光伏新能源微电网储能电池容量优化配置方法

光伏新能源微电网储能电池容量优化配置方法

徐鲁春  高国重

中建八局第二建设有限公司设计研究院 山东省济南市 250014

摘要：社会现代化进程的加快使得能源的需求不断增加，而传统的电能供应产生的环境污染和资源消耗给社会造成了严重的负担。新能源发电技术以污染小、利用率较高、安装灵活等优点得到迅速的发展，尤其是风能、太阳能等可再生能源。但由于新能源具有波动性、间歇性，其输出功率不稳定，难以直接并网运行，限制了新能源的大规模发展。因此，通过引入微电网的概念，将分布式电源、储能装置等设备整合到一起以微电网的方式并入大电网，使微电网与大电网之间能够可靠的并联运行，实现分布式新能源利用率的最大化。

关键词：光伏新能源；微电网储能电池；容量配置；

近年来，随着新能源的大规模开发利用，尤其是风电并网的发展，用于改善间歇式电源运行性能、增强电网对风电接入能力的电池储能系统的研究逐渐引起人们关注。近几年出现的储能电池，以其高倍率充放电能力、长循环寿命、高安全性和无毒环保等优势得到了广泛的应用，逐渐成为电动车动力电池的首选。

一、研究背景及意义

微电网可以将分布式电源、负荷、储能设备、变换器等整合成小型的发配电系统，通过电力电子技术对电源、储能设备等组成单元进行控制，在不改变大电网结构和运行策略的情况下，提高新能源的利用率、减小对大电网造成的不良影响，还可根据运行工况切换并网、离网运行模式，保证负荷供电的可靠性，降低内部功率波动对大电网造成的影响。正是由于新能源发电具有波动性、间歇性等特点，限制了新能源的规模化应用，而加入储能设备，可以对新能源的功率波动进行吸收或补充，提高输出功率的稳定性，减少对电力系统的冲击，改善电能质量。因此，为微电网配置储能系统，实现能量的存储和稳定输出，提高新能源发电的可控性，是解决新能源并网问题的重要发展方向。根据储能设备存储电能的特性，可分为能量型和功率型两大类，能量型储能具有能量密度大、传输较稳定、储存时间长但单体电压低等特点；功率型储能具有功率密度高、响应速度快、循环寿命长但能量密度低等特点。传统的储能电站中多采用单一的电池储能系统，但单一类型的储能系统会由于设备的技术缺点降低系统的可靠性，且无法较好地发挥其性能优势来满足系统的响应需求。

二、光伏新能源微电网储能电池容量优化配置方法

建立光伏电池等效模型。在以光伏新能源为核心的微电网运行过程中，光伏发电储能电池是微电网结构中最基本、最重要的部分。电池是随着物理、化学方面新的研究成果不断更新而发展的电池体系，尤其是对电池的正负极活性材料、功能电解液的研究，促使锂离子向低成本、高性能、大功率、长寿命、高安全、环保的方向发展。储能具有规整的橄榄石晶体结构，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动实现电池充放电。在充放电过程中，在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。电极上的化学势决定了电极的电势，锂是元素周期表中电极电势最负的单质，所以电池的工作电压可以达到3.6V。

储能电池在不同SOC范围内循环，当容量损失达到25％时的累积转移总能量，可以看到电池的累积转移总能量与循环次数近似成线性规律增长，但是增长速度在逐渐变缓，这是因为电池本体的性能衰退所导致的，主要表现为极化内阻的增加、电池可逆容量的损失等。虽然放电深度降低，电池的使用寿命得到延长，但是在容量损失程度25％内时，全充全放模式的使用模式要比浅充浅放的使用模式转移的总能量要多。指前因数随着放电深度的增加单调递增，可以认为指前因数反映了电池在对应极限累积转移能量总额，即电池保持目前循环过程中的衰退速度不变且始终处于安全工作状态的前提下电池可以转移的最大能量值，它是一个理想值，可以用于定性地评估电池的能量转移能力；结合电池工作原理和电极活性物质的电化学反映机理，电池不可能达到这个理想值，因为电池在循环使用过程中，性能的衰退速度不是恒定的，在经历了缓慢稳步地衰退期之后，会出现性能的急剧恶化，呈现加速老化的状态，并且故障率明显提高。

电池能量转移能力的限制来自两方面：一是由于使用条件，如放电深度、环境温度等，二是由于在使用过程中发生的性能衰退，如电池极化内阻的增加、不可逆容量的损失等，这些造成了电池平台电压的偏离与充放电时间的缩短，最终弱化了电池的能量转移能力。容量衰退率达到25％之前，电池的即时容量衰退速度与循环次数成倒抛物线型关系，电池在循环过程中的容量衰退速度呈两个阶段，第一阶段电池衰退速度逐渐降低，表明电池趋向于自稳定的状态：第二阶段电池衰退速度逐渐提高，表明电池开始加速老化的阶段。储能子系统由直流汇流环节、储能电池组、电池管理系统BMS、本地控制中心、远程控制中心等环节组成，直流汇流环节将太阳能电流汇集起来，并送入蓄电池中存储起来，蓄电池与电池管理系统相连接，并通过短距离通信方式与本地监控中心进行信息的联系，从而实现对储能环节有效监控的目的。另外，DOD对于电池容量衰退速度的影响，从深充深放到浅充浅放模式，电池容量衰退速度是逐渐变化的，对于电池容量衰退情况与其他完全不同，反映出电池在较窄SOC范围内波动时性能变化的特殊性。导出电池累积转移能量与容量衰退的关系，在电池容量衰退至85％之前，深充深放与浅充浅放的使用模式对于电池能量转移能力的影响是相同的，当电池容量衰退至85％～75％时，深充深放的使用模式在电池能量转移上要优于浅充浅放的使用模式。

风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网。风力发电自身所固有的随机性、间歇性和波动性等特征，决定了其规模化发展必然会对电力系统安全运行带来显著影响。随着风电产业的快速发展，特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”，大型风力发电场并网发电对大电网的运行和控制提出了严峻挑战。在电池容量配置的过程中，由多方面的影响因素共同作用与调控，分析光伏储能电池容量配置的约束条件，呈现随机波动的特点。目前我国呈现出分散开发，低电压就地接入和大规模开发，中高电压接入并举的发展态势，这就对电网调峰和电力系统安全运行提出了更高要求。因此，大容量储能产品成为解决电网与可再生能源发电之间矛盾的关键因素。储能电池储能系统具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、可扩展性强等特点，在国家风光储输示范工程中开展了工程应用，将有效提高设备效率，解决局部电压控制问题，提高可再生能源发电的可靠性和改善电能质量，使可再生能源成为连续、稳定的供电电源。随着容量和规模的不断扩大，集成技术的不断成熟，储能系统成本将进一步降低，经过安全性和可靠性的长期测试，储能电池储能系统有望在风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网及提高电能质量方面得到广泛应用。

结束语：

作为新时代应用最广泛的发电技术，光伏微电网储能电池的容量优化配置与调度，可以从根本上提高光伏电力系统的稳定性与高效性，提高光伏新能源发电产业的经济效益与环境效益，推动新能源发电领域的高效循环、可持续发展。

参考文献

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