2020儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性供需瞬時(shí)平衡是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原則，而儲(chǔ)能技術(shù)的引入，徹底顛覆了電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用貫穿其發(fā)輸配用各個(gè)環(huán)節(jié)在不同場(chǎng)合均起到了不同的技術(shù)補(bǔ)充作用。儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用，目前多以與間歇式電源的聯(lián)合應(yīng)用為切入點(diǎn)。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，電池儲(chǔ)能方式憑借其響應(yīng)速度快能量密度大規(guī)模靈活易維護(hù)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)成為規(guī)?；占暗氖走x。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于間歇式電源發(fā)電，有助于平滑功率輸出，縮減其功率預(yù)測(cè)誤差，并降低能源丟棄率，顯著提高了間歇式電源的并網(wǎng)能力。了解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性，主要從儲(chǔ)能電池本體、電池管理系統(tǒng)（BS）、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（CS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面著手。概述現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)隨著材料科學(xué)的進(jìn)步得到一定程度的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。電力系統(tǒng)引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)平，不僅可提高電力設(shè)備利用率，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的并網(wǎng)應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。同時(shí)，移動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)還可為電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用提供動(dòng)力能源。電力系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷特性，使得采用儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電力負(fù)荷很有必要，可以在電力充沛時(shí)儲(chǔ)存電能，在負(fù)荷高峰時(shí)釋放電能，達(dá)到削峰填谷、減少系統(tǒng)備用需求的作用。在新能源技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，儲(chǔ)能用于風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等新能源發(fā)電。通過(guò)儲(chǔ)能元件對(duì)電能的儲(chǔ)存與釋放，可平滑新能源發(fā)電出力波動(dòng)，解決新能源發(fā)電自身出力隨機(jī)性、不可控的問(wèn)題，減小新能源出力變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使得廉價(jià)的不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高價(jià)值的產(chǎn)品。目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)在提升電網(wǎng)接納間歇電源能力、提高電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行能力、改善電能質(zhì)量等諸多方面的顯著作用，已逐步得到國(guó)內(nèi)外業(yè)界的普遍認(rèn)同。儲(chǔ)能與大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合是可再生能源的重要組成部分，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)風(fēng)電設(shè)備廠商通過(guò)與國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)企業(yè)合作生產(chǎn)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合應(yīng)用設(shè)備。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展伴隨著電力工業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)。電能本身不能儲(chǔ)存，然而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能或電磁能等形態(tài)即可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。根據(jù)能量存儲(chǔ)方式的不同可將儲(chǔ)能方式分為機(jī)械儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等）電化學(xué)儲(chǔ)能（如鋰離子電池鈉硫電池液流電池鉛酸蓄電池等）電磁場(chǎng)儲(chǔ)能（如超導(dǎo)儲(chǔ)能超級(jí)電容器儲(chǔ)能等）和相變儲(chǔ)能（如熔融鹽儲(chǔ)能、冰蓄冷儲(chǔ)能等）四大類(lèi)型。儲(chǔ)能技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，世界各國(guó)都投入了大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)與示范應(yīng)用。但大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在全球都還處于發(fā)展初期，尚未形成主導(dǎo)性的技術(shù)路線，無(wú)論哪一種儲(chǔ)能電池，其單體能量、功率等性能參數(shù)都不能滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能的要求。在實(shí)際應(yīng)用中均采用系統(tǒng)集成的方式，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)正逐步向智能化、模塊化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。一些影響儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸還有待突破，包括儲(chǔ)能技術(shù)的效率、安全性、可靠性、循環(huán)使用壽命和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。除電池儲(chǔ)能技術(shù)外，超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)正在研究當(dāng)中。各種儲(chǔ)能技術(shù)在其能量密度、功率密度、響應(yīng)速度和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)模等方面均具有不同的表現(xiàn)，而同時(shí)電力系統(tǒng)也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)各方面應(yīng)用也提出了不同的技術(shù)要求，很少能有一種儲(chǔ)能技術(shù)可以完全勝任在電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。因此，必須兼顧雙方需求，選擇合適的儲(chǔ)能方式與電力應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)能否得到大規(guī)模應(yīng)用和推廣，首先應(yīng)該考慮基于該技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)成本、運(yùn)行及維護(hù)成本、運(yùn)行中安全和可靠性以及規(guī)模能力等因素。此外，還需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率系統(tǒng)壽命、動(dòng)態(tài)性能和冗余調(diào)節(jié)能力等多方面因素。4-1分別從典型額定功率持續(xù)時(shí)間特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合詳細(xì)比較了抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能超級(jí)電容儲(chǔ)能鋰離子電池儲(chǔ)能液流電池儲(chǔ)能和鈉硫電池儲(chǔ)能等在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。表4-1應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)比較儲(chǔ)能類(lèi)型典型額定功率持續(xù)時(shí)間優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)應(yīng)用方向機(jī)械儲(chǔ)能抽水儲(chǔ)能100～2000MW4～10h大功率、大容量、低成本受地理?xiàng)l件限制輔助削峰填谷、調(diào)頻、黑啟動(dòng)和備用電源等壓縮空氣儲(chǔ)能10～300MW1～20h大功率、大容量、低成本受地理?xiàng)l件限制備用電源、黑啟動(dòng)等飛輪儲(chǔ)能5kW～10MW1s～0n高功率密度、長(zhǎng)壽命低能量密度提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等（續(xù)）儲(chǔ)能類(lèi)型典型額定功率持續(xù)時(shí)間優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)應(yīng)用方向電化學(xué)儲(chǔ)能鋰離子電池100kW～100MW數(shù)小時(shí)大容量、高能量密度、高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率安全性、循環(huán)壽命及規(guī)?；交稍偕茉垂β瘦敵?、輔助削峰填谷、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等全釩氧化還原液流電池5kW～100MW1～20h大容量、長(zhǎng)壽命低能量密度、效率不高輔助削峰填谷、平滑可再生能源功率輸出等鈉硫電池100kW～100MW數(shù)小時(shí)大容量、高能量密度、高能量轉(zhuǎn)換效率安全顧慮平滑可再生能源功率輸出、輔助削峰填谷等電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能10kW～50MW2s～5n響應(yīng)速度快低能量密度、高制造成本電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性等超級(jí)電容器10kW～1MW1～30s高能量轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)壽命、高功率密度低能量密度短時(shí)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、平滑可再生能源功率輸出等在上述儲(chǔ)能技術(shù)中，尚沒(méi)有一種非常完美的儲(chǔ)能技術(shù)可用于電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)成熟度及其產(chǎn)業(yè)化程度，現(xiàn)階段電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種比較適合電力系統(tǒng)應(yīng)用的儲(chǔ)能電源。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有技術(shù)相對(duì)成熟、容量大、安全可靠、無(wú)污染、噪聲低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。鋰離子電池、全釩液流電池、鈉硫電池為其三大主流技術(shù)。其中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展最快，逐步成為主力軍，現(xiàn)已形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。隨著納米技術(shù)、新材料合成技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池價(jià)格下降空間較大，在儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用中，鋰離子電池逐步成為首選。針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已相繼開(kāi)展200多項(xiàng)示范工程，確立了以?xún)?chǔ)能方式提高間歇電源可控性的有效途徑。同時(shí)在日夜峰谷差調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與改善等領(lǐng)域也展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于了電力系統(tǒng)調(diào)頻，提高可再生能源并網(wǎng)等方面。目前，國(guó)內(nèi)外均有兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范應(yīng)用，此外，國(guó)內(nèi)外部分機(jī)構(gòu)對(duì)混合儲(chǔ)能方式進(jìn)行了研究，建立了兆瓦級(jí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范工程。根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)的典型應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際電力系統(tǒng)現(xiàn)狀及相關(guān)政策，分析儲(chǔ)能技術(shù)具有前景的應(yīng)用方向如下：儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于新能源發(fā)電，可以平抑風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性功率波動(dòng)，增加風(fēng)電的置信度，提高風(fēng)能使用價(jià)值，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電的接納能力。在國(guó)內(nèi)外已有的儲(chǔ)能示范工程中，新能源發(fā)電配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量約為新能源發(fā)電裝機(jī)容量的10～30根據(jù)規(guī)劃2020年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到200W，預(yù)計(jì)將會(huì)有大量?jī)?chǔ)能設(shè)備配合風(fēng)電接入電網(wǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電網(wǎng)削峰填谷，可以緩解供需矛盾，應(yīng)對(duì)高峰負(fù)荷供電需求，提高現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的利用率和電網(wǎng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)更加靈活的能源和資源配置。隨著儲(chǔ)能成本持續(xù)下降和峰谷電價(jià)政策的實(shí)施，利用儲(chǔ)能設(shè)備降低能源成本的需求比例會(huì)逐漸增加。借助儲(chǔ)能技術(shù)，減小峰谷差，大幅提升電力現(xiàn)有資產(chǎn)利用率，是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)方向。儲(chǔ)能應(yīng)用于分布式電源及微網(wǎng)，可以提高微網(wǎng)穩(wěn)定性和電能利用效率。在系統(tǒng)黑啟動(dòng)或分布式發(fā)電單元檢修期間，儲(chǔ)能將起到過(guò)渡作用，保障供電的連續(xù)性和可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)使得微網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)荷波動(dòng)較快和較大的情況下能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制，還可以調(diào)節(jié)微網(wǎng)系統(tǒng)中不同類(lèi)型分布式電源的發(fā)電計(jì)劃，提高能源利用效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與改善，可以作為備用電源和應(yīng)急電源，保證重要負(fù)荷供電安全，解決諸如電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，滿(mǎn)足敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。典型儲(chǔ)能系統(tǒng)及組成方式21 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)（BynntSm，BS）、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（wrCnnSm，CS）及升壓變壓器、中央監(jiān)控系統(tǒng)組成，4-1所示。PCS完成交直流變換經(jīng)升壓變壓器升壓后與電力系統(tǒng)相連。電池儲(chǔ)能電流變流器的實(shí)質(zhì)是大容量的電壓逆變器，它是連接儲(chǔ)能電池和接入電網(wǎng)之間的接口電路，基本功能是實(shí)現(xiàn)直流儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電。在充電狀態(tài)，PCS作為整流裝置將電能從交流變成直流儲(chǔ)存到儲(chǔ)能系統(tǒng)中；在放電狀態(tài)，PCS作為逆變器將儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)圖4-1典型儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存的電能從直流變?yōu)榻涣?，輸送到電網(wǎng)。BMS負(fù)責(zé)管理電池堆中的所有電池，保障電池安全，監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)。2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)能電池的大容量化技術(shù)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)電池模塊是組成大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本單元，標(biāo)準(zhǔn)電池模塊的使用壽命直接決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。提高模塊使用壽命的關(guān)鍵在于電池動(dòng)態(tài)一致性問(wèn)題，涉及電池及電池組一致性影響因素的機(jī)理、電池動(dòng)態(tài)均衡的判據(jù)方法、電池組的管理及保護(hù)技術(shù)、儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)電池模塊的設(shè)計(jì)、模塊的集成技術(shù)以及電池模塊的特性檢測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能電池及電池組一致性影響因素的機(jī)理儲(chǔ)能電池及電池組內(nèi)阻和容量受溫度、電流倍率、充放深度以及循環(huán)周次等因素影響，分析各因素對(duì)電池一致性的影響水平，可以為得出電池模塊可用功率預(yù)測(cè)和能量控制方法，以及電池組實(shí)際運(yùn)行控制策略提供依據(jù)。儲(chǔ)能電池動(dòng)態(tài)均衡策略均衡是電池管理技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)，是防止并糾正電池一致性差異的主要技術(shù)手段，在電池成組的使用壽命指標(biāo)上有決定性的作用。其主要包括被動(dòng)式均衡和主動(dòng)式均衡。被動(dòng)式均衡主要利用旁路電阻在電池單體出現(xiàn)過(guò)充時(shí)對(duì)電池充電電流進(jìn)行旁路，但存在均衡電流小，熱耗散大的問(wèn)題。而主動(dòng)式均衡其工作原理與被動(dòng)式均衡有本質(zhì)區(qū)別，其主要機(jī)理是在電池間進(jìn)行能量搬移來(lái)完成電池均衡充放電。由于沒(méi)有熱耗散問(wèn)題，所以系統(tǒng)的均衡電流可以比較大。儲(chǔ)能電池組的管理及保護(hù)系統(tǒng)電池組熱管理技術(shù)是儲(chǔ)能電池組管理保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的核心內(nèi)容，電池間溫度場(chǎng)均勻度差是導(dǎo)致電池衰減出現(xiàn)離散差異的主要原因?？刹捎媒^熱量熱儀對(duì)鋰離子單體電池在各種應(yīng)用情況下的比熱、放熱量和放熱功率進(jìn)行測(cè)量，基于數(shù)值模擬，對(duì)電池及電池組模型進(jìn)行求解，進(jìn)而對(duì)電池組進(jìn)行模擬工況實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)電池箱及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電池模塊的安全防護(hù)。儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)電池模塊儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)電池模塊的核心在于單體電池的串并聯(lián)組合方式，涉及電池之間連接件的材料、結(jié)構(gòu)、連接方式、連接處的接觸電阻等因素?；诟纳频碾姵剡B接工藝，可降低接觸電阻，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能電池模塊。基于標(biāo)準(zhǔn)電池模塊的電池系統(tǒng)規(guī)?；杉夹g(shù)在標(biāo)準(zhǔn)電池模塊研究開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池模塊進(jìn)行串并聯(lián)，通過(guò)分析模塊串聯(lián)支路間的并聯(lián)對(duì)電池性能的影響，以及電池系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊的電流不一致和容量不均衡的分布規(guī)律，可得出大容量?jī)?chǔ)能單元內(nèi)電池系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)方法。儲(chǔ)能電池模塊及系統(tǒng)的特性檢測(cè)技術(shù)儲(chǔ)能電池模塊的特性檢測(cè)技術(shù)，主要包括模塊的容量、功率、效率、安全性、壽命特性、動(dòng)態(tài)工況性能、溫度特性等方面的性能檢測(cè)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)?；杉夹g(shù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化集成技術(shù)主要包括儲(chǔ)能變流器與電池系統(tǒng)匹配技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)能單元的研制、大容量?jī)?chǔ)能規(guī)?；稍O(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)冗余及擴(kuò)容方法、大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控及保護(hù)平臺(tái)和儲(chǔ)能裝置的特性檢測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能變流器與電池系統(tǒng)匹配技術(shù)大容量?jī)?chǔ)能單元的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可分為單級(jí)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、兩級(jí)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（集中DC/DC變流器）、兩級(jí)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（分散DC/DC變流器）。從幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比來(lái)看，采用單級(jí)變流器以及分散DC/DC變流器的兩級(jí)變流器這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，得出兼顧可靠性、效率和成本的變流器與儲(chǔ)能電池模塊匹配技術(shù)方案。標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)能單元的研制標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)能單元的研制需要開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能單元綜合監(jiān)控系統(tǒng)，建立多級(jí)電池管理系統(tǒng)的軟硬件控制構(gòu)架，在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可擴(kuò)展的前提下，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)電池模塊、監(jiān)控保護(hù)裝置的檢測(cè)與控制。其基本構(gòu)架如圖4-2所示。電池管理單元負(fù)責(zé)管理多個(gè)串聯(lián)電池單元。電池簇管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理一個(gè)串聯(lián)回路中的全部電池管理單元，同時(shí)檢測(cè)本串聯(lián)回路的電流，在必要時(shí)采取保護(hù)措施，同時(shí)上報(bào)本簇電池的全部信息到電池陣列管理系統(tǒng)。電池陣列管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理一個(gè)儲(chǔ)能單元雙向變流器下的全部電池簇管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與變流器和后臺(tái)4-2儲(chǔ)能單元綜合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架監(jiān)控系統(tǒng)通信，根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)整電池系統(tǒng)充放電功率。大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化集成設(shè)計(jì)涉及多儲(chǔ)能單元同步控制技術(shù)、儲(chǔ)能電站故障檢測(cè)、儲(chǔ)能單元標(biāo)準(zhǔn)化接口等儲(chǔ)能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)冗余及擴(kuò)容方法基于電池系統(tǒng)成本、可靠性及電池系統(tǒng)投資回報(bào)率，儲(chǔ)能系統(tǒng)冗余及擴(kuò)容方法主要包括分析儲(chǔ)能單元電池系統(tǒng)使用全壽命范圍內(nèi)總處理能量與充放電區(qū)間的關(guān)系、儲(chǔ)能單元的充放電使用工況對(duì)電池系統(tǒng)壽命的影響規(guī)律、儲(chǔ)能系統(tǒng)合理的冗余熱備容量設(shè)計(jì)方法、大容量?jī)?chǔ)能單元電池系統(tǒng)容量和總處理能量的優(yōu)化組合。大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)平臺(tái)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)平臺(tái)主要包括儲(chǔ)能單元與儲(chǔ)能電站監(jiān)控管理系統(tǒng)間的高速通信方法、規(guī)約、標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控系統(tǒng)控制策略，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)策略。監(jiān)控系統(tǒng)控制策略基于儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)算法，儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)策略基于能量流動(dòng)狀況和系統(tǒng)的功率平衡。保護(hù)平臺(tái)的示意圖如圖4-3所示。圖4-3監(jiān)控和保護(hù)平臺(tái)示意圖儲(chǔ)能裝置的特性檢測(cè)技術(shù)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一項(xiàng)新的技術(shù)，其應(yīng)用和推廣離不開(kāi)技術(shù)規(guī)范和性能檢測(cè)技術(shù)的支撐。主要包括電網(wǎng)接入系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范、儲(chǔ)能單元關(guān)鍵部件（儲(chǔ)能電池、電池模塊、電池單元、儲(chǔ)能單元綜合監(jiān)控系統(tǒng)、雙向變流器）技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、儲(chǔ)能單元的技術(shù)規(guī)范和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等。3 液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)氧化還原液流電池（dxwBy）簡(jiǎn)稱(chēng)液流電池，對(duì)于組成液流電池電化學(xué)體系的正/負(fù)極電對(duì)，要求其電極電位適宜，正/負(fù)極電對(duì)電位差大，可逆性良好，不受析氫、析氧副反應(yīng)影響，溶解度高且穩(wěn)定，價(jià)格便宜等。幾十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者通過(guò)變換氧化-還原電對(duì)，提出了多種液流電池體系，大致分為沉積型液流出能和液相儲(chǔ)能兩類(lèi)，例如有固相沉積的鋅/溴、全鐵、鉛酸、鎳/鋅等液流電池；全液相的鐵/鉻、多硫化鈉/溴（SB）、鈰釩體系、全鈾體系、全釩體系等液流電池。就無(wú)沉積的全液相儲(chǔ)能體系而言，其重要特征在于活性物質(zhì)完全溶于正/負(fù)極電解液中，電極反應(yīng)無(wú)固相及形貌改變，從而更易保證成組電池的一致性、均勻性并延長(zhǎng)其循環(huán)壽命。因此液相體系優(yōu)于沉積型體系而得到廣泛研究和應(yīng)用。液流電池的活性物質(zhì)可溶解分裝在兩個(gè)儲(chǔ)存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。此化學(xué)反應(yīng)是可逆的，因此可達(dá)到多次充放電的能力。此系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量由儲(chǔ)存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積。由于兩者可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性大，受設(shè)置場(chǎng)地限制小。在眾多液流電池體系中，由于全釩氧化還原液流電池（ndumdxwBy，以下簡(jiǎn)稱(chēng)B或全釩電池）系統(tǒng)的正、負(fù)極活性物質(zhì)為價(jià)態(tài)不同的釩離子，可避免正、負(fù)極活性物質(zhì)通過(guò)離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，屬于全液相、正負(fù)極電對(duì)為同一元素變價(jià)的雙流動(dòng)電解液無(wú)沉積反應(yīng)體系。其反應(yīng)較快優(yōu)勢(shì)明顯是目前主要的液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。技術(shù)特性全釩電池具有其他固相化學(xué)電池所不具備的特性與優(yōu)勢(shì)，在美日等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，但因全釩電池仍存在環(huán)境溫度適用范圍窄、能量轉(zhuǎn)換效率不高等問(wèn)題而尚未普及推廣。其特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：能量與功率獨(dú)立設(shè)計(jì)，輸出功率取決于電堆體積，儲(chǔ)能容量取決于電解液儲(chǔ)量和濃度，并且易擴(kuò)容、易維護(hù)；活性物質(zhì)存放于電堆之外的液罐中，自放電率低，理論儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)；響應(yīng)速度快，支持充放電頻繁切換以及深度放電；安全系數(shù)穩(wěn)定，支持正、負(fù)極電解液混合，且電解液可重復(fù)循環(huán)使用；特有液路管道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致支路電流損耗顯著，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)效率。應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)全釩電池運(yùn)行特性，其應(yīng)用領(lǐng)域多涉及輔助調(diào)峰、平滑風(fēng)電和光伏系統(tǒng)輸出功率、邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電、不間斷電源（S）等場(chǎng)合，如4-4所示。技術(shù)成熟度1991年澳大利亞新南威爾士大學(xué)（SW）開(kāi)發(fā)出的1kW全釩電池電堆，其直流側(cè)能量效率達(dá)到90，為全釩電池的實(shí)用化提供了可靠依據(jù)，標(biāo)志著全釩電池開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室，邁向工程化研發(fā)階段；2001年，日本住友電工（S-oEcndusd，簡(jiǎn)稱(chēng)SEI）已具備完整的生產(chǎn)和組裝全釩電池系統(tǒng)的全套技術(shù)并將全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)此外德國(guó)奧地利英國(guó)和4-415MW·h電網(wǎng)調(diào)峰儲(chǔ)能系統(tǒng)（左圖）和170kW并網(wǎng)風(fēng)電全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（右圖）泰國(guó)等國(guó)家也在開(kāi)展全釩電池系統(tǒng)研究并取得顯著成果。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)成功了22kW級(jí)電堆的全釩電池系統(tǒng)，掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百千瓦級(jí)全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成技術(shù)并成立了大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)大連融科公司）將全釩電池生產(chǎn)推向市場(chǎng)化。北京普能世紀(jì)科技有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)普能公司）2009年VRBPOWRESYSTEMS公司由此掌握全釩電池的核心專(zhuān)利權(quán)目前普能公司已經(jīng)在全釩電池的電堆集成技術(shù)、關(guān)鍵材料研發(fā)以及電解液制備技術(shù)三方面取得重大成果，并占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位。清華大學(xué)在電堆流道設(shè)計(jì)、電堆密封結(jié)構(gòu)、鎖緊方式方面取得了一定的研究成果，成功研發(fā)出了全釩電池測(cè)試平臺(tái)并與承德萬(wàn)利通實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司合作500MW全釩氧化還原液流儲(chǔ)能電池“B”項(xiàng)目，研究開(kāi)發(fā)全釩電池及其相關(guān)設(shè)備。中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所中國(guó)地質(zhì)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)廣西大學(xué)東北大學(xué)中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和中南大學(xué)等也先后開(kāi)展了全釩電池研究并取得初步成果。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程目前在世界范圍內(nèi)，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化研發(fā)和應(yīng)用的全釩電池生產(chǎn)商主要有日本SEI和北京普能世紀(jì)科技有限公司及大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司。2005年日本SEI在日本北海道苫前町建立了4W/6W·h全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑36MW風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出，是目前國(guó)際上容量規(guī)模最大的全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用工程。2003年全球原料釩的價(jià)格暴漲10倍，日本政府因本土缺乏釩礦資源而取消對(duì)SEI的財(cái)政支持，SEI曾被迫停止全釩電池技術(shù)研發(fā)。隨著近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的興起，SEI重新推廣全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。圖4-5所示為日本Tomamae32MW風(fēng)電場(chǎng)/4MW15h全釩電池系統(tǒng)。圖45日本2MW風(fēng)電場(chǎng)/4MW×.5h全釩電池系統(tǒng)澳大利亞的neB公司及加拿大前BwrSs公司在大型全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上也走在世界前列。2003年P(guān)innacleVRB公司建成了800kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)并接入混合電站應(yīng)用；2004年BwrSs建成的2W·h大型B-ESS（EnySeSm），是北美地區(qū)第一座大型商業(yè)化VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)美國(guó)政府資助Painesville電力公司與俄亥俄州市電力管理局合作，在某32W火電廠建設(shè)1W/8W·h儲(chǔ)能電池示范項(xiàng)目，成為美國(guó)首個(gè)兆瓦級(jí)全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目。歐洲各國(guó)同樣熱衷于液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用。2010年6月，第一屆國(guó)際液流儲(chǔ)能電池會(huì)議在奧地利維也納召開(kāi)，會(huì)議深入研討了液流儲(chǔ)能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)需求；西班牙EES205項(xiàng)目主攻智能電網(wǎng)用1W/2MW·h液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)；德國(guó)Fraunhofer研究機(jī)構(gòu)投資15億歐元用于研究離網(wǎng)可再生能源發(fā)電配套儲(chǔ)能10kW級(jí)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及大型風(fēng)電場(chǎng)用兆瓦級(jí)以上液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。奧地利Cm公司研制的10kW/100kW·h全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于新能源電動(dòng)車(chē)快速充電站電源系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)充電站獨(dú)立于市電穩(wěn)定工作。國(guó)內(nèi)，中國(guó)電力科學(xué)研究院于2008年與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作建成了100kW/00kW·h的全釩電池儲(chǔ)能測(cè)試系統(tǒng)，并于中國(guó)電力科學(xué)研究院電池特性實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展全面基礎(chǔ)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的試驗(yàn)示范提供了大量數(shù)據(jù)參考與理論支持。2010年，中國(guó)電科院在張北國(guó)家風(fēng)電研究檢測(cè)中心儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)基地開(kāi)展.5W/1W·h全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（見(jiàn)圖46）與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估全釩電池在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)方面的作用。全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)典型應(yīng)用案例見(jiàn)表4-2。圖46張北儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)基地.5MW/1MW·h全釩電池系統(tǒng)表4-2全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)典型應(yīng)用案例項(xiàng)目名稱(chēng)/地點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品規(guī)格投運(yùn)時(shí)間/年naaS，日本削峰填谷200kW×4h1996ebg，日本削峰填谷100kW×8h2000Sanyofactory削峰填谷3W×.5s.5W×1h2001dwr，日本平滑風(fēng)電功率輸出170kW×8h2001y，日本削峰填谷500kW×10h2001cCp，美國(guó)電網(wǎng)增容500kW×8h2004ngd，澳大利亞平滑風(fēng)電功率輸出250kW×8h2004edm，日本平滑風(fēng)電功率輸出4W×.5h2005by/nel，d平滑風(fēng)電功率輸出2MW×6h2006中國(guó)電科院風(fēng)電研究檢測(cè)中心平滑風(fēng)電功率輸出500kW×2h2011國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程一期，中國(guó)平滑可再生能源功率輸出2MW×4h2011廢水處理廠，美國(guó)削峰填谷1MW×6h2012鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)鈉硫電池（SdumSurBy）是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O，以a-a-l2O3為電解質(zhì)和隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。鈉硫電池原材料豐富能量密度和轉(zhuǎn)換效率高但因鈉和硫兩種元素的大量聚集將存在安全隱患，且其運(yùn)行溫度高達(dá)280～350，啟停周期較長(zhǎng)，同時(shí)因壟斷造成成本高且降價(jià)空間小因此尚未普及推廣4-7180A·h的鈉硫電池單體實(shí)物照片。

4-7商用鈉硫電池系統(tǒng)（左圖）和容量180Ah鈉硫單體實(shí)驗(yàn)電池（右圖）目前鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于平滑可再生能源發(fā)電功率輸出、削峰填谷、應(yīng)急電源等領(lǐng)域。圖48所示為日本kkni1.5W鈉硫電池/5W光伏電站。圖48日本i.5MW鈉硫電池/5MW光伏電站通過(guò)在用電需求小于發(fā)電量時(shí)儲(chǔ)存多余電能，而在用電需求大于供給時(shí)釋放已儲(chǔ)存電能的手段，鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決因供需不平衡而造成的電力緊張現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高現(xiàn)有設(shè)備利用率。技術(shù)成熟度1983年起，日本東京電力公司與NGK公司合作開(kāi)展儲(chǔ)能型鈉硫電池技術(shù)的研究，隨后K公司在高純度l2O3陶瓷管研制、大容量鈉硫電池單體結(jié)構(gòu)與封裝、鈉硫電池模塊化組裝等關(guān)鍵技術(shù)上獲得巨大突破，成功研制出了鈉硫電池系統(tǒng)樣機(jī)，1992年在東京電力公司開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試和示范。進(jìn)而，NGK公司著手解決l2O3陶瓷管的一致性、大容量單體電池封裝批量化工藝等技術(shù)難題，陸續(xù)推出性能穩(wěn)定且一致性好的電池單體，并最終實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。20世紀(jì)90年代中后期，NGK公司成功解決模塊組裝技術(shù)，建立了電池模塊安全試驗(yàn)平臺(tái)，支持點(diǎn)火、燃燒、擠壓和跌落等試驗(yàn)檢測(cè)。203年，K公司在ki建立模塊生產(chǎn)線，提供商業(yè)化電池產(chǎn)品，為全球供應(yīng)鈉硫電池裝置，而東京電力負(fù)責(zé)其業(yè)務(wù)范圍的工程應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所致力于鈉硫電池技術(shù)研究多年，于2007年與上海電力公司合作650A·h鈉硫電池單體2MW電池單體中試線，取得了鈉硫電池研發(fā)的重要階段性成果；但在鈉硫電池性能的提升、產(chǎn)品一致性的提高、成本的降低以及規(guī)模化生產(chǎn)工藝和裝備技術(shù)的研發(fā)方面與日本還存在較大差距，在達(dá)到鈉硫電池產(chǎn)品化的指標(biāo)上還有待繼續(xù)突破。另外，對(duì)于鈉硫電池模塊還需要進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以對(duì)其綜合性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)可見(jiàn)國(guó)內(nèi)的鈉硫電池技術(shù)當(dāng)前正處于由樣機(jī)向產(chǎn)品化轉(zhuǎn)化的階段。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程日本NGK公司和東京電力公司合作于1983年成功開(kāi)發(fā)出用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的大容量鈉硫電池；1992年日本第一個(gè)示范儲(chǔ)能電站投入試運(yùn)行，并于2003年投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)；204年7月當(dāng)時(shí)世界上最大的鈉硫電池儲(chǔ)能電站（.6W/57.6W·h）在日本正式投入運(yùn)行；K公司的鈉硫電池技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年研發(fā)和示范10MW以上鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)目前日本的鈉硫電池儲(chǔ)能電站一半以上用于電力平衡其應(yīng)用覆蓋商業(yè)工業(yè)電力水處理等各個(gè)行業(yè)；鈉硫電池儲(chǔ)能電站也被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，例如在日本kkho，某34W鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與51MW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配套用于平滑風(fēng)電功率輸出如4-9所示。美國(guó)20029100kW級(jí)鈉硫電池試驗(yàn)站2006年開(kāi)始12MW級(jí)鈉硫電池示范電站目前美國(guó)已投運(yùn)的鈉硫電池容量共計(jì)9W，還將有9W于近兩年投運(yùn)。圖410為印第安納州楚魯巴斯科2W鈉硫電池系統(tǒng)實(shí)景圖。4-9日本Rokkasho34MW鈉硫電池與51MW風(fēng)電場(chǎng)配套

4-10印第安納州楚魯巴斯科2MW鈉硫電池系統(tǒng)我國(guó)自2006年起邀請(qǐng)日本專(zhuān)家學(xué)習(xí)并開(kāi)展鈉硫電池技術(shù)研究。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和上海市電力公司于20078月建立了上海鈉硫電池研制基地，著手從事大容量城網(wǎng)儲(chǔ)能電池模塊、電網(wǎng)接入系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制，并于2009年10月在大容量鈉硫儲(chǔ)能電池研制方面獲得重要突破，成功研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的容量為650A·h的鈉硫儲(chǔ)能單體電池2MW大容量鈉硫單體電池中試生產(chǎn)示范線，使我國(guó)成為繼日本之后世界上第二個(gè)掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國(guó)家。4-11與圖4-12為中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制成功的100kW/00kW·h鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物圖。圖4-11中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所0W/0W·h鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)圖420W/0W·h鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰離子電池（hm-nBy）在充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，穿過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負(fù)極材料之中，放電時(shí)則相反。近年來(lái)鋰離子電池作為一種新型的高能蓄電池，它的研究和開(kāi)發(fā)已取得重大進(jìn)展。但由于鋰離子電池是一個(gè)涉及化學(xué)物理材料能源電子學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域研制中還存在許多問(wèn)題運(yùn)用傳統(tǒng)的電化學(xué)研究方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)、非現(xiàn)場(chǎng)的譜學(xué)方法等多種檢測(cè)手段，對(duì)鋰離子電池體系進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，將會(huì)有力地推動(dòng)鋰離子電池的研究和應(yīng)用。鋰離子電池具有單體電壓水平高、比能量大、比功率大、效率高、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，是具有實(shí)現(xiàn)規(guī)模化儲(chǔ)能應(yīng)用潛力的二次電池。但鋰離子電池在過(guò)充、短路、沖壓、穿刺、振動(dòng)、高溫?zé)釠_擊等條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全情況。其中，過(guò)充電是引發(fā)鋰離子電池不安全行為的最危險(xiǎn)因素之一。應(yīng)用領(lǐng)域近年來(lái)，鋰離子電池各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)尤其是安全性能方面的突破以及資源和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，使得鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度極快，在新能源汽車(chē)、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。大規(guī)模鋰離子電池可用于改善可再生能源功率輸出、輔助削峰填谷、調(diào)節(jié)電能質(zhì)量以及用作備用電源等。隨著鋰離子電池制造技術(shù)的完善和成本的不斷降低，鋰離子電池儲(chǔ)能將具有良好的應(yīng)用前景。技術(shù)成熟度對(duì)電極新型化學(xué)材料的研究是鋰離子電池技術(shù)的研究重點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)際上鋰離子電池重要部分（如電極、電解液和隔膜）的關(guān)鍵材料都有很大程度的改進(jìn)和提高鋰離子電池負(fù)極材料主要是石墨電解液和隔膜選擇比較單一因此主要通過(guò)正極材料名稱(chēng)區(qū)分鋰離子電池類(lèi)型。其中，正極的改進(jìn)經(jīng)歷了從較昂貴的鈷酸鋰到較便宜、也較穩(wěn)定的磷酸鐵鋰和錳酸鋰的變化。磷酸鐵鋰以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成本低安全性能好綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)此外具有較高充放電速率的納米磷酸鐵鋰技術(shù)（美國(guó)123公司）及鈦酸鋰技術(shù)（rnano公司）的研究已獲得突破，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)作。國(guó)內(nèi)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得益于手機(jī)、筆記本電腦市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，隨著新材料技術(shù)的突破與制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，以及電動(dòng)交通運(yùn)輸工具的興起與推廣，也將繼續(xù)推動(dòng)了鋰離子電池技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池包括鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料電池等，它們的主要參數(shù)見(jiàn)表4-3。表4-3產(chǎn)業(yè)化鋰離子電池參數(shù)鈷酸鋰電池錳酸鋰電池磷酸鐵鋰電池三元材料電池比能量/（h/kg）130～15080～10090～130120～200比功率/（W/g）1300～25001200～2000900～13001200～3000循環(huán)次數(shù)500100030003000安全性差良優(yōu)良單體一致性?xún)?yōu)優(yōu)差優(yōu)第第4章儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性95（續(xù)）鈷酸鋰電池錳酸鋰電池磷酸鐵鋰電池三元材料電池效率（%）≥95≥95≥95≥95支持放電倍率/C10～1515～201010～15成本/（元/kW·h）3000～350020002500～30003000～3500當(dāng)前已趨于成熟的小型鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，多服務(wù)于小型電器、電動(dòng)工具以及電動(dòng)交通工具，而規(guī)?；瘍?chǔ)能型鋰離子電池的研發(fā)規(guī)模離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，正逐漸成為當(dāng)前電池產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，美國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家均已建成兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能應(yīng)用示范項(xiàng)目。美國(guó)美國(guó)電力科學(xué)研究院（EI）于008年進(jìn)行了磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試工作；2009年開(kāi)展了鋰離子電池用于分布式儲(chǔ)能的研究和開(kāi)發(fā)，包括2kW/4kW·h、50kW/200kW·h、00kW/400kW·h的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；同年還開(kāi)展了兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范應(yīng)用，主要用于電力系統(tǒng)頻率和電壓控制以及平滑風(fēng)電功率輸出200811月美國(guó)A123公司率先開(kāi)發(fā)出了2MW鋰離子儲(chǔ)能電池（見(jiàn)圖413），并應(yīng)用于ES公司的H-U（bdnypowerunit）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量調(diào)節(jié)并充當(dāng)備用電源90。201年1月，美國(guó)ES公司r20W儲(chǔ)能項(xiàng)目一期8W鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建成（4-14）該項(xiàng)目是美國(guó)首個(gè)在公共設(shè)施應(yīng)用并進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，主要用于削峰填谷，提高電網(wǎng)接納可再生能源的能力2011年4-13美國(guó)2MW鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)10月，美國(guó)西弗吉尼亞州Laurel山區(qū)976MW風(fēng)電場(chǎng)配置的32MW鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（公司提供4-15）投入運(yùn)營(yíng)（運(yùn)營(yíng)方為美國(guó)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商M公司），該系統(tǒng)主要用于平滑可再生能源功率輸出。圖44r0MW儲(chǔ)能項(xiàng)目一期工程電池儲(chǔ)能系統(tǒng)4-15美國(guó)西弗吉尼亞州Laurel山區(qū)32MW鋰離子電池風(fēng)儲(chǔ)項(xiàng)目日本日本將磷酸鐵鋰電池作為能量型儲(chǔ)能電池開(kāi)展了大量研究與應(yīng)用，并由日本東芝公司開(kāi)發(fā)出可快速充放電的功率型鋰離子電池，主要用于大功率及長(zhǎng)壽命的產(chǎn)業(yè)設(shè)備，特別是在需要快速功率切換的可再生能源發(fā)電市場(chǎng)。但目前該電池技術(shù)尚沒(méi)有規(guī)?；瘧?yīng)用的實(shí)例，技術(shù)上還有待完善和考驗(yàn)。國(guó)內(nèi)直屬?lài)?guó)家電網(wǎng)公司的中國(guó)電力科學(xué)研究院早于2007年即建立了鋰離子電池研究與測(cè)試平臺(tái)（4-16）能夠?qū)Σ煌a(chǎn)廠家不同類(lèi)型的鋰離子電池進(jìn)行全面的特性實(shí)驗(yàn)研究20kW以下級(jí)別的鋰離子電池成組的研發(fā)為鋰離子電池大規(guī)模成組奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，還提出了不同梯級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電池性能的要求、影響因素及相關(guān)表征量，建立了鋰離子電池梯級(jí)利用的檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系。2008年，中國(guó)電力科學(xué)研究院在張北國(guó)家風(fēng)電研究檢測(cè)中心建立了電池特性實(shí)驗(yàn)室（張北儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)基地4-17）并重點(diǎn)圍繞鋰離子電池成組技術(shù)、鋰離子電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)以及鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用模式和接入條件開(kāi)展工作并于2010年開(kāi)展了1MW鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估鋰離子電池在可再生能源發(fā)電接入方面的應(yīng)用。2011年國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)了世界首個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)輸示范項(xiàng)目，規(guī)劃建設(shè)風(fēng)電50W、光伏發(fā)電100W、儲(chǔ)能系統(tǒng)110W，項(xiàng)目建成投產(chǎn)后將成為全世界最大的風(fēng)-光-儲(chǔ)-輸示范基地4-18所示儲(chǔ)能電站將示范不同技術(shù)路線的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，以鋰離子電池為主，液流和鈉硫電池為輔，同時(shí)預(yù)留空間，試驗(yàn)探索不同儲(chǔ)能技術(shù)的性能，通過(guò)利用大規(guī)模儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)上述設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一充放實(shí)現(xiàn)平滑風(fēng)光功率輸出跟蹤風(fēng)光計(jì)劃發(fā)電輔助削峰填谷參與系統(tǒng)調(diào)頻四種功能。圖4-16中國(guó)電力科學(xué)研究院張北儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)基地2009年7月，比亞迪公司率先建成我國(guó)第一座兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能電站。該儲(chǔ)能電站可采用削峰填谷模式運(yùn)行，即在用電低谷期儲(chǔ)能電池充電，在用電高圖4-17中國(guó)電力科學(xué)研究院張北儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)基地圖4-18張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程效果圖峰期儲(chǔ)能電池放電。201110月，南方電網(wǎng)公司建成了3MW4h磷酸鐵鋰離子電池儲(chǔ)能示范電站（4-19），以雙回10kV電纜分別接入深圳110kV碧嶺站主要功能定位為削峰填谷以達(dá)到提高主變負(fù)荷率降低峰谷差的目的。另外，東莞新能源科技有限公司（L）、中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司、萬(wàn)向電動(dòng)汽車(chē)有限公司、天津力神電池股份有限公司也在進(jìn)行鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)、測(cè)試及工程應(yīng)用。圖4-19南方電網(wǎng)兆瓦級(jí)寶清儲(chǔ)能電站6 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用PCS技術(shù)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（wrCnSm，CS）是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的核心部件，可以實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)間的交直流轉(zhuǎn)換，完成兩者間的雙向能量流動(dòng)，并通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的充放電管理、網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率的跟蹤、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的控制和正常及孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制等。1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器DC/DC+DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)中最常見(jiàn)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-20所示，雙向DC/DC環(huán)節(jié)主要進(jìn)行升、降壓變換，提供穩(wěn)定的直流電壓。儲(chǔ)能電池充電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電壓整流為直流電壓，該電壓經(jīng)雙向DC/DC變流器降壓得到儲(chǔ)能電池充電電壓；儲(chǔ)能電池放電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變流器升壓向DC/AC變流器提供直流側(cè)輸入電壓，經(jīng)變流器輸出合適的交流電壓。這種含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PCS的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理。由于DC/DC環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升、降，使得儲(chǔ)能電池的容量配置更加靈活；適于配合風(fēng)電、光伏等間歇性、波動(dòng)性比較強(qiáng)的分布式電源的接入，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來(lái)的電壓波動(dòng)。其主要圖40含C/C環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖41含C/C環(huán)節(jié)的變流器并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是多了DC/DC環(huán)節(jié)，整個(gè)PCS系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低，大容量PCS的DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系復(fù)雜。此外，包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有圖4-21所示兩種。圖4-21a是包含DC/DC環(huán)節(jié)的共直流側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是，多組儲(chǔ)能電池組分別經(jīng)過(guò)各自的DC/DC環(huán)節(jié)后并聯(lián)，再共用一個(gè)DC/AC環(huán)節(jié)，然后經(jīng)濾波器濾波后并網(wǎng)。圖4-21b所示是包含DC/DC環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是，多組電池組分別經(jīng)過(guò)各自的DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經(jīng)過(guò)濾波器濾波后并網(wǎng)。4-20所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，圖4-21a和圖4-21b所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：采用模塊化連接方式，配置更加靈活；通過(guò)并聯(lián)DC/DC變流器達(dá)到系統(tǒng)容量需求，避免多組儲(chǔ)能電池的并聯(lián)，降低了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電池電壓特性的要求；當(dāng)個(gè)別儲(chǔ)能電池組或并聯(lián)變流器出現(xiàn)故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定性；減小了對(duì)單個(gè)電力電子器件功率等級(jí)的要求。但是這兩種結(jié)構(gòu)不足之處是增加了器件個(gè)數(shù)，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。DC/AC在如圖4-22所示的PCS中，儲(chǔ)能電池經(jīng)過(guò)串并聯(lián)后，直接連接DC/AC的直流端。儲(chǔ)能電池系統(tǒng)充電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在整流器狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電池中；儲(chǔ)能電池系統(tǒng)放電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在逆變器狀態(tài)，將儲(chǔ)能電池釋放的能量由直流轉(zhuǎn)換為交流回饋外部系統(tǒng)。這種僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PCS環(huán)節(jié)能耗相對(duì)較低。該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、造價(jià)高；儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性；電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障有可能在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時(shí)大電流，對(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。圖42僅有C/C環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS另一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-23所示。圖4-23僅含DC/AC環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是，多組電池組分別經(jīng)過(guò)各自的DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經(jīng)過(guò)濾波器圖43僅含C/C環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波后并網(wǎng)4-22所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：采用模塊化連接方式，配置更加靈活；當(dāng)個(gè)別儲(chǔ)能電池組或并聯(lián)變流器出現(xiàn)故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定性；減小了對(duì)單個(gè)電力電子器件功率等級(jí)的要求。但是這種結(jié)構(gòu)同樣存在電力電子器件增多，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等不足之處。Z-源DC/AC在傳統(tǒng)變流電路中，逆變橋的任何一相、兩相或三相橋臂的兩個(gè)BT同時(shí)導(dǎo)通的直通狀態(tài)是被嚴(yán)格禁止的，因?yàn)檫@會(huì)造成電壓源短路損壞設(shè)備。而含Z-源網(wǎng)絡(luò)的逆變器（4-24）由于加入了阻抗網(wǎng)絡(luò)允許發(fā)生這種狀態(tài)在直通狀態(tài)下Z-源網(wǎng)絡(luò)中的電感被充電在非直通狀態(tài)下電感中的能量被釋放。含Z-源網(wǎng)絡(luò)的逆變器就是通過(guò)給橋臂加入直通狀態(tài)，使直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)按預(yù)設(shè)的升壓調(diào)制方式交替出現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓泵升的。Z-源網(wǎng)絡(luò)升壓條件較常見(jiàn)的升壓電路少且原理簡(jiǎn)單控制方便不需要額外的開(kāi)關(guān)管Z-源網(wǎng)絡(luò)允圖4-24含Z-源網(wǎng)絡(luò)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)許同橋臂兩開(kāi)關(guān)管直通，這樣就不需要去設(shè)置死區(qū)時(shí)間，使得系統(tǒng)的安全性更高。將Z-源網(wǎng)絡(luò)和全橋逆變器結(jié)合在一起的逆變器拓?fù)?，主要?yōu)點(diǎn)有允許逆變橋上下管直通，提高了逆變器的安全性和可靠性；在系統(tǒng)不附加升壓環(huán)節(jié)的情況下，可以通過(guò)插入直通時(shí)間，運(yùn)用直通零電壓來(lái)升高直流電壓以實(shí)現(xiàn)逆變器的升壓功能；升降壓比高，使儲(chǔ)能電池容量選擇范圍寬泛；輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓相同，甚至比電網(wǎng)電壓更高；消除了由死區(qū)帶來(lái)的輸出電壓波形畸變。級(jí)聯(lián)型H橋級(jí)聯(lián)型H橋變流器每相由若干個(gè)功率單元組成，電池組連接到功率單元兩端4-25所示每個(gè)功率單元中有兩對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)，每對(duì)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作將導(dǎo)致該相的輸出電壓上升或下降一個(gè)單元直流母線電壓。通過(guò)合理選4-25級(jí)聯(lián)型H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擇產(chǎn)生上升沿和下降沿的開(kāi)關(guān)組合，即可完成不同開(kāi)關(guān)間的輪換，免除了兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期間的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，達(dá)到降低開(kāi)關(guān)頻率的目的。具體選擇方法為：根據(jù)開(kāi)關(guān)當(dāng)前狀態(tài)將開(kāi)關(guān)分為兩組：一組為開(kāi)關(guān)動(dòng)作后將導(dǎo)致輸出電壓上升，另一組為開(kāi)關(guān)動(dòng)作后將導(dǎo)致輸出電壓下降。根據(jù)輸出波形的需要，從中選擇未動(dòng)作時(shí)間最長(zhǎng)的兩組開(kāi)關(guān)來(lái)完成電壓波形的輸出。級(jí)聯(lián)型H橋變流器采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，需要實(shí)現(xiàn)高壓時(shí)，只需簡(jiǎn)單地增加單元數(shù)即可，避免儲(chǔ)能電池串聯(lián)。級(jí)聯(lián)型H橋變流器的每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和封裝；每個(gè)功率單元都是分離的直流電源，之間是彼此獨(dú)立的，對(duì)一個(gè)單元的控制不會(huì)影響其他單元；直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn)，各變流器單元的工作負(fù)荷一致。濾波器并網(wǎng)逆變器濾波的主要作用是：有效抑制輸出電流的過(guò)分波動(dòng)；將開(kāi)關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除；輸出濾波電感相當(dāng)于連接電網(wǎng)和逆變橋的杠桿，通過(guò)它可以控制并網(wǎng)電流的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)逆變器的功率輸出，使功率因數(shù)等于1，也可以根據(jù)需要向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，甚至實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運(yùn)行特性。目前常見(jiàn)的逆變器輸出濾波器一般有三種形式：L型濾波器、LCLCL型濾波器根據(jù)逆變器運(yùn)行不同狀態(tài)所選取的濾波器形式也不一樣對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行時(shí)LC型濾波器當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)L型濾波器、LC型濾波器和LCL型濾波器。L型濾波器L型濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（4-26）并網(wǎng)電流控制容易但其高頻濾波特性差，不適合開(kāi)關(guān)頻率較低的應(yīng)用場(chǎng)合。典型的并網(wǎng)逆變器通過(guò)串聯(lián)電感濾波器，來(lái)衰減輸出電流中的開(kāi)關(guān)頻率諧波分量，但在低開(kāi)關(guān)頻率的大功率并網(wǎng)逆變器中，采用電感濾波需要較大的電感量，電感值的增加不但提高了成本而且不利于逆變器的控制。圖4-26L型濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LC型濾波器由于逆變器以高頻PWM方式工作，所以輸出濾波器的作用是濾掉諧波分量，使輸出電壓接近正弦波。LC型濾波器的控制簡(jiǎn)單，與單電感L型濾波器相比，電路中的電容能有效地衰減并網(wǎng)電流的高頻成分，而且適合于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與獨(dú)立兩種運(yùn)行模式的切換。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-27所示。圖4-27LC型濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LC型濾波器的優(yōu)點(diǎn)是成本低、插入損耗小。不足是當(dāng)工作頻率較低時(shí)，所需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器的體積和重量大，不易集成化。工作頻率較高時(shí)，小電感不易制作，且分布參數(shù)影響難估計(jì)，調(diào)整困難。LCL型濾波器LCL型濾波器的高頻衰減特性好，但其濾波元件參數(shù)設(shè)計(jì)及并網(wǎng)電流控制策略較為復(fù)雜。LCL型濾波為三階系統(tǒng)，具有更好的高頻衰減特性，對(duì)高頻分量呈高阻態(tài)要達(dá)到相同的濾波效果LCLL型小得多但作為三階系統(tǒng)LCL型濾波需要確定兩個(gè)電感量一個(gè)電容量增加了設(shè)計(jì)難度，而LCL型濾波還有諧振問(wèn)題控制回路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-28所示。圖4-28LCL型濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更好應(yīng)用前景的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，在變流器方面，含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)PCS裝置的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其電池組的配置更靈活，對(duì)電池的充放電管理更準(zhǔn)確、可靠，更適于配合新能源的接入。但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，使僅依靠電池串并聯(lián)達(dá)到穩(wěn)定的功率及容量需求成為可能，這樣就可省去DC/DC環(huán)節(jié)，不僅減少器件數(shù)量，也使得控制更為簡(jiǎn)單，更重要的是提高了能量轉(zhuǎn)換效率。含有Z-源網(wǎng)絡(luò)的變流器，允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，省去死區(qū)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，提高了變流器的安全性和可靠性，提高了輸出波形質(zhì)量，并且可通過(guò)插入直通時(shí)間升高直流電壓，具有很好的應(yīng)用前景。在濾波器方面，LCL型變流器在高頻段具有較快的衰減特性，可以很好地抑制諧波，從而能有效地降低電感值，在大功率場(chǎng)合可相對(duì)的減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并且受電網(wǎng)的影響較小。綜上所述，提出了圖4-29和圖4-30所示兩種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4-29含Z-源網(wǎng)絡(luò)和LCL型濾波器的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖40僅含C/C環(huán)節(jié)和L型濾波器的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62 控制方法滯環(huán)控制滯環(huán)控制也叫Bang-Bang控制或紋波調(diào)節(jié)器控制，即將輸出電壓維持在內(nèi)部參考電壓為中心的滯環(huán)寬度內(nèi)。滯環(huán)控制屬于閉環(huán)電流跟蹤控制方法，最初用于控制電壓型逆變器的交流電流輸出，是最簡(jiǎn)單的電流控制方式。采用滯環(huán)控制可以使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，且不產(chǎn)生無(wú)功功率和諧波電流。滯環(huán)控制同時(shí)兼有兩種功能：①作為電流調(diào)節(jié)器；②起PWM調(diào)節(jié)器的作用，可以獲得很寬的電流頻寬。滯環(huán)控制無(wú)需外加調(diào)制信號(hào)，檢測(cè)的變量是電感電流，控制電路設(shè)有一個(gè)滯環(huán)邏輯控制器，有一個(gè)電流滯環(huán)帶。滯環(huán)帶的帶寬決定了電流紋波的大小，它可以取固定值也可以與瞬時(shí)平均電流成正比滯環(huán)控制的原理圖如圖4-31所示。圖4-31滯環(huán)控制的原理圖滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)是：控制方式簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力。電流滯環(huán)瞬時(shí)比較控制不依賴(lài)于變流器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)參數(shù)，從而也不需要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行近似和簡(jiǎn)化處理。但是，滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對(duì)系統(tǒng)性能不利。無(wú)差拍控制無(wú)差拍控制最先是由卡爾曼提出的，它是一種基于被控制對(duì)象準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的控制方法。無(wú)差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)（通常是輸出濾波電容的電壓和電流）推算出下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的PWM脈沖寬度。PWM脈沖寬度是根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)矢量和下一采樣時(shí)刻的參考正弦值計(jì)算出來(lái)的。因此，從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓，由負(fù)載變化或非線性負(fù)載引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)得到校正。無(wú)差拍控制要求控制脈寬必須在當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)拍輸出，否則不僅會(huì)破壞控制特性，甚至還會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采樣和計(jì)算延時(shí)，要做到當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)拍輸出必然使輸出脈沖的占空比受到限制，這就降低了輸入直流電壓的利用率。無(wú)差拍控制的控制參數(shù)與輸出濾波器參數(shù)、直流母線電壓以及負(fù)載息息相關(guān)，只要它們當(dāng)中的一個(gè)發(fā)生變化，控制參數(shù)就得進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則就會(huì)導(dǎo)致控制失效，所以無(wú)差拍控制系統(tǒng)的魯棒性很差?；？刂苹？刂剖且环N非線性控制，這種控制的特點(diǎn)是控制的非連續(xù)性，它使系統(tǒng)在一定條件下沿著規(guī)定的軌跡做高頻率、小振幅的上下運(yùn)動(dòng)?；？刂频脑硎歉鶕?jù)系統(tǒng)所期望的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過(guò)滑動(dòng)模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平面向原點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為滑?？刂?，如圖4-32所示。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設(shè)計(jì)的切換超平面而與外界干擾沒(méi)有關(guān)系，所以滑?？刂凭哂泻軓?qiáng)的魯棒性。超平面的設(shè)計(jì)方法有極點(diǎn)配置，特征向量配置設(shè)計(jì)法，最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等，所設(shè)計(jì)的切換超平面需滿(mǎn)足達(dá)到條件，即系統(tǒng)在滑模平面后將保持在該平面的條件。控制器的設(shè)計(jì)有固定順序控制器設(shè)計(jì)、自由順序控制器設(shè)計(jì)和最終滑動(dòng)控制器設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法。圖4-32滑?？刂瓶驁D這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可以用于非線性系統(tǒng)。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，由于控制的不連續(xù)使其變?yōu)榉蔷€性系統(tǒng)；對(duì)于非連續(xù)系統(tǒng)，不僅有非連續(xù)特性還包含有非線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。這種控制方法具有很強(qiáng)的魯棒性，但也存在控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效果不佳、理想滑模切換面難于選取、控制效果受采樣率的影響等弱點(diǎn)。重復(fù)控制重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高準(zhǔn)確度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理，如圖4-33所示。逆變器采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負(fù)載引起的輸出電壓波形周期性畸變。其控制思想是假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時(shí)刻再次出現(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號(hào)和輸出電壓反饋信號(hào)的誤差來(lái)確定所需的校正信號(hào)，然后，在下一個(gè)基波周期將此校正信號(hào)疊加在原控制信號(hào)上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但由于重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的變流器動(dòng)態(tài)特性極差，無(wú)法滿(mǎn)足變流器的指標(biāo)要求。模糊控制模糊控制屬于智能控制的范疇。系統(tǒng)的復(fù)雜性和模型的準(zhǔn)確性總是存在著矛盾，許多控制方法都要求有被控對(duì)象的準(zhǔn)確模型，而模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被圖4-33重復(fù)控制框圖控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，因此，其具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。模糊控制有三個(gè)基本組成部分，即模糊化、模糊決策和精確化計(jì)算。其工作過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：首先將信息模糊化，然后經(jīng)模糊推理規(guī)則得到模糊控制輸出，最后將模糊指令進(jìn)行精確化計(jì)算最終輸出控制值。模糊控制需知道輸入輸出間的數(shù)學(xué)依存關(guān)系，給定一個(gè)輸入，便可以根據(jù)控制規(guī)則表得到一個(gè)合適的輸出，控制算法簡(jiǎn)單、計(jì)算時(shí)間較少。逆變器采用模糊控制有利于提高控制的實(shí)時(shí)性，改善逆變器輸出電壓波形質(zhì)量。模糊控制主要依賴(lài)模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)。如果對(duì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的模糊化處理會(huì)導(dǎo)致被控系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，為了提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度必然要增加量化等級(jí)，這樣就使得規(guī)則迅速增多，影響了規(guī)則庫(kù)的最佳生成，而且會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和推理時(shí)間。變流器模糊控制原理圖如圖4-34所示。圖4-34變流器模糊控制原理圖模糊控制主要用于滯后系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)，該控制不要求知道系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，根據(jù)控制量的數(shù)可分為一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器。模糊控制類(lèi)似于傳統(tǒng)的PD控制，因而，該控制有很快的響應(yīng)速度，但是其靜態(tài)特性不令人滿(mǎn)意。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動(dòng)的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力、并行計(jì)算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片的出現(xiàn)，一些學(xué)者正在研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在逆變電源中的應(yīng)用，目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)算法等方面已取得了一定成果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PI控制器如圖4-35所示。圖4-35神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PI控制器由于硬件系統(tǒng)的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線控制，多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律，然后利用得到的規(guī)律實(shí)現(xiàn)在線控制。3 實(shí)例仿真電網(wǎng)電壓為380V，控制直流母線電壓為700V，系統(tǒng)的容量為100kW。假設(shè)有兩種充放電特性的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。一種是具有響應(yīng)快、長(zhǎng)壽命、小容量，能夠高頻快速充放電的功率型儲(chǔ)能電池，這種電池適合補(bǔ)償短時(shí)功率波動(dòng)。另一種是具有大容量、響應(yīng)慢，低頻充放電的能量型儲(chǔ)能電池，這種電池適合補(bǔ)償長(zhǎng)時(shí)功率波動(dòng)。使用這兩種電池對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行平滑，達(dá)到并網(wǎng)要求。針對(duì)實(shí)例，分別對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器以及雙向DC/DC變流器進(jìn)行設(shè)計(jì)，組成用于風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)的PCS系統(tǒng)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。DC/DC環(huán)節(jié)控制策略為了對(duì)電池進(jìn)行功率和能量管理，必須對(duì)雙向DC/DC變流器進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能的充放電控制。雙向DC/DC變流器采用電感電流內(nèi)環(huán)和瞬時(shí)值電壓外環(huán)控制。電流環(huán)采用電感電流內(nèi)環(huán)，在電池為儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，電感電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池充電電流的控制，保護(hù)開(kāi)關(guān)管的安全；在電池為釋能狀態(tài)時(shí)，電感電流內(nèi)環(huán)提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。電壓環(huán)采用直流母線電壓外環(huán)，目的是維持并網(wǎng)變流器的直流母線電壓穩(wěn)定，使并網(wǎng)變流器能夠輸送恒定功率。其控制框圖如圖4-36所示。DC/AC及濾波器環(huán)節(jié)由于DC/AC變流器的控制參數(shù)采樣來(lái)自并網(wǎng)濾波器，因此將兩部分合并分圖46C/C變流器控制框圖析。單電感變流器的控制系統(tǒng)框圖如圖4-37所示，其中dq軸電流的微分和乘積項(xiàng)可以用PI調(diào)節(jié)器得到，后面的補(bǔ)償項(xiàng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算疊加到dq軸電壓指令中。圖4-37單電感變流器控制系統(tǒng)圖負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-38所示。4-38中R（s）為給定信號(hào)，C（s）為輸出信號(hào)，B（s）為反饋采樣信號(hào)，E（s）為誤差信號(hào)，G（s）為被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由此可以求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖4-38負(fù)反饋系統(tǒng)R（由此可求出系統(tǒng)的特征方程為

=G（s）1+G（s）

（4-1）F（s）=1+G（s）=0 （42）對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，特征方程F（s）的根都在s平面的左半平面，或是說(shuō)閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于s平面的左半平面。LCL型濾波器是三階傳遞函數(shù)，采用LCL型濾波器的變流器PI控制器（見(jiàn)4-39）設(shè)計(jì)復(fù)雜，考慮到LCL型濾波器和L型濾波器低頻特性一致，因此可以根據(jù)等效的L型濾波的變流器數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。圖4-39采用LCL型濾波器的變流器控制框圖電感值為L(zhǎng)T的純電感并網(wǎng)逆變器的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為-RT

ωdiTd=

LT iTd

1ed

1uddti

-R

+LT

-LT

（4-3）TTq ωT

LTTq

q

q考慮引入電容電流代替電流補(bǔ)償傳遞函數(shù)。因此，電流內(nèi)環(huán)控制框圖可變?yōu)?-40所示的形式采用LCL型和L型濾波器的變流器網(wǎng)側(cè)電流分別如圖4-414-42所示。LCL型濾波器的變流器與采用L型濾波器的變流器網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行諧波分析，4-43所示。從圖中可以看出在相同電感總量的前提下LCL型濾波器的變流器146L型濾波器的變流器諧波畸變總量為361并10kHz處采用LCL型濾波器的變流器的諧波量明顯低于采用L型濾波器的變流器的諧波量。圖4-40加入電容電流補(bǔ)償后的電流內(nèi)環(huán)控制框圖圖4-41采用LCL型濾波器的變流器網(wǎng)側(cè)電流圖4-42采用L型濾波器的變流器網(wǎng)側(cè)電流仿真結(jié)果

圖4-43諧波分析綜合對(duì)DC/DC環(huán)節(jié)、DC/AC環(huán)節(jié)和濾波器的分析，提出用于風(fēng)儲(chǔ)混合系統(tǒng)的CS系統(tǒng)。其整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與unk仿真圖分別如圖444和圖445所示。針對(duì)圖4-45所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真所得關(guān)鍵曲線圖如圖4-46～圖4-59所示。仿真結(jié)果表明，實(shí)例中的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平滑風(fēng)電輸出的波動(dòng)，達(dá)到并網(wǎng)要求。此外，兩種不同類(lèi)型的儲(chǔ)能電池，能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，利于延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池壽命。圖4-44PCS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4-45仿真結(jié)構(gòu)4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用PCS發(fā)展前景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器和含圖4-46風(fēng)電數(shù)據(jù)讀入曲線圖4-47風(fēng)電數(shù)據(jù)經(jīng)變流器后輸出曲線Z-DC/AC環(huán)節(jié)的變流器將由于器件數(shù)量少控制簡(jiǎn)單能量轉(zhuǎn)換效率高輸出波形質(zhì)量好等原因得到更廣泛的應(yīng)用同時(shí)LCL型濾波器的變流器由于可以很好地抑制諧波，可有效降低電感值，減小系統(tǒng)體積和成本，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，將成為PCS濾波器的主流?？刂品椒ǚ矫?。從各種控制方案的分析可以看出，每一種控制方案都有其特長(zhǎng)但都在某些方面存在一些問(wèn)題。因此各種控制方案互相滲透取長(zhǎng)補(bǔ)短優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)結(jié)合成復(fù)合控制方案是變流器控制策略的必然發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，圖4-48平滑輸出曲線圖4-49網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖4-50電池高頻充放電功率曲線圖4-51電池低頻充放電功率曲線4-52高頻充放電電池直流母線電壓4-53低頻充放電電池直流母線電壓采用SVPWM技術(shù)，每次開(kāi)關(guān)切換只涉及一個(gè)器件，開(kāi)關(guān)損耗?。焕秒妷嚎臻g矢量生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)單；變流器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM變流器輸出電壓高15，因此具有更好的應(yīng)用前景。4-54高頻電池SOC曲線4-55低頻電池SOC曲線圖4-56高頻電池充放電電流圖4-57高頻電池端電壓圖4-58低頻電池充放電電流圖4-59低頻電池端電壓7 電池儲(chǔ)能用BMS技術(shù)在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BynntSm，BS）用于管理電池堆所有電池的管理系統(tǒng)，其需要保障每一塊電池的安全，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控所有電池的電壓、溫度等狀態(tài)信息，以及電池堆整體的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀態(tài)可以及時(shí)方便地發(fā)現(xiàn)故障電池同時(shí)先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)還需要有高效的電池均衡能力，達(dá)到延緩電池壽命衰減的作用。1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS發(fā)展概況BMS在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮了巨大作用從而吸引了國(guó)內(nèi)外一大批優(yōu)秀的電池企業(yè)或保護(hù)板企業(yè)甚至新興高科技企業(yè)（A123ATL比亞迪、惠州億能東莞鉅威等）對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的研發(fā)投入早期的電池管理系統(tǒng)一般只有電池過(guò)充電/過(guò)放電控制、電壓/電流/溫度監(jiān)測(cè)及簡(jiǎn)單的通信等功能，初步滿(mǎn)足了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。但是由于電池制造工藝的限制，特別是國(guó)內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)電池的廠商，仍舊采用半自動(dòng)化甚至手工方式生產(chǎn)電池，導(dǎo)致電池內(nèi)阻、電壓、容量的一致性問(wèn)題，在大型儲(chǔ)能系統(tǒng)中遇到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，嚴(yán)重影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量及性能的發(fā)揮電池組使用壽命可能縮短數(shù)倍甚至十幾倍。為解決電池的一致性問(wèn)題電池均衡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生基于無(wú)源均衡（PassiveBng）功能的電池管理技術(shù)，可增強(qiáng)電池的采集監(jiān)測(cè)功能，采用一定的均衡控制策略，引入高速通信功能，可在一定程度上減輕電池一致性帶來(lái)的容量下降及壽命縮短問(wèn)題。目前許多企業(yè)都是采用這種方式進(jìn)行電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而這一傳統(tǒng)的均衡技術(shù)卻帶來(lái)了新的問(wèn)題，無(wú)源均衡方案，采用功率型電阻作為均衡器件，例如美國(guó)的專(zhuān)利《mndhdrBnngCsnaBykwhSeBpshs》（7，46，1042）、《hdrBnnghumSdyCsddus》（7，609，012）中都有說(shuō)明，而在大型電池系統(tǒng)中無(wú)源均衡帶來(lái)了均衡電流做不大、熱耗散困難、均衡電路散熱設(shè)計(jì)成本高昂等問(wèn)題并且均衡效率較低可靠性差在這種形勢(shì)下新一代更優(yōu)功能均衡技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。近幾年來(lái)隨著大型電池組的出現(xiàn)，電池管理系統(tǒng)中的有源均衡（eB-ancing）技術(shù)迅速進(jìn)入人們的視野該技術(shù)具有均衡電流大均衡時(shí)間長(zhǎng)熱耗散低，充電效率高等優(yōu)點(diǎn)。有源均衡已經(jīng)被業(yè)界認(rèn)可成為最有希望實(shí)現(xiàn)大電流均衡的方式。最新的基于有源均衡技術(shù)的電池管理系統(tǒng)，擁有更高級(jí)別的數(shù)據(jù)采集速率與準(zhǔn)確度SOC估算和高速穩(wěn)定的通信架構(gòu)增強(qiáng)了電池組的監(jiān)控與安全保護(hù)功能滿(mǎn)足了當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能需求。2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的技術(shù)要點(diǎn)電池均衡技術(shù)在電池在生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備控制準(zhǔn)確度會(huì)使原材料的配比、正負(fù)極原材料分布密度產(chǎn)生差異，操作過(guò)程會(huì)對(duì)電池的半成品產(chǎn)生不同的細(xì)微損傷。由于電池屬于化學(xué)品，這些變化都會(huì)使電池的性能（如電池的容量、內(nèi)阻、電壓等）發(fā)生變化在電池成組過(guò)程中電池的搬運(yùn)輕微碰撞焊接固定等操作也會(huì)使電池的性能發(fā)生變化。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，自放電率、環(huán)境溫度、濕度、充放電深度等的不同，會(huì)使電池衰減速度不一致，導(dǎo)致電池間更大的一致性差異。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的一致性差異會(huì)造成能量的水桶效應(yīng)，導(dǎo)致充電時(shí)，容量最小的電池容易過(guò)充，放電時(shí)，容量最小的電池又容易過(guò)放。若容量最小的電池受損，系統(tǒng)容量將變得更小，進(jìn)入惡性循環(huán)，從而影響電池循環(huán)壽命。另外，單體電池性能的優(yōu)劣也直接影響到整組電池的充放電特性，造成電池組容量降低。BMS廠家為了解決電池的一致性問(wèn)題，通過(guò)各種各樣的均衡技術(shù)改善電池的一致性。一般為分損耗型電阻分流法、非損耗型開(kāi)關(guān)電容法和DC/DC變流器法。電阻分流法電阻分流法是目前應(yīng)用最多的均衡技術(shù)，其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉，基本的原理圖如圖4-60所示。電阻分流法的原理是把電壓較高的電池通過(guò)一個(gè)電阻進(jìn)行放電，使電池電壓趨于低電壓電池，實(shí)現(xiàn)均衡目的。其中是否需

4-60電阻分流均衡電路基本原理圖要放電由控制策略決定開(kāi)關(guān)管的打開(kāi)與閉合。如圖460所示，若Cl1電壓較高，可以控制T1開(kāi)關(guān)管閉合，通過(guò)R1對(duì)Cl1放電，達(dá)到電池接近于Cl2和Cl3。為使電阻分流均衡技術(shù)更好地應(yīng)用于大容量電池組，需要增加放電電阻的功率，甚至在功率電阻上加散熱片，來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的均衡電流。另外一種擴(kuò)展方式是同時(shí)對(duì)低電壓電池通過(guò)外接直流電流進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)雙向均衡。但這些方式均衡電流仍然有限，一般只能達(dá)到幾十毫安到一百多毫安。開(kāi)關(guān)電容法利用開(kāi)關(guān)與電容的組合實(shí)現(xiàn)能量在相鄰電池中的傳遞（4-61）直到所有電池達(dá)到統(tǒng)一的電壓該方法損耗很小，但是卻存在幾個(gè)問(wèn)題：由于沒(méi)有傳感器，當(dāng)有異常情況時(shí)可靠性不能保證。只能實(shí)現(xiàn)電壓均衡，無(wú)法做到SOC均衡。均衡的效率較低，不適合于大電流充電時(shí)的快速均衡。相鄰電池電壓差很小時(shí)，均衡時(shí)間將非常長(zhǎng)。DC/DC變流器法

4-61開(kāi)關(guān)電容法均衡電路基本原理圖利用電力電子方法進(jìn)行均衡，按結(jié)構(gòu)可分為集中式和分布式兩種。它們是現(xiàn)階段鋰離子電池均衡研究的主流方案。DC/DC變流器方案有多種拓?fù)?，?dāng)前應(yīng)用的變流器均衡方案主要可分為以下幾種。集中式帶變壓器的均衡方案。這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)一個(gè)多輸出的變壓器，將能量傳遞到電壓最低的電池中。一次側(cè)和二次側(cè)采用正激和反激結(jié)構(gòu)比較多，如圖4-62所示這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是均衡效率很高，速度很快。但是其缺點(diǎn)也很明顯：二次繞組很難匹配，變壓器的漏感所造成的電壓差也很難補(bǔ)償，不易于模塊化，開(kāi)關(guān)管耐壓高等，故實(shí)際應(yīng)用困難。圖4-62集中式帶變壓器的均衡方案分布式均衡方案。分布式結(jié)構(gòu)是在每個(gè)電池單體兩端并聯(lián)一個(gè)均衡電路，屬于放電式均衡，即能量過(guò)高的電池向整個(gè)電池組或者其余某些電池放電。其特點(diǎn)是易于模塊化，不足之處在于器件較多。分布式均衡方案從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來(lái)講可以分為變壓器式隔離型和電感式非隔離型兩類(lèi)。①變壓器式隔離型拓?fù)洌?-63）在隔離型拓?fù)渲蟹醇な浇Y(jié)構(gòu)最為常用其優(yōu)點(diǎn)是均衡效率高、開(kāi)關(guān)元件的電壓等級(jí)與串聯(lián)級(jí)數(shù)無(wú)關(guān)，適合于串聯(lián)電池單體數(shù)量多的電池組均衡。其主要缺點(diǎn)是變壓器效率不高有漏感問(wèn)題多個(gè)二次側(cè)參數(shù)一致性困難且變壓器較多，體積較大，不易于集成。②電感式非隔離型拓?fù)洹ｋ姼惺椒歉綦x型均衡電路克服了變壓器式隔離型均衡技術(shù)的缺點(diǎn)，擁有均衡電流大均衡時(shí)間長(zhǎng)熱耗散低充電效率高等優(yōu)點(diǎn)。其4-63變壓器式隔離型均基本原理是：在充電時(shí)，將電壓較高電池的充電電流通過(guò)一個(gè)電感儲(chǔ)存能量并分流到相鄰電壓較低的電池；放

衡拓?fù)潆娐坊驹韴D電時(shí)，將電壓較低電池的放電電流通過(guò)這個(gè)電感儲(chǔ)存能量并分流到相鄰電壓較低的電池，其原理圖如圖4-64所示。圖4-64有源均衡技術(shù)基本原理圖4-64MOSFET（Q1Q2）及一個(gè)功率電感的降壓升壓電路簡(jiǎn)圖。頂部電池Cl1需要將能量轉(zhuǎn)移至低位電池Cl2，P1信號(hào)工作在幾百赫茲的頻率下觸發(fā)該能量轉(zhuǎn)移隨后能量通過(guò)Q1流至電感當(dāng)P1信號(hào)重置時(shí)Q1關(guān)閉電感能量水平處在最高水平因?yàn)殡姼须娏鞅仨毑粩嗔鲃?dòng)Q2的體二極管被正向偏置，從而完成向V2位置電池的電荷轉(zhuǎn)移。同理，當(dāng)?shù)撞緾l2需要將能量轉(zhuǎn)移至Cl1時(shí)，由P2觸發(fā)能量轉(zhuǎn)移，能量由Q2流至電感，再由電感流向Cl1。需要注意的是，由于整個(gè)串聯(lián)回路的電阻較低，存儲(chǔ)于該電感中的能量只有輕微的損耗。電池模擬量監(jiān)測(cè)技術(shù)電池模擬量監(jiān)測(cè)技術(shù)包括電池電壓、溫度和電流監(jiān)測(cè)及其采樣周期，監(jiān)測(cè)精度越高采樣周期越短越能準(zhǔn)確反應(yīng)電池堆的實(shí)時(shí)狀態(tài)以便準(zhǔn)確控制由于儲(chǔ)能電池一般采用鉛酸或磷酸鐵鋰電池，這些電池的電壓在充放電期間變化都非常小，如磷酸鐵鋰電池在32～33V的充放電階段，SOC變化10，電壓變化僅僅幾毫伏（4-65）在這種電壓變化極為微小的情況下完成高準(zhǔn)確度的SOC預(yù)測(cè)，需要高準(zhǔn)確度的電壓采集來(lái)為SOC估計(jì)服務(wù)。高準(zhǔn)確度的電壓檢測(cè)是國(guó)家電網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的基本要求。圖4-65磷酸鐵鋰電池充放電曲線示例電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)BS的采樣準(zhǔn)確度及采樣周期要求一般為電壓<±5V，采樣周期<10s；溫度<±2℃，采樣周期<10s；電流<1%，采樣周期<100ms。SOCSOH估算電池組的SOC是衡量電池剩余電量的重要參數(shù)在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域SOC估計(jì)是電網(wǎng)對(duì)電站進(jìn)行調(diào)度的重要指標(biāo)所以高準(zhǔn)確度SOC估計(jì)一直是業(yè)界持續(xù)投入并希望能夠妥善解決的技術(shù)難題。同時(shí)，SOC的高準(zhǔn)確度估算，可以為準(zhǔn)確評(píng)估電池的健康狀態(tài)（SH）提供基礎(chǔ)，以便實(shí)時(shí)了解電池老化的程度。SOC估計(jì)算法一般通過(guò)對(duì)電池的電壓，溫度，電流等模擬量的觀測(cè)和累計(jì)，借助數(shù)學(xué)建模手段SOC的關(guān)系SOC的估計(jì)運(yùn)算。1）庫(kù)侖法庫(kù)侖法即電流積分法安時(shí)計(jì)量法該方法是最常用的SOC估SOC=SOC0- ∫ηIdSOC=SOC0- ∫ηI