電化學儲能電站系統建模與特性分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u15288電化學儲能電站系統建模與特性分析綜述 1323961.1電化學儲能系統的數學建模 139901.1.1概述 1299131.1.2儲能電池組等效電路 1197381.1.3荷電狀態模型 3308931.1.4儲能電池組模型 4132161.2電化學儲能電站詳細模型及其動態響應 5311561.2.1電化學儲能電站詳細模型及參數設置 5294051.2.2電化學儲能電站的動態響應特性 61.1電化學儲能系統的數學建模1.1.1概述目前電池儲能的主流技術主要有鋰離子電池、硫鈉電池、液流電池、鎳鉻電池和鉛酸電池等[28-31]。電池的充放電是非線性的，所以建立能夠反映完整準確電池充放電過程的模型比較困難。而電池模型分為基本原理模型和等效電路模型。基本原理模型根據電池內部的電化學反應來建立模型，非常復雜。等效電路模型可以反映荷電狀態的變化和電池的動態性能，且建立模型過程相對簡單。目前常用的等效電路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、GNL模型和RC模型等[28-31]，上述等效電路模型都可以反映電池的荷電狀態變化和電池外特性。本文主要研究電化學儲能系統運行時的有功功率和荷電狀態變化，因此采用等效電路模型對儲能電池進行建模。1.1.2儲能電池組等效電路儲能電池電路部分采用簡化模型，如圖3-1所示：圖3-1儲能電池等效電路E為電池電動勢，與荷電狀態SOC有關；R為電池內阻，也與荷電狀態SOC有關，可以通過查詢電池制造廠家的圖標得到。本文對電化學儲能系統采用單機等值建模，即在整個系統中使用同一型號、同一性能的電池，而且所有電池在任意時刻都保持在同一工作運行狀態。而且在實際的工程中，儲能電池組也經常使用同一型號的電池以延長電池使用壽命。因此在搭建模型的時候，可以類似圖3-2先對單體模型進行搭建，再對單體電池進行串并聯組合建立儲能電池組的模型。最后可以得到儲能電池組的等效電路模型如圖3-3所示。圖3-2儲能電池組簡圖圖3-3儲能電池組等效電路圖1.1.3荷電狀態模型電池的荷電狀態是電池可用容量與電池總容量的比值，荷電狀態的變化反映了儲能電站具有吞吐電能的能力，這也是與常規電源的主要區別。荷電狀態SOC的估算方法有：開路電壓法、安時積分法、內阻法、神經網絡和卡爾曼濾波法[32]，開路電壓法由于要預計開路電壓，因此需要長時間靜置電池組；內阻法存在著估算內阻的困難，在硬件上也難以實現；神經網絡和卡爾曼濾波法則由于系統設置的困難，而且在電池管理系統中應用時成本很高，不具備優勢。因此相對于開路電壓法、內阻法、神經網絡和卡爾曼濾波法本而言，安時積分法由于簡單，有效而常被采用。如果將電池在t時刻的荷電狀態SOC值定義為SOC(t)，安時積分法的計算公式如下： (1.1)式中，CN為電池額定容量；i(t)為電池電流；η為充放電效率，本文中取η=1。將式1.1轉化為初始時刻開始的電池電量函數，則得到t時刻的電池電量計算公式如下： (1.2)式中，Q(t)為電池電量；SOC(0)為初始狀態時的電池荷電狀態。根據式1.2可在Simulink平臺中搭建電池電量計算模型如下圖所示：圖3-4電池電量計算模型電池荷電狀態SOC計算公式如下： (1.3)根據式1.3可在Simulink平臺中搭建電池荷電狀態計算模型如下圖所示：圖3-5電池荷電狀態計算模型1.1.4儲能電池組模型根據圖3-3儲能電池組等效電路圖可以得到電池電壓計算公式如下： (1.4)式中，Uout為儲能電池組電壓；UT為單個電池電壓；Em為單個電池某個運行狀態的電源電動勢；IT為單個電池電流；RT為單個電池內阻；Np為并聯電池節數；Ns為串聯電池節數。電源電動勢與荷電狀態有關，電池內阻與荷電狀態有關，可通過查詢電池制造廠家的圖標得到數據。根據式1.4可在Simulink平臺中搭建儲能電池組電壓計算模型如下圖所示：圖3-6電池電壓計算模型由圖3-4、3-5和3-6的子模型進行組合可以得到儲能電池組的整體模型如下圖所示：圖3-7儲能電池組模型1.2電化學儲能電站詳細模型及其動態響應1.2.1電化學儲能電站詳細模型及參數設置綜上所述，該電化學儲能電站的三相并網Simulink模型如圖3-8所示。該電化學儲能電站對輸入的功率指令進行追蹤調節。圖3-8電化學儲能電站Simulink模型根據國外抽水蓄能電站與電化學儲能聯合運行的實際工程[33-35]，電化學儲能電站與抽水蓄能電站功率小配比一般占5%~10%，本文主要為國內抽水蓄能電站與電化學電站聯合運行調控作前瞻性研究，而國內的抽水蓄能電站裝機容量一般較大，故本文中取電化學儲能電站額定功率為抽水蓄能電站裝機容量的5%，即額定功率為10MW。電化學儲能電站系統的主要參數設置如表3-1：表3-1電化學儲能電站參數設置設備參數指標電池組額定電壓5kV額定容量20000Ah額定功率10MW初始荷電狀態80%電池響應時間10s交流主網電壓220kV1.2.2電化學儲能電站的動態響應特性本節主要對三相并網下電化學儲能電站進行不同工況下的動態響應特性分析，輸入量為功率指令，設置工況有階躍波、斜坡波、正弦波和鋸齒波。（1）階躍波工況本節工況設置如下：該電化學儲能電站輸入功率指令為階躍波，初始功率指令為-4MW，在6s時階躍上升至8MW。電化學儲能電站系統各物理量動態響應如下。圖3-9電化學儲能電站的有功功率 圖3-10電化學儲能電站的無功功率圖3-11電化學儲能電站的荷電狀態 圖3-12電化學儲能電站的電量變化當輸入功率指令為階躍波時，由圖3-9可知，電化學儲能電站系統能在極短時間內（約0.5s）跟蹤階躍波功率指令實現出力調整。由圖3-10可知，無功功率在發生階躍時產生波動，但能迅速恢復到額定值，且變化量的數量級相對較小。由圖3-11和圖3-12可知，SOC和電量的變化曲線呈一次線性變化，變化規律符合安時積分法和電量計算公式，能夠正確反映電化學儲能電站充放電時的運行狀態，反映了電化學儲能系統具有快速吞吐電能的能力。（2）斜坡波工況本節工況設置如下：該電化學儲能電站輸入功率指令為斜坡波，初始功率指令為-4MW，斜率為1MW/s持續12s增長至8MW。電化學儲能電站系統各物理量動態響應如下。圖3-13電化學儲能電站的有功功率 圖3-14電化學儲能電站的無功功率圖3-15電化學儲能電站的荷電狀態 圖3-16電化學儲能電站的電量變化當輸入功率指令為斜坡波時，由圖3-13可知，電化學儲能電站系統的有功功率隨輸入功率指令呈斜坡變化，跟蹤時間稍有滯后，但時間極短，僅在0.1s內便可追蹤輸入功率指令。由圖3-14可知，無功功率也在額定值附近呈斜坡變化，但由于圖中縱坐標的數量級較小，無功功率的變化量實際上很小，可認為無功功率在額定值附近穩定。由圖3-15和圖3-16可知，SOC和電量的變化曲線呈二次曲線變化，變化規律符合安時積分法和電量計算公式，正確反映了電化學儲能電站充放電時的運行狀態，反映了電化學儲能系統具有快速吞吐電能的能力。（3）正弦波工況本節工況設置如下：該電化學儲能電站輸入功率指令為正弦波，正弦指令周期約為11s，大小為8MW。電化學儲能電站系統各物理量動態響應如下。圖3-17電化學儲能電站的有功功率 圖3-18電化學儲能電站的無功功率圖3-19電化學儲能電站的荷電狀態 圖3-20電化學儲能電站的電量變化當輸入功率指令為正弦波時，由圖3-17可知，電化學儲能電站系統有功功率也隨輸入功率指令呈正弦波變化，與輸入相比稍有延遲，但是延遲時間僅有0.2s左右，反映了電化學儲能電站快速調節的特性。由圖3-18可知，無功功率在額定值附近也呈正弦波變化，基本穩定在額定值附近。由圖3-19和圖3-20可知，SOC的變化曲線呈正弦函數變化，變化規律符合安時積分法和電量計算公式，正確反映了電化學儲能電站充放電時的運行狀態，反映了電化學儲能系統具有快速吞吐電能的能力。（4）鋸齒波工況本節工況設置如下：該電化學儲能電站輸入功率指令為鋸齒波，鋸齒波指令周期約為8s，大小為8MW。電化學儲能系統各物理量動態響應如下。圖3-21電化學儲能電站的有功功率 圖3-22電化學儲能電站的無功功率圖3-23電化學儲能電站的荷電狀態 圖3-24電化學儲能電站的電量變化當輸入功率指令為鋸齒波時，由圖3-21可知，電化學儲能電站系統有功功率也隨輸入功率指令呈鋸齒波變化，與輸入相比稍有延遲，但是延遲時間僅有0.2s左右，反映了電化學儲能電站快速調節的特性。由圖3