劉健

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津，300400）

0 引言

隨著光伏、風(fēng)電等清潔能源的迅速發(fā)展，電網(wǎng)的調(diào)頻難度也越來越大[1]。由于儲(chǔ)能電池響應(yīng)快，方式多，使其越來越多的應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻，但在其應(yīng)用過程中存在容量配置等問題需要研究。在進(jìn)行輔助調(diào)頻時(shí)，儲(chǔ)能電池的主要作用是對功率波動(dòng)進(jìn)行處理，使得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中電池的作用時(shí)間較短且功率要求高[2]。在考慮電池倍率特性的條件下對電池的容量進(jìn)行配置可滿足緊急事件的調(diào)頻需求，在高倍率下電池容量的衰減也較慢。在考慮倍率特性的條件下對電池的容量進(jìn)行合理的配置，可有效的提高電池的利用率，同時(shí)也可提高電池在調(diào)頻市場的利用率[3]。本文主要在充分考慮儲(chǔ)能電池倍率特性的條件下，對其容量配置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)以某光伏變電站電網(wǎng)的實(shí)際工況為模型，對其容量配置進(jìn)行優(yōu)化和分析。

1 電池的倍率特性研究

電池的充/放電性能一般用充/放電率表示，其中電池在放電時(shí)倍率指電池在放電時(shí)電流與額定值的比值N，當(dāng)N值越大時(shí)表示電池放電越快，對于功率指令信號的響應(yīng)越快，也就更有利于維持整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性[4]。本文所考慮的電池的倍率特性是指電池的過載倍率，是指電池在充放電時(shí)有功出力和額定功率的比值。當(dāng)參與電網(wǎng)調(diào)頻所用電池的倍率較高時(shí)，其調(diào)頻所需的功率值就較小，更適合應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻中。

假設(shè)電池為理想狀態(tài)，當(dāng)以1C進(jìn)行充放電時(shí)需1h，則以2C進(jìn)行充放電時(shí)需0.5h，而在實(shí)際應(yīng)用中由于電池的容量會(huì)發(fā)生變化，而電池的充/放電倍率和所需時(shí)間的關(guān)系可由其充/放電曲線決定，如公式(1)所示。

式中：N為充/放電倍率，N1> … >Ni> … >Nn；t為與N相對應(yīng)的可持續(xù)充/放電時(shí)間（可通過充/放電曲線獲得），t1< …

對天能電池集團(tuán)有限公司所提供的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到三種電池的充/放電倍率特性部分曲線，如圖1所示。觀察可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池的倍率越高時(shí)充/放電的時(shí)間越短，其中鉛酸電池在高倍率下的性能較差，這說明其容量明顯下降，而鋰電池在同樣條件下的性能表現(xiàn)較好，容量并未發(fā)生明顯下降，與理想狀態(tài)更加接近。

圖1 三種儲(chǔ)能電池充/放電倍率特性曲線

2 光電組件制備及電池容量的優(yōu)化配置

■ 2.1 光電組件制備

傳統(tǒng)的太陽電池采用的是AI-BSF技術(shù)，PERC太陽電池在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上通過新增激光劃線與背鈍化工藝處理程序提高了電池的性能，而PERC雙面太陽能硅電池則基于絲網(wǎng)印刷工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的技術(shù)升級，電池背面不再以全鋁層覆蓋而代之以局部鋁層覆蓋的形式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PERC雙面太陽能硅電池結(jié)構(gòu)

由圖2可見，由電池背面反射和散射出來的光線經(jīng)鋁層間隙射入電池內(nèi)部，光線數(shù)量的增多提高了電池的發(fā)電效率。與普通PERC太陽能硅電池相比，PERC雙面太陽能硅電池的正面發(fā)電效率與其基本相同，而背面發(fā)電效率高出了15%以上。

背鈍化工藝處理的目的是強(qiáng)化電池表面的長波響應(yīng)，從而提高電池發(fā)電效率。圖3分別標(biāo)示了PERC雙面太陽能硅電池與普通太陽能硅電池表面的光譜響應(yīng)情況，圖中的綠色陰影區(qū)表示光譜分布情況，黃色陰影區(qū)表示PERC雙面太陽能硅電池在900～1200nm的長波波段內(nèi)獲得的強(qiáng)化收益。由外量子效率曲線可見，PERC雙面太陽能硅電池的外量子效率整體上高于普通太陽能硅電池。

圖3 PERC雙面太陽能硅電池與普通電池光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)

在標(biāo)準(zhǔn)的測試環(huán)境中，光伏組件的雙面因子是組件背面功率與正面功率的比值。若將雙面因子作為指標(biāo)來說明背面功率的貢獻(xiàn)權(quán)重，那么PERC雙面太陽能硅組件的雙面因子均能達(dá)到70%以上。

PERC雙面太陽能硅組件在結(jié)構(gòu)上采取了雙玻的形式，具有較高的可靠性，能夠避免PID（電壓誘導(dǎo)衰減）的干并降低及蝸牛紋的產(chǎn)生幾率，在沙漠、海邊、高濕、高溫的環(huán)境中仍能正常工作，此外，該組件與1500V平臺(tái)完美兼容，效率高、所需資金投入較低。

■ 2.2 電池容量優(yōu)化配置

以上文所研究的電池的倍率特性為基礎(chǔ)，提出一種調(diào)頻用電池容量的優(yōu)化配置方法，主要步驟如下[5]：（1）首先要得到當(dāng)前控制策略下所用儲(chǔ)能電池對頻率偏差的功率響應(yīng)特性；（2）以不同倍率下電池的充/放電時(shí)間作為約束條件，通過選擇合適的倍率得到滿足要求的電池最小額定功率或容量；（3）對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，看所確定配置方案下的調(diào)頻效果是否滿足要求。

按上文提出的電池容量配置方案對電池進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)的目標(biāo)函數(shù)見下式：

在考慮電池充/放電的倍率特性的基礎(chǔ)上對額定功率和額定能量進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)所采用策略如以下公式：

其中Nmax表示電池充/放電時(shí)倍率的最大值，Nb表示當(dāng)前條件下電池充/放電時(shí)倍率值，P(N)表示電池以倍率N進(jìn)行充/放電時(shí)的出力功率限值。上式中下角標(biāo)-ch表示電池充電過程的參數(shù)，-dis表示電池放電過程的參數(shù)。P0表示電池的功率，Pb表示當(dāng)電網(wǎng)承受負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)所需的功率，Ni-表示當(dāng)電網(wǎng)承受負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)電池的倍率，η表示效率。ΔPk表示在調(diào)頻時(shí)電池的實(shí)時(shí)出力，當(dāng)充電時(shí)該值為正值，放電時(shí)該值為負(fù)值。D表示整個(gè)過程所需的時(shí)間，SOC0表示荷電的初始值（本文設(shè)為0.5），SOCmax、SOCmin分別表示荷電時(shí)的最大和最小值。

根據(jù)上文所給出的電池容量配置模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)的具體步驟為：（1）確定電池充/放電過程中倍率的最大值Ni，在相應(yīng)的控制方法下對輔助調(diào)頻所用電池進(jìn)行仿真分析，分析得到電池調(diào)頻時(shí)的出力曲線ΔPk，然后利用上文公式對其容量進(jìn)行優(yōu)化配置；（2）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中倍率結(jié)合公式得到電池在倍率N下的充/放電時(shí)間T；（3）根據(jù)上文電池的實(shí)時(shí)出力曲線和電池的充/放電時(shí)間曲線可得到電池充/放電的實(shí)際時(shí)間T'，將公式計(jì)算所得時(shí)間T與T'進(jìn)行比較，當(dāng)T大于T'時(shí)說明電池滿足該工況下的調(diào)頻需求。根據(jù)上文公式計(jì)算可得到電池的額定功率Prate和額定能量Erate，當(dāng)T小于等于T'時(shí)則調(diào)小電池的充/放電倍率值，返回上一步繼續(xù)循環(huán)直到滿足條件，最終實(shí)現(xiàn)電池容量的優(yōu)化配置。

所用電池的充/放時(shí)間和出力曲線由系統(tǒng)在當(dāng)前控制方法下電池的出力過程所決定，與考慮倍率特性時(shí)電池的充放電時(shí)間和功率不相等，為了下文方便比較，將系統(tǒng)控制策略下儲(chǔ)能電池的出力時(shí)間折算成相應(yīng)倍率約束條件下的等效時(shí)間?；谟炅饔?jì)數(shù)法對充/放電次數(shù)的折算，本文提出一種將電池的實(shí)際充/放電時(shí)間換算成等效持續(xù)時(shí)間的方法，如下式所示:

其中α表示折算時(shí)的等效系數(shù)，α(tin)表示將電池分別在倍率Ni和Nn下充放電時(shí)所用時(shí)間的折算系數(shù)，T(Nn)表示根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)律所得電池在Nn倍率下的充/放電時(shí)間，T(Ni)表示電池在Ni倍率下實(shí)時(shí)的充/放電時(shí)間。根據(jù)電池的實(shí)際出力曲線和等效系數(shù)折算公式得到下式：

其中ΔTi表示電池在倍率Ni 下進(jìn)行充放電的時(shí)間。

本文采用Δfm（電池受擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)頻率偏差的最大值）、Δfs（穩(wěn)定狀態(tài)下系統(tǒng)頻率偏差的最大值）、Δom（系統(tǒng)頻率偏差最大值的變化率）對電池的調(diào)頻效果進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)Δfm、Δfs越小時(shí)說明儲(chǔ)能電池的調(diào)頻效果越好，整個(gè)系統(tǒng)越穩(wěn)定，當(dāng)Δom越小對電網(wǎng)調(diào)頻能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

3 計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

以某電網(wǎng)典型工況下（峰荷期和非峰荷期）的模型為例進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，所對應(yīng)電池的基本參數(shù)和調(diào)頻指標(biāo)參數(shù)如下表所示。在仿真時(shí)首先應(yīng)得到兩種不同工況下電池的容量配置結(jié)果（考慮/不考慮倍率特性），對該結(jié)果進(jìn)行分析比較后再對不同控制方法下所得容量配置結(jié)果進(jìn)行比較，此時(shí)考慮電池的倍率特性，在分析過程中設(shè)定電池的轉(zhuǎn)換效率均為1。表2所示為不同工況下慣性-下垂控制策略下磷酸鐵鋰電池的容量配置結(jié)果，該儲(chǔ)能電池所對應(yīng)的倍率特性曲線如上文所示，也是仿真時(shí)容量配置優(yōu)化的約束條件，容量配置優(yōu)化時(shí)的目標(biāo)函數(shù)為min{Prate，Erate}。

表1 參考工況及評估指標(biāo)要求

表2 不同工況下儲(chǔ)能電池配置

6.58 5.92是6.58 0.4783峰荷階段（工況2）否

在慣性-下垂控制方法下仿真所用電池實(shí)際出力曲線和頻率偏差曲線如圖4所示。觀察結(jié)果可知，當(dāng)考慮電池的倍率特性時(shí)所得額定功率明顯低于不考慮倍率特性時(shí)的值，而兩種條件下所需額定能量的值相同。在實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能電池在電網(wǎng)調(diào)頻的應(yīng)用主要受限于成本太高，當(dāng)調(diào)頻用儲(chǔ)能電池的倍率特性越好時(shí)，在調(diào)頻時(shí)所需配置的額定功率值越小，這有利于改善儲(chǔ)能電池在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用。

圖4 慣性-下垂控制策略下計(jì)算機(jī)仿真電池實(shí)際出力曲線和頻率偏差曲線

為了研究不同類型的儲(chǔ)能電池容量配置效果，利用本文所提出的優(yōu)化方法分別對磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池、鉛酸電池三種電池進(jìn)行容量配置，所得結(jié)果如表3所示。觀察可知，在控制方法相同的條件下，鈦酸鋰電池的充/放電性能較好，在相同工況下所需配置的額定功率最低，其次為磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池。鉛酸電池的充/放電倍率遠(yuǎn)小于另外兩種電池，當(dāng)倍率較高時(shí)其容量下降較多，所以在應(yīng)用時(shí)一般不考慮其倍率特性。在電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)采用倍率特性較好的鋰電池，可大大降低調(diào)頻時(shí)配置電池的額定功率。

表3 不同工況下電池的配置

為了研究不同控制策略下儲(chǔ)能電池的容量配置效果，對磷酸鐵鋰電池在不同控制策略下的容量配置進(jìn)行仿真，所得結(jié)果如表4所示。觀察可發(fā)現(xiàn)，在階躍擾動(dòng)的條件下慣性-下垂控制策略能最大限度的調(diào)動(dòng)電池的高倍率特性，所需配置的額定功率最小，其次為定下垂和功率-下垂。同時(shí)還說明不論哪種控制策略，磷酸鐵鋰電池的倍率特性均表現(xiàn)較好。

表4 不同控制方法下磷酸鐵鋰電池的配置結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要對調(diào)頻用儲(chǔ)能電池的容量優(yōu)化配置方法進(jìn)行研究，在對電池的容量進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí)，以電池的倍率特性為約束條件，以調(diào)頻時(shí)所需配置的功率/容量最小為目標(biāo)。當(dāng)儲(chǔ)能電池的類型和控制策略不同時(shí)，所得電池的容量配置結(jié)果也不同，當(dāng)考慮電池的倍率特性時(shí)，采用慣性-下垂的控制方法所需配置的額定功率最小，鈦酸鋰電池所需配置的額定功率最低，其次為磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池。本文所提出的電池容量優(yōu)化配置方法及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對儲(chǔ)能電池在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。