新能源储能系统中的储能电池研究

新能源储能系统中的储能电池研究

周凯希 

浙江积丰能源科技有限公司

摘要：我国社会经济的快速发展，人们在生产和生活中对能源的需求越来越大，能源危机、环境污染等问题越来越受到人们的重视。为了有效应对这些挑战，电力行业不断探索和应用新能源系统技术。只有合理应用新能源系统的储能技术，才能有效解决我国严重的能源短缺问题，保证电力系统的安全稳定运行，进一步提高电力系统的电能质量。在满足社会实际能源需求的基础上，加强节能环保，为能源产业的发展创造更多的经济效益。

关键词：新能源；储能系统；储能电池

引言

在中国提升新能源消纳能力、助力碳达峰碳中和目标实现的背景下，提出了一种基于解耦的储能参与新能源消纳的优化控制方法。针对储能系统优化控制非线性模型求解难题，提出了基于解耦的线性简化方法，利用枚举优化和迭代潮流计算结合方法，建立了满足提升新能源消纳目标和电网安全运行约束的储能运行紧致约束条件。算例测试显示，基于解耦的线性简化模型与原有非线性模型保持一致，降低了高阶优化控制模型的求解难度，保障了储能提升新能源消纳的快速可靠决策，提升了新能源和储能综合运行效益。

1能源互联网背景下电力储能技术的作用

1.1有助于提高可再生能源的发电效率

能源互联网系统中可再生能源的使用途径有许多，通过应用可再生能源可以满足家庭供暖、水力发电和制氢等各种需求。可再生能源的应用在世界范围内呈现迅速增长的趋势，但由于可再生能源发电存在间歇性和系统震荡性，增加了用电风险，也使得用电系统不稳性增加。基于此，必须加强对我国电力储能技术的研究，结合可再生能源发电，使发电随机性大大减小，从而增加电力可调性，尽可能地提高能源使用效率，还可以增加可再生能源发电技术的市场适应性。

1.2有助于强化多元能源系统的管理效果

通过局域性多元能源系统，可以在能量的生成、交换、储存、消费等各阶段都按照实际情况合理调度能源，可以降低系统运营过程中的成本和费用，从而提升电力系统的安全性和可靠性。在系统运营管理中应用电力储能技术，可进一步强化系统对储能资源的释能控制，为统一运营管理创造更有利条件。可以根据储能系统的动态变化优化调整储能容量和储能方式，实现系统内部的供需均衡。需要充分利用储能系统各个转换部件，提高系统运转效能，给电力企业创造更大的效益。

2能源互联网背景下电力储能技术的发展问题

2.1战略性问题

目前，我国储能行业在关键技术研究、技术标准设计、市场机制规划和商业化操作等方面尚有待突破。现在我国的储能技术基础理论研究还不足够，也没有完备的顶层设计和底层环节支撑，还无法保证相关目标的完成，从而造成了“项目计划先走、技术系统难以跟进”的局面。相应的技术规范和制度有待健全，目前储能行业已涵盖建筑、环保、消防、交通运输等多个产业领域，而储能工程项目的执行不仅需要科技的支持，还需要多个领域运行制度的支撑，因此亟须建立相应的规范制度和管理体系。由于储能技术成本高昂，资金引入较为困难，而且储能经济收益的计量方法较为烦琐，目前缺乏统一的规范要求，这直接影响储能行业的市场化和商业化。克服工艺成本难题虽然能够在相当程度上减少投入，但储能的多元化效益方面仍需得到市场的重视。

2.2储能系统电气拓扑

从电气拓扑上看，常规储能电站中电池簇通过DC/DC变换系统与大功率直流充电桩、光伏发电系统共用直流母线，其与交流配电网拓扑有着较大区别,且存在以下安全隐患。电池簇之间的不一致性易造成环流，当环流过大时会造成某个电池簇过充或过放，加剧电池的老化或衰退。若直流母线上的负载发生短路，短路电流会通过母线传递给电池簇，瞬间的短路大电流会加储能系统电气拓扑快电池内部升温速率而引发事故。直流母线的绝缘要求较高，若存在缺陷可能会产生电弧火花，由于直流电流没有过零点，不易熄灭，易使电池、线缆等易燃物发生火灾。直流继保系统的开关关断过程没有过零点，相对交流开关更为复杂，开关内电弧不易熄灭，关断时间更长，同时直流开关成本更高，因此存在个别工程用交流开关替代直流开关的现象。而交流开关用于直流系统时，一旦发生过流故障就有可能出现开关无法关断引发持续大电流的安全隐患。直流配电网中电力电子设备的电气隔离措施不足，若系统接地处理不当，系统运行时电磁环流易引起漏电流，漏电流在电池机柜、线缆等处累积的热量可能导致局部高温引发电池火灾。

3新能源电力系统中的储能技术

3.1化学储能技术

化学储能技术需要获得适当储能体系的支撑，以完成所需要的化学能量转移。针对不同种类的动力电池，因为电池的正化学性质，其电能释放效果差异较大。所以，认识并区别不同种类动力电池的特性与区别，可以达到高效的化学储能。锂电池。锂离子电池的储能效率可以达到85%以上，这和储能系统的基本构成密切相关，其储能系统除了包括单体电池外，还有充放电系统和电池管理系统支持。其具备储放能更高效、能量密集程度大、安全稳定性更高的特征。但其缺点是造价高，电站设计容量小。但在实际应用中却有很好的节能效果。钠硫电池。钠硫电池的储能利用率仅为70%。和锂电池相比，钠硫电池成本低，占地面积小，维护方便。硫由硫磺和多硫化钠等化合物所构成，而负极材料则为已熔化的金属钠所构成。值得注意的是，由于钠硫电池纵向放电深度比较有限，循环寿命也不高。因此，如果必须保证充放电量效果，工作温度应达到300℃。铅酸电池。铅酸电池在其原理与实现等方面，和钠硫电池都有相似之处。对于正负极的组成，由于化学成分的不同，对空间和功率密度的要求也有很大的不同。在小空间应用上，铅酸电池的总用量约是钠硫电池的3倍。从容量密度来说，铅酸电池仅为普通钠硫电池的1/3。液流电池。液流蓄电池是一种高性能蓄电池。电池的数量和面积直接影响着液流电池的输出功率，电解液对液流电池的存储容量也有影响。因此，增大电解液的浓度和体积可以提高液流电池的存储容量。液流电池的优点是非常重要的，主要是由于其灵活的电池配置和强大的放电过程安全性。此外，液流电池的优点是易于维护和高能量转换率。由于这些优点，液体电流电池在并网发电和储能中得到了广泛的应用。但液流电池也存在应用成本高的缺点，在一定程度上限制了液流电池的推广和应用。

3.2氢储能技术

氢气的利用过程主要包括制氢、储氢、输氢、放氢四个主要组成部分。天然气制氢和煤制氢是氢气生产的主要形式，近年来，利用电解水制氢的工艺在我国新能源发电领域已经得到了应用，出现了一些小规模的示范工程。电解水制氢是低耗能制氢方法，每立方米的储氢材料的耗电量只有4.5～5.5kW·h，在电网负荷低谷阶段应用新能源发电制氢方法，是提升新能源发电效益的主要途径之一。碱式电解槽和固态聚合物电解水制氢技术对新能源的波动性具有良好的适应能力。用光催化方式直接裂解水也是比较理想的利用新能源制氢的方式，其关键问题是半导体光催化剂材料的应用，光的捕获效率和制氢效率都还无法达到商业化要求，因此该技术目前尚处在探索中。标准情况下氢气的能量密度约为8.4MJ/L，通常可以通过高压或低温完全液化的方式贮存，但存在能量大、稳定性低的难点。

3.3电磁储能技术

超导磁储能技术。与上述储能技术比较，超导磁储能有效率达到了90%以上。在超导状态下，绕组电流变化极小，可忽略不计。这样，在整个储存与释放的过程中极少耗费电能，总消耗率也几乎为零。但随着实际使用的越来越广泛，超导线圈往往需要放在低温液体环境下，才可以在整个储能流程中起到积极效果，而这将大大提高生产成本。超导磁储能技术还具有无污染、快速响应、无损耗储能、有效防止能源浪费等优点。超导储能材料可大幅度提高新型发动机的输出性能，对提高暂态电能质量起到重要作用。超级电容器储能技术。超级电容器储能比超导磁储能的效率低，基本保持在75%左右。它兼有蓄电池储能和电容储能的特点。这种能量的储存的依据是双电层原理。以超级电容器储能工艺为基础的存储能量应用，整个存储放电过程中有着良好的可逆性，重复次数能够到达10万次以上。与常规电器皿相比，超级电容器具有温度阈值较宽、安全和稳定性更高等优势。也同样拥有了常规电容器所具有的优点。超级电容器储能技术还具有循环寿命长以及电容器响应快的特点，和蓄电池技术相结合，不但大大提高了蓄电池的充放电效能，也同样增长了蓄电池的性能。而且超级电容器与蓄电池的结合，在风电场中也获得了较普遍的使用，以更好地控制风能的波动。也因此，在应用超级电容储能技术时，应与蓄电池相结合，使其效果更加显著。

4改进措施

4.1提升电池管理系统性能

为提升储能系统的安全性能，要进一步增强电池管理系统功能，不能仅通过压差、温差等常规方法筛查潜在问题，而要对更多的特征参数进行检测和研究，确保其在受控参数状态范围内工作，并确保这些特征参数会随着电池的性能退化而调整，预先防控可能导致电池故障、热失控、火灾的风险。电池管理系统需在深入分析特征参数基础上，实现多层次、全方位的电池核心参数分析和预测，通过比较分析时间维度的纵向数据及自身特征参数的横向数据，对不同场景下可能发生的安全隐患予以提前预警，如过充保护、漏电保护、多环节电气隔离、可燃气体检测预警、电站环境控制等。电池管理系统要实现对每个电芯都设置一套控制系统，意味着增加投资、建设和运营成本，因此，需要从通信、核心参数选定、控制策略、控制算法等方面开展研发和创新，以实现延长储能电池使用寿命、减缓电池的性能退化、保持各单体电池在最优容量下的运行能力、提高系统性价比、降低项目全生命周期费用、提升项目经济效益的目标。

4.2加强储能控制

储能技术在电力系统中的应用可能导致能量转换不良、能量浪费或电力系统不稳定，这充分说明了储能技术应用效果不佳。为了避免这种情况的发生，不仅要注意储能技术的配置，同时，还要根据实际工作需要和电力系统的实际运行情况，建立一个合理可行的最优控制指标体系。以往的工作经验表明，蓄能系统异常放电的概率很高。如果发生异常放电，将导致能量浪费。因此，从业人员应进行深入的分析和研究。利用信息技术和自动化技术，建立与储能系统有效连接的管理信息系统，通过信息分类、数据分析和数据传输到控制系统，利用实时传感器，不仅可以首次检测到储能系统的异常状态。同时，还可以检测到储能系统的异常状态。指导员工处理异常情况，制定处理方案和实施方案，对储能系统进行目标分配，优化系统，确保系统长期正常运行。

结语

在新能源系统的应用和发展中，科学应用储能技术是保证供电效率的关键。加强储能技术研究，利用储能材料、设备和技术，实现新能源系统的高效储能，为电力系统提供稳定的能源供应。只有这样，才能有效地保证新能源在电力系统中的应用效果，实现发电的节能环保，满足电力系统的实际需要。促进资源、环境和社会经济的可持续发展。

参考文献

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