温度等参数,画出试验时温度曲线、加热丝电流电压曲线、热输出负荷曲线,通过改进、补充的公式计算了固体电热储能的热工与储能性能;利用计算结果画出了在额定热输出功率下的储能性能图。该图清晰展示了固体电热储能装置的有效释放的温度范围,储能能力,以及能量利用情况。本次测试结果与理论值、经验值相近,证明该平台可以作为设备商自检或教学使用的测试平台。该平台还留有自定义热负荷曲线功能,可以帮助教学者和学习者在真实的工况下,对固体电热储能装置进行研究和学习。     

基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究北大核心CSCD

在储能电池舱能量密度逐渐升高的背景下,热管理耗能占总辅助用电的比例逐渐增加。由于电芯间不均匀送风,温差会进一步拉大。为实现储能系统低能耗、低温差的目标,本工作提出了一种基于能量管理系统(EMS)计划曲线的热管理控制策略,并采用电芯温度对储能电池舱内空调进行集中控制。通过对容量为5.017 MWh的储能电池舱进行实验,研究该策略对电芯温差及空调耗电量的影响。研究结果表明,电芯本征不一致、模组风扇状态、空调状态对电芯温差均有影响,在现有集成情况下,空调启动对温差有负面作用。在相同的充放电功率下,相比于无控制策略的实验条件,电池堆1和电池堆2的电芯温差分别降低了0.9℃和1.4℃。此策略下,由于空调待机时无内循环风机功耗,空调日总耗能降低了62%。     

基于氧化物固态电解质的储能钠电池的研究进展北大核心CSCD

规模储能是碳中和多能互补生态系统中的关键一环,是连接清洁能源和智能电网的桥梁,是保障国家能源安全的重要举措,其中先进的二次电池是关键的核心技术。由于兼顾高功率密度、资源丰富等优势,基于氧化物固态电解质的钠电池(OSSBs),尤其是以液态金属钠为负极的体系,已成为最有发展潜力和应用价值的规模储能技术之一。但是,目前的OSSBs在长循环稳定性、安全性和成本方面仍存在不足,阻碍其实际广泛应用。重要的是,如何在降低成本的同时,实现OSSBs中表界面电化学行为的有效调控及对储能性能的提升已经成为目前研究的重点。本文重点介绍了近年来OSSBs的研究进展,主要针对钠-硫电池和钠-金属氯化物电池等在内的典型体系,从OSSBs成本控制、运行温度降低以及应用可靠性优化等几个关键方面分析了国内外的发展,进而提出了对储能钠电池的未来展望。     

储能软包大模组结构稳定性北大核心CSCD

随着新能源产业的高速发展与“源网荷储一体化”概念的提出,锂离子电池在储能领域得到了广泛的应用。为控制成组成本,应用于储能领域的电池模组也朝着高电压、大容量的方向发展,这对锂离子电池成组技术,尤其是软包电池成组技术提出了更高的要求。本工作通过理论计算及有限元分析的方法,对储能软包大模组进行膨胀力分析,目的在于全寿命周期内考察模组的结构稳定性,结果表明在储能软包大模组设计过程中,泡棉的选型、端板的材料、端板固定螺栓的数量与强度非常重要,良好的设计方案可以降低甚至避免电池膨胀力对模组结构产生的影响,提高模组的结构稳定性,使模组具有更好的安全性以及更长的使用寿命。     

以容量利用率最大化为目标的电池储能系统均衡电流分析

分析电池不一致性的类型及其对容量利用率的影响,推导在线动态单向均衡和在线动态双向均衡所需的最大均衡电流与工作场景的关系。随后以实际应用中的2种典型工况为例,对比核算2种均衡方式所需均衡电流的大小。分析发现,在线全区间双向均衡有更高的电池容量利用率,且所需的均衡电流更小。     

冷风送风方式对储能电池簇降温效果影响的模拟北大核心CSCD

储能电池簇工作期间释放的大量热易造成电池模块工作温度升高,从而影响系统的充放电性能及安全性能,有效的降温措施对于保证储能电池簇的安全高效运行具有重要意义。本工作利用CFD技术对上送风、下回风和下送风、上回风两种冷风送风方式下储能电池簇内冷空气的流动换热特性进行了数值模拟。并根据冷空气流场及温度场的模拟结果,对比分析了不同冷风送风方式对储能电池簇降温效果的影响。模拟结果表明:当送风方式为上送风、下回风时,冷风向下前方流动,靠近冷风入口处的正下方出现冷却盲区,该区域电池模块表面温度较高。该送风方式下,在距离顶部送风口2 m处实现冷风全覆盖。当送风方式为下送风、上回风时,冷风向上前方流动,靠近冷风入口处的正上方出现冷却盲区,相较于上送风方式,该方式下冷却盲区范围减少。在下送风、上回风的冷风送风方式下,在距离底部送风口1.5 m处实现冷风全覆盖,冷风覆盖范围增大,截面平均温度降低。由此可以看出,两种冷风送风方式相比,下送风、上回风的冷风送风方式对于电池簇的降温冷却效果更好。