锂电池储能单元运行状态评估技术研究

随着锂电池储能技术不断完善,国内外锂电池储能电站不断增多,储能单元运行情况越来越受到运行单位重视。本论文在研究电池电压极差、电池电压标准差系数、温度极差、SOE极差、组串运行效率等部件评估指标,以及单元运行效率、功率波形相似度等储能单元整体评估指标的基础上,对储能单元运行状态进行了实例分析。评估结果表明,上述指标为评估锂电池储能单元运行状态提供了技术手段,对于安排储能电站检修维护,提高储能电站运行效率具有指导意义。     

基于运行数据融合的储能电池一致性评估方法研究

利用储能电池的电压极差、电压标准差系数以及温度极差3项电池一致性指标,提出基于模糊评估的储能电池一致性综合评估方法。该方法通过对一段时间内电池储能系统历史运行数据的融合,得出该时间段内的储能电池一致性,方法简便实用。以某250kW磷酸铁锂电池储能系统的历史数据为基础,对电池一致性进行评估分析,结果表明该方法可准确评估电池一致性,并可及时发现可能存在异常的单体电池,进行重点分析与监测。一致性评估分析结果将为电池储能系统的检修维护提供重要的参考依据。     

箱式储能系统及电热性能

开展了500 kWh集装箱式锂电池储能系统集成设计及研制。研究了储能系统静态下电池单体、电池模块、电池簇的电压和内阻一致性,以及储能系统额定功率充放电过程中电压、电流和温度特性。静态下储能系统单体电压极差8 mV,电池模块电压极差93 mV,内阻极差0.41 mΩ,电池簇电压极差150 mV,内阻极差17.63 mΩ;充放电过程中储能系统簇间电流极差6.8 A,电压极差3.0 V,电池最大温升15.0℃,最大温差5.0℃。研究结果可以为大容量集装箱式锂电池储能系统电池组性能评价提供参考。     

风储联合发电系统中锂电池寿命评估

利用电池储能构建大规模风储联合并网发电系统,改善风电的波动性,成为目前研究的热点。然而在此运行方式下,电池处于频繁的充放电运行状态,为了优化电池的控制并提高其使用寿命,如何对其寿命进行评估十分重要。本文以锂电池为研究对象,分析其实验条件下的寿命特性,考虑不规则充放电循环深度和充放电次数的影响,构建了风储联合运行方式下锂电池的寿命评估方法,并设计了电池储能平抑风电功率波动控制策略和评价指标。基于实测风电数据,对此控制策略下风储联合发电系统的运行性能和锂电池的寿命进行评估。     

单体电压不一致性对锂电池储能系统容量衰减的影响

电池的不一致性是指同一规格、同一型号的电池在电压、内阻、容量等方面的参数差别。其中,电压不一致性的表现相对直观,也容易被测量。在MW级电池储能电站中,需要通过串并联成组来满足储能系统的电压等级和容量需求,电池单体数量高达几万节,而单体电池不一致性的存在,将不可避免地影响储能系统整体性能。针对200 kW/200(kW·h)锂电池储能系统和250 kW/1(MW·h)锂电池储能系统在不同时间阶段进行容量标定实验,经过长期运行后,分析单体电池电压不一致性对电池系统容量衰减的影响。结果显示:经过2年的运行,250 kW/1(MW·h)锂电池储能系统充电性能衰减了4.24%,放电性能衰减了2.6%,单体电压不一致性变化不大,而200 kW/200(k W·h)锂电池储能系统充电性能衰减了25.976%,放电性能衰减了27.120%,说明具备充放电均衡控制策略的锂电池储能系统能够很好地改善单体电压不一致性变化;250 kW/1(MW·h)储能系统已累计运行相当于100%DoD(depth of diacharge)充电27.11次,相当于100%DoD放电23次,充放电次数是造成该储能系统容量衰减的主要原因。     

考虑内部参数不一致性的储能系统用锂电池组建模

目前,电化学储能系统建模普遍采用基于电池单体的简单等效模型,成组和系统模型中较少考虑内部电池参数不一致性,低荷电状态(SOC)下仿真误差较大,并且随着储能系统的运行,差异越发明显,难以反映储能电池的实际运行状态.基于锂电池储能电站成组结构,研究影响简单等效模型电压误差的因素及电池单体与电池模块的电压特性关系,分析电池单体间电压差异来源,提出一种串电容等效模型,并以电池单体SOC和电池单体容量为主要差异参数进行电压修正,建立考虑电池串之间不均衡电流的并联模型.仿真结果表明,串电容等效模型相较简单等效模型能够有效提升低SOC状态下模型的精度,为多电池单体串并联组成的电池系统仿真模型提供技术支撑.     

基于电压极差特征的储能电池组早期健康状态检测

为了更加高效地评估储能电池组的健康状态（SOH）,提出一种基于电压极差特征的早期健康状态检测方法。首先基于大容量磷酸铁锂储能电池组开展循环老化试验,测量每次循环的电压极差信号,并从中提取关键时间点的电压特征;其次,基于皮尔逊（Pearson）相关系数及灰色关联度分析法（GRA）筛选与电池组老化高度相关的健康因子。最后,通过麻雀搜索算法（SSA）优化双向长短时记忆网络（BiLSTM）的超参数,搭建SSA-BiLSTM健康状态估计模型,实现储能电池组SOH评估;并结合常规机器学习算法验证了健康因子的有效性和估计模型的优越性。结果表明,所提取充放电静置30 min的电压极差特征能够有效反映电池组容量衰退趋势,多种模型验证下SOH估计误差均低于±0.8%。其中,本文所提出的SSA-BiLSTM模型均方根误差（RMSE）低至0.07%。因此该方法能够有效地对大容量储能电池组的SOH实现在线监测。     

储能工况下磷酸铁锂电池动态辨识方案研究

锂离子电池的动态性能受温度、电流及老化等多种因素制约,限制了电池储能系统的大规模推广和应用,同时由于传统的参数辨识方法只能准确辨识电池开路电压,而复杂的储能电池工况却对储能电池组的性能参数辨识提出了更高要求。以储能用大容量磷酸铁锂电池为研究对象,分析了传统电池参数辨识对不同温度、不同电流倍率下电池动态性能的估计误差,综合利用一阶和二阶等效电路模型研究了参数辨识在不同使用区间的精度,结合典型储能工况提出了复合脉冲序列条件下的粒子群参数辨识方法。实验结果表明该方法对于准确评估单体和串联电池组的动态电压及性能表征参数具有较高的精度,为大规模储能系统电池参数的在线辨识和电池评估提供依据。     

双锂电池–电容器混合储能系统控制策略设计

针对电池储能用于平抑风电功率波动时频繁充放电切换工作状态降低了电池使用寿命的问题,提出了锂电池寿命衰减程度评价方法,并根据此方法确定了锂电池在寿命周期内吞吐最大电量所对应的最佳运行充放电循环深度。考虑到能量型储能介质和功率型储能介质的优势互补以及单电池储能运行充放电循环深度对电池带来的不利影响,采用了基于双锂电池和超级电容器的混合储能系统主电路结构,并根据分段均值方法确定储能系统的参考功率,设计了锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略。最后基于国内某风电场的实测风电功率数据,对提出的储能系统结构和运行控制策略的合理性和有效性进行了验证。算例结果表明,在完成同一个目标指令时,单储能运行时充放电循环深度与标准充放电循环深度的偏离程度较大,对电池储能寿命衰减的影响较大;而双电池储能A、B单元能在所提出的协调控制策略下尽可能运行在标准充放电循环深度,从而提高了电池的使用寿命和经济效益。     

利用信息融合技术的储能锂离子电池组SOC估算

在电池储能系统的实际工程中,电池组荷电状态(state of charge,SOC)估算精度越来越受重视。电池组容量、运行环境、循环时间和充放电倍率等都将影响电池组的SOC估算精度,采用单一的电池模型和数据模型很难获得准确的SOC。提出了一种基于信息融合技术的锂离子电池SOC估算方法,主要基于开路电压(open circuit voltage,OCV)-SOC曲线进行。根据锂离子电池运行特性,把OCV-SOC曲线空间划分为锂电池稳定运行区间、识别校正区间、过充区间和过放区间,并据此重新定义锂离子电池运行模式。然后根据其运行模式,在不同运行区间内对锂电池的估算模型进行切换和优化。采取基于信息融合的SOC估算方法,不断修正消除估算模型在运行状态下产生的各种误差,得到较为精确的SOC估算值。最后搭建实验平台,以某储能电站的实际储能工况对该算法进行实验验证,结果表明,上述SOC估算算法在实际锂电池储能系统应用中具有较强的可行性和实用性。     

储能锂电池组串现场容量试验方法研究

储能锂电池组串由大量锂电池串并联组成,由于其电压高、电流大、容量大,无法使用电动汽车锂电池模组容量试验方法。描述了储能锂电池组串容量的定义,分析了充放电倍率、温度、充放电截止电压对锂电池容量试验的影响,比较了锂电池容量试验标准,并根据不同厂家电池组串容量试验方法,提出了一种具有通用性的储能锂电池组串现场容量试验方法,该试验方法对储能电池维护工作具有指导作用。     

风储电池能量管理系统的功能设计及实验分析

主要对10 kW/20 kWh风储锂电池的能量管理系统进行设计,所设计的系统共包括2部分:储能管理单元和电池管理单元。其中的储能管理单元不仅可控制电池储能系统充电和放电、还可监测其状态并对所收集的数据进行分析;电池管理单元可通过监测电池的温度和电压等对电池进行实时保护和均压控制,通过这2个系统的相互协调可对储能系统的充放电过程进行安全动态管理。通过实验对所设计系统的有效性进行验证,从而为锂电池储能系统在工程中的应用奠定一定的基础。     

基于退役动力电池储能的光储微网系统

锂电池作为光储微网的储能电池,能够提高光伏发电系统的稳定性,改善电能质量,但成本高昂。将电动汽车的退役动力锂电池用于光储微网的储能单元,不仅可以降低投资成本,还可以缓解大批量电池进入回收阶段的压力。首先基于锂电池的工作原理,构建了退役动力锂电池的等效电路模型。接着建立了储能变流器和多重双向DC/DC变换器级联拓扑,储能变流器采用电压外环、电流内环的双闭环策略,稳定直流母线的电压;多重双向DC/DC变换器采用以电池组的荷电状态(SOC)为约束条件的双闭环控制策略,平抑光伏发电系统的功率波动。最后搭建了基于退役锂电池储能的光储微网系统,验证了控制策略的有效性。     

基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略

为优化混合储能系统运行状态,提出了一种新型混合储能分层协调控制策略,包括上层能量管理与下层混合储能控制。上层能量管理层根据微电网母线电压、频率以及混合储能系统综合荷电状态（SOC_HESS）,利用模糊逻辑算法优化混合储能系统的充放电功率,使得储能设备的荷电状态维持在合理范围。下层混合储能控制层在低通滤波器的基础上根据磷酸铁锂电池和超级电容器各自的SOC,建立分配功率修正算法,优化储能单元的SOC状态。仿真实验证明,所提出的基于荷电状态SOC的分层协调控制,有效地降低了混合储能的SOC的变化范围,防止储能设备的过充或过放。     

阶梯式快速混合储能系统设计及控制策略研究

针对微风、弱光条件下,风能、太阳能发电系统中储能设备效率低的问题,提出超级电容器阶梯式快速储能模型,并以超级电容器和锂电池为基本储能元件设计了阶梯式快速混合储能系统。基于超级电容器快速充放电的特点,将多个超级电容器串联,设计了一种阶梯式快速储能设备。利用锂电池能量密度大的特点,将阶梯式快速储能设备与锂电池结合,设计实现了一种阶梯式快速混合储能系统。该系统可实现充电、控制、保护和显示等功能。经过试验验证,该系统可解决风力、光伏发电机在微风、弱光状态下,电池低电压运行的储能问题,有效提高了微能的利用率。     

软碳负极材料锂电池在储能电站应用研究

为了分析软碳负极材料锂电池用作储能电池的优势,首先利用电化学工作站对单体电池基本动态性能进行实验测试,然后利用集装箱储能系统对储能电站工作特性进行实验测试。实验结果表明,单体电池在3C放电时,放电电压可以保持2.5 V以上,3C放电容量为37 611 mA·h,放电比率可以达到77.17%。电池充放电内阻相对较小,电池具有较高的充放电效率。储能电站电池模组在充放电过程中簇电压曲面平滑升降,电池的充入容量均值为50.45 A·h,标准差为0.75,放出的容量均值为49.60 A·h,标准差为0.82,各单体间温差较小,充放电温度变化一致性良好。因此,软碳负极材料锂电池单体具有优异的充放电性能,同时该电池串并联使用时一致性良好,满足作为储能电池的设计要求。     

Energy requirement for distributed energy resources with battery energy storage for voltage support in three-phase distribution lines

Integration of distributed energy resources (DER) into distribution systems is a new concept for improving system capacity and stability, feeder voltage, and supply quality and reliability. This paper has addressed voltage support in distribution systems by energy injection from a battery storage distributed energy system. An operation strategy for an inverter interface battery energy storage DER has been developed for maximum improvement in feeder voltage with minimum energy injection from the DER. A control strategy has been proposed for inverter based battery storage DER to regulate network voltage effectively, through operating the DER to generate real (P) and reactive (Q) power with Q priority. The implementation of the inverter interface DER with battery energy storage will save fuel cost of DER but be of much higher capital cost than using a rotary generator. The proposed technique has been evaluated by simulation on a three-phase distribution system with time varying loads. Test results indicate that DER operating with Q priority offers the best solution for maximum voltage improvement. The results also confirm that DER injecting P and Q at the ratio of maximum voltage sensitivity of line presents better solution for power loss reduction than the solution offered by the DER operating with Q priority.     

电力储能技术进展与挑战

电能存储技术是实现需求侧能量高效管理、有效提高可再生能源入网的关键技术。介绍了面向电力储能应用的抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能等物理储能技术的发展现状和亟待解决的问题,重点阐述了具有广阔应用前景的电化学储能技术,包括锂离子电池、铅炭电池、液流电池、钠硫电池(ZEBRA电池)和液态金属电池等的工作原理、技术优势及其在电网中的应用和挑战,为电力储能技术的发展提供参考。     

考虑多维性能衰减的储能电池系统运行可靠性评估方法

储能电池系统的发展是推进“双碳”目标的关键所在，伴随而来的却是储能电站的安全隐患，亟需对储能电池系统的可靠性进行准确评估。为此，提出考虑多维性能衰减的储能电池运行可靠性评估方法。首先，提出了基于高斯过程的储能电池性能衰减过程电压特征量分布计算方法，计算充放电循环过程中电压特征量的概率分布，为刻画电池性能衰减提供了重要维度。然后，提出了基于多维通用生成函数的储能电池系统运行可靠性评估方法，通过电压特征量和容量的概率分布计算储能电池单体的可靠性。进而定义可考虑储能电池拓扑连接情况的串并联关系函数，计算储能电池系统整体的可靠性。最后，基于NASA储能电池数据的算例仿真表明所提方法能够实现储能电池系统可靠性的精准评估。