《电化学储能电站系统建模与特性分析》3200字

电化学储能电站系统建模与特性分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u15288电化学储能电站系统建模与特性分析综述 1323961.1电化学储能系统的数学建模 139901.1.1概述 1299131.1.2储能电池组等效电路 1197381.1.3荷电状态模型 3308931.1.4储能电池组模型 4132161.2电化学储能电站详细模型及其动态响应 5311561.2.1电化学储能电站详细模型及参数设置 5294051.2.2电化学储能电站的动态响应特性 61.1电化学储能系统的数学建模1.1.1概述目前电池储能的主流技术主要有锂离子电池、硫钠电池、液流电池、镍铬电池和铅酸电池等[28-31]。电池的充放电是非线性的，所以建立能够反映完整准确电池充放电过程的模型比较困难。而电池模型分为基本原理模型和等效电路模型。基本原理模型根据电池内部的电化学反应来建立模型，非常复杂。等效电路模型可以反映荷电状态的变化和电池的动态性能，且建立模型过程相对简单。目前常用的等效电路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、GNL模型和RC模型等[28-31]，上述等效电路模型都可以反映电池的荷电状态变化和电池外特性。本文主要研究电化学储能系统运行时的有功功率和荷电状态变化，因此采用等效电路模型对储能电池进行建模。1.1.2储能电池组等效电路储能电池电路部分采用简化模型，如图3-1所示：图3-1储能电池等效电路E为电池电动势，与荷电状态SOC有关；R为电池内阻，也与荷电状态SOC有关，可以通过查询电池制造厂家的图标得到。本文对电化学储能系统采用单机等值建模，即在整个系统中使用同一型号、同一性能的电池，而且所有电池在任意时刻都保持在同一工作运行状态。而且在实际的工程中，储能电池组也经常使用同一型号的电池以延长电池使用寿命。因此在搭建模型的时候，可以类似图3-2先对单体模型进行搭建，再对单体电池进行串并联组合建立储能电池组的模型。最后可以得到储能电池组的等效电路模型如图3-3所示。图3-2储能电池组简图图3-3储能电池组等效电路图1.1.3荷电状态模型电池的荷电状态是电池可用容量与电池总容量的比值，荷电状态的变化反映了储能电站具有吞吐电能的能力，这也是与常规电源的主要区别。荷电状态SOC的估算方法有：开路电压法、安时积分法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法[32]，开路电压法由于要预计开路电压，因此需要长时间静置电池组；内阻法存在着估算内阻的困难，在硬件上也难以实现；神经网络和卡尔曼滤波法则由于系统设置的困难，而且在电池管理系统中应用时成本很高，不具备优势。因此相对于开路电压法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法本而言，安时积分法由于简单，有效而常被采用。如果将电池在t时刻的荷电状态SOC值定义为SOC(t)，安时积分法的计算公式如下： (1.1)式中，CN为电池额定容量；i(t)为电池电流；η为充放电效率，本文中取η=1。将式1.1转化为初始时刻开始的电池电量函数，则得到t时刻的电池电量计算公式如下： (1.2)式中，Q(t)为电池电量；SOC(0)为初始状态时的电池荷电状态。根据式1.2可在Simulink平台中搭建电池电量计算模型如下图所示：图3-4电池电量计算模型电池荷电状态SOC计算公式如下： (1.3)根据式1.3可在Simulink平台中搭建电池荷电状态计算模型如下图所示：图3-5电池荷电状态计算模型1.1.4储能电池组模型根据图3-3储能电池组等效电路图可以得到电池电压计算公式如下： (1.4)式中，Uout为储能电池组电压；UT为单个电池电压；Em为单个电池某个运行状态的电源电动势；IT为单个电池电流；RT为单个电池内阻；Np为并联电池节数；Ns为串联电池节数。电源电动势与荷电状态有关，电池内阻与荷电状态有关，可通过查询电池制造厂家的图标得到数据。根据式1.4可在Simulink平台中搭建储能电池组电压计算模型如下图所示：图3-6电池电压计算模型由图3-4、3-5和3-6的子模型进行组合可以得到储能电池组的整体模型如下图所示：图3-7储能电池组模型1.2电化学储能电站详细模型及其动态响应1.2.1电化学储能电站详细模型及参数设置综上所述，该电化学储能电站的三相并网Simulink模型如图3-8所示。该电化学储能电站对输入的功率指令进行追踪调节。图3-8电化学储能电站Simulink模型根据国外抽水蓄能电站与电化学储能联合运行的实际工程[33-35]，电化学储能电站与抽水蓄能电站功率小配比一般占5%~10%，本文主要为国内抽水蓄能电站与电化学电站联合运行调控作前瞻性研究，而国内的抽水蓄能电站装机容量一般较大，故本文中取电化学储能电站额定功率为抽水蓄能电站装机容量的5%，即额定功率为10MW。电化学储能电站系统的主要参数设置如表3-1：表3-1电化学储能电站参数设置设备参数指标电池组额定电压5kV额定容量20000Ah额定功率10MW初始荷电状态80%电池响应时间10s交流主网电压220kV1.2.2电化学储能电站的动态响应特性本节主要对三相并网下电化学储能电站进行不同工况下的动态响应特性分析，输入量为功率指令，设置工况有阶跃波、斜坡波、正弦波和锯齿波。（1）阶跃波工况本节工况设置如下：该电化学储能电站输入功率指令为阶跃波，初始功率指令为-4MW，在6s时阶跃上升至8MW。电化学储能电站系统各物理量动态响应如下。图3-9电化学储能电站的有功功率 图3-10电化学储能电站的无功功率图3-11电化学储能电站的荷电状态 图3-12电化学储能电站的电量变化当输入功率指令为阶跃波时，由图3-9可知，电化学储能电站系统能在极短时间内（约0.5s）跟踪阶跃波功率指令实现出力调整。由图3-10可知，无功功率在发生阶跃时产生波动，但能迅速恢复到额定值，且变化量的数量级相对较小。由图3-11和图3-12可知，SOC和电量的变化曲线呈一次线性变化，变化规律符合安时积分法和电量计算公式，能够正确反映电化学储能电站充放电时的运行状态，反映了电化学储能系统具有快速吞吐电能的能力。（2）斜坡波工况本节工况设置如下：该电化学储能电站输入功率指令为斜坡波，初始功率指令为-4MW，斜率为1MW/s持续12s增长至8MW。电化学储能电站系统各物理量动态响应如下。图3-13电化学储能电站的有功功率 图3-14电化学储能电站的无功功率图3-15电化学储能电站的荷电状态 图3-16电化学储能电站的电量变化当输入功率指令为斜坡波时，由图3-13可知，电化学储能电站系统的有功功率随输入功率指令呈斜坡变化，跟踪时间稍有滞后，但时间极短，仅在0.1s内便可追踪输入功率指令。由图3-14可知，无功功率也在额定值附近呈斜坡变化，但由于图中纵坐标的数量级较小，无功功率的变化量实际上很小，可认为无功功率在额定值附近稳定。由图3-15和图3-16可知，SOC和电量的变化曲线呈二次曲线变化，变化规律符合安时积分法和电量计算公式，正确反映了电化学储能电站充放电时的运行状态，反映了电化学储能系统具有快速吞吐电能的能力。（3）正弦波工况本节工况设置如下：该电化学储能电站输入功率指令为正弦波，正弦指令周期约为11s，大小为8MW。电化学储能电站系统各物理量动态响应如下。图3-17电化学储能电站的有功功率 图3-18电化学储能电站的无功功率图3-19电化学储能电站的荷电状态 图3-20电化学储能电站的电量变化当输入功率指令为正弦波时，由图3-17可知，电化学储能电站系统有功功率也随输入功率指令呈正弦波变化，与输入相比稍有延迟，但是延迟时间仅有0.2s左右，反映了电化学储能电站快速调节的特性。由图3-18可知，无功功率在额定值附近也呈正弦波变化，基本稳定在额定值附近。由图3-19和图3-20可知，SOC的变化曲线呈正弦函数变化，变化规律符合安时积分法和电量计算公式，正确反映了电化学储能电站充放电时的运行状态，反映了电化学储能系统具有快速吞吐电能的能力。（4）锯齿波工况本节工况设置如下：该电化学储能电站输入功率指令为锯齿波，锯齿波指令周期约为8s，大小为8MW。电化学储能系统各物理量动态响应如下。图3-21电化学储能电站的有功功率 图3-22电化学储能电站的无功功率图3-23电化学储能电站的荷电状态 图3-24电化学储能电站的电量变化当输入功率指令为锯齿波时，由图3-21可知，电化学储能电站系统有功功率也随输入功率指令呈锯齿波变化，与输入相比稍有延迟，但是延迟时间仅有0.2s左右，反映了电化学储能电站快速调节的特性。由图3