《電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)建模與特性分析》3200字

電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)建模與特性分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u15288電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)建模與特性分析綜述 1323961.1電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 139901.1.1概述 1299131.1.2儲(chǔ)能電池組等效電路 1197381.1.3荷電狀態(tài)模型 3308931.1.4儲(chǔ)能電池組模型 4132161.2電化學(xué)儲(chǔ)能電站詳細(xì)模型及其動(dòng)態(tài)響應(yīng) 5311561.2.1電化學(xué)儲(chǔ)能電站詳細(xì)模型及參數(shù)設(shè)置 5294051.2.2電化學(xué)儲(chǔ)能電站的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 61.1電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模1.1.1概述目前電池儲(chǔ)能的主流技術(shù)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(zhǔn)確電池充放電過(guò)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?；驹砟Ｐ透鶕?jù)電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)建立模型，非常復(fù)雜。等效電路模型可以反映荷電狀態(tài)的變化和電池的動(dòng)態(tài)性能，且建立模型過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)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(tài)變化和電池外特性。本文主要研究電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的有功功率和荷電狀態(tài)變化，因此采用等效電路模型對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行建模。1.1.2儲(chǔ)能電池組等效電路儲(chǔ)能電池電路部分采用簡(jiǎn)化模型，如圖3-1所示：圖3-1儲(chǔ)能電池等效電路E為電池電動(dòng)勢(shì)，與荷電狀態(tài)SOC有關(guān)；R為電池內(nèi)阻，也與荷電狀態(tài)SOC有關(guān)，可以通過(guò)查詢電池制造廠家的圖標(biāo)得到。本文對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用單機(jī)等值建模，即在整個(gè)系統(tǒng)中使用同一型號(hào)、同一性能的電池，而且所有電池在任意時(shí)刻都保持在同一工作運(yùn)行狀態(tài)。而且在實(shí)際的工程中，儲(chǔ)能電池組也經(jīng)常使用同一型號(hào)的電池以延長(zhǎng)電池使用壽命。因此在搭建模型的時(shí)候，可以類似圖3-2先對(duì)單體模型進(jìn)行搭建，再對(duì)單體電池進(jìn)行串并聯(lián)組合建立儲(chǔ)能電池組的模型。最后可以得到儲(chǔ)能電池組的等效電路模型如圖3-3所示。圖3-2儲(chǔ)能電池組簡(jiǎn)圖圖3-3儲(chǔ)能電池組等效電路圖1.1.3荷電狀態(tài)模型電池的荷電狀態(tài)是電池可用容量與電池總?cè)萘康谋戎?，荷電狀態(tài)的變化反映了儲(chǔ)能電站具有吞吐電能的能力，這也是與常規(guī)電源的主要區(qū)別。荷電狀態(tài)SOC的估算方法有：開(kāi)路電壓法、安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法[32]，開(kāi)路電壓法由于要預(yù)計(jì)開(kāi)路電壓，因此需要長(zhǎng)時(shí)間靜置電池組；內(nèi)阻法存在著估算內(nèi)阻的困難，在硬件上也難以實(shí)現(xiàn)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法則由于系統(tǒng)設(shè)置的困難，而且在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)成本很高，不具備優(yōu)勢(shì)。因此相對(duì)于開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法本而言，安時(shí)積分法由于簡(jiǎn)單，有效而常被采用。如果將電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)SOC值定義為SOC(t)，安時(shí)積分法的計(jì)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(zhuǎn)化為初始時(shí)刻開(kāi)始的電池電量函數(shù)，則得到t時(shí)刻的電池電量計(jì)算公式如下： (1.2)式中，Q(t)為電池電量；SOC(0)為初始狀態(tài)時(shí)的電池荷電狀態(tài)。根據(jù)式1.2可在Simulink平臺(tái)中搭建電池電量計(jì)算模型如下圖所示：圖3-4電池電量計(jì)算模型電池荷電狀態(tài)SOC計(jì)算公式如下： (1.3)根據(jù)式1.3可在Simulink平臺(tái)中搭建電池荷電狀態(tài)計(jì)算模型如下圖所示：圖3-5電池荷電狀態(tài)計(jì)算模型1.1.4儲(chǔ)能電池組模型根據(jù)圖3-3儲(chǔ)能電池組等效電路圖可以得到電池電壓計(jì)算公式如下： (1.4)式中，Uout為儲(chǔ)能電池組電壓；UT為單個(gè)電池電壓；Em為單個(gè)電池某個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的電源電動(dòng)勢(shì)；IT為單個(gè)電池電流；RT為單個(gè)電池內(nèi)阻；Np為并聯(lián)電池節(jié)數(shù)；Ns為串聯(lián)電池節(jié)數(shù)。電源電動(dòng)勢(shì)與荷電狀態(tài)有關(guān)，電池內(nèi)阻與荷電狀態(tài)有關(guān)，可通過(guò)查詢電池制造廠家的圖標(biāo)得到數(shù)據(jù)。根據(jù)式1.4可在Simulink平臺(tái)中搭建儲(chǔ)能電池組電壓計(jì)算模型如下圖所示：圖3-6電池電壓計(jì)算模型由圖3-4、3-5和3-6的子模型進(jìn)行組合可以得到儲(chǔ)能電池組的整體模型如下圖所示：圖3-7儲(chǔ)能電池組模型1.2電化學(xué)儲(chǔ)能電站詳細(xì)模型及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)1.2.1電化學(xué)儲(chǔ)能電站詳細(xì)模型及參數(shù)設(shè)置綜上所述，該電化學(xué)儲(chǔ)能電站的三相并網(wǎng)Simulink模型如圖3-8所示。該電化學(xué)儲(chǔ)能電站對(duì)輸入的功率指令進(jìn)行追蹤調(diào)節(jié)。圖3-8電化學(xué)儲(chǔ)能電站Simulink模型根據(jù)國(guó)外抽水蓄能電站與電化學(xué)儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的實(shí)際工程[33-35]，電化學(xué)儲(chǔ)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(guó)內(nèi)抽水蓄能電站與電化學(xué)電站聯(lián)合運(yùn)行調(diào)控作前瞻性研究，而國(guó)內(nèi)的抽水蓄能電站裝機(jī)容量一般較大，故本文中取電化學(xué)儲(chǔ)能電站額定功率為抽水蓄能電站裝機(jī)容量的5%，即額定功率為10MW。電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置如表3-1：表3-1電化學(xué)儲(chǔ)能電站參數(shù)設(shè)置設(shè)備參數(shù)指標(biāo)電池組額定電壓5kV額定容量20000Ah額定功率10MW初始荷電狀態(tài)80%電池響應(yīng)時(shí)間10s交流主網(wǎng)電壓220kV1.2.2電化學(xué)儲(chǔ)能電站的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性本節(jié)主要對(duì)三相并網(wǎng)下電化學(xué)儲(chǔ)能電站進(jìn)行不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，輸入量為功率指令，設(shè)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(jié)工況設(shè)置如下：該電化學(xué)儲(chǔ)能電站輸入功率指令為階躍波，初始功率指令為-4MW，在6s時(shí)階躍上升至8MW。電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)各物理量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下。圖3-9電化學(xué)儲(chǔ)能電站的有功功率 圖3-10電化學(xué)儲(chǔ)能電站的無(wú)功功率圖3-11電化學(xué)儲(chǔ)能電站的荷電狀態(tài) 圖3-12電化學(xué)儲(chǔ)能電站的電量變化當(dāng)輸入功率指令為階躍波時(shí)，由圖3-9可知，電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)能在極短時(shí)間內(nèi)（約0.5s）跟蹤階躍波功率指令實(shí)現(xiàn)出力調(diào)整。由圖3-10可知，無(wú)功功率在發(fā)生階躍時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，但能迅速恢復(fù)到額定值，且變化量的數(shù)量級(jí)相對(duì)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(guī)律符合安時(shí)積分法和電量計(jì)算公式，能夠正確反映電化學(xué)儲(chǔ)能電站充放電時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，反映了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速吞吐電能的能力。（2）斜坡波工況本節(jié)工況設(shè)置如下：該電化學(xué)儲(chǔ)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(xù)12s增長(zhǎng)至8MW。電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)各物理量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下。圖3-13電化學(xué)儲(chǔ)能電站的有功功率 圖3-14電化學(xué)儲(chǔ)能電站的無(wú)功功率圖3-15電化學(xué)儲(chǔ)能電站的荷電狀態(tài) 圖3-16電化學(xué)儲(chǔ)能電站的電量變化當(dāng)輸入功率指令為斜坡波時(shí)，由圖3-13可知，電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的有功功率隨輸入功率指令呈斜坡變化，跟蹤時(shí)間稍有滯后，但時(shí)間極短，僅在0.1s內(nèi)便可追蹤輸入功率指令。由圖3-14可知，無(wú)功功率也在額定值附近呈斜坡變化，但由于圖中縱坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)較小，無(wú)功功率的變化量實(shí)際上很小，可認(rèn)為無(wú)功功率在額定值附近穩(wěn)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(guī)律符合安時(shí)積分法和電量計(jì)算公式，正確反映了電化學(xué)儲(chǔ)能電站充放電時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，反映了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速吞吐電能的能力。（3）正弦波工況本節(jié)工況設(shè)置如下：該電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)各物理量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下。圖3-17電化學(xué)儲(chǔ)能電站的有功功率 圖3-18電化學(xué)儲(chǔ)能電站的無(wú)功功率圖3-19電化學(xué)儲(chǔ)能電站的荷電狀態(tài) 圖3-20電化學(xué)儲(chǔ)能電站的電量變化當(dāng)輸入功率指令為正弦波時(shí)，由圖3-17可知，電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)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(shí)間僅有0.2s左右，反映了電化學(xué)儲(chǔ)能電站快速調(diào)節(jié)的特性。由圖3-18可知，無(wú)功功率在額定值附近也呈正弦波變化，基本穩(wěn)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(shù)變化，變化規(guī)律符合安時(shí)積分法和電量計(jì)算公式，正確反映了電化學(xué)儲(chǔ)能電站充放電時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，反映了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速吞吐電能的能力。（4）鋸齒波工況本節(jié)工況設(shè)置如下：該電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)各物理量動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下。圖3-21電化學(xué)儲(chǔ)能電站的有功功率 圖3-22電化學(xué)儲(chǔ)能電站的無(wú)功功率圖3-23電化學(xué)儲(chǔ)能電站的荷電狀態(tài) 圖3-24電化學(xué)儲(chǔ)能電站的電量變化當(dāng)輸入功率指令為鋸齒波時(shí)，由圖3-21可知，電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)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(shí)間僅有0.2s左右，反映了電化學(xué)儲(chǔ)能電站快速調(diào)節(jié)的特性。由圖3