李 偉

（廣東水電二局股份有限公司）

0 引言

本文旨在探討風(fēng)電光伏系統(tǒng)中的電池儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用。在本文中，我們將深入探討電池儲(chǔ)能技術(shù)的原理、不同類型的電池儲(chǔ)能在風(fēng)電光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電光伏系統(tǒng)的協(xié)同控制，以期為未來(lái)的研究和實(shí)踐提供有益的參考。

1 電池儲(chǔ)能技術(shù)概述

電池儲(chǔ)能技術(shù)是一種將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存起來(lái)的技術(shù)。它通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)能量，并在需要時(shí)將其轉(zhuǎn)化回電能，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。電池儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域中扮演著重要的角色，它可以平衡能源供需之間的差異，提高能源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.1 不同類型電池的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)

電池儲(chǔ)能技術(shù)涵蓋了多種電池類型，例如鋰離子電池［1］、鉛酸電池、鈉硫電池等。不同類型的電池具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和輕量化的特點(diǎn)。其中，鋰離子電池具有較高的能量密度，可以提供相對(duì)較大的電能存儲(chǔ)；具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，可以進(jìn)行多次充放電循環(huán)。相對(duì)較輕，適用于移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車等需要輕量化的應(yīng)用場(chǎng)景。廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。鉛酸電池相對(duì)于其他電池類型來(lái)說(shuō)制造和維護(hù)成本相對(duì)較低。鉛酸電池是一種成熟的技術(shù)，應(yīng)用廣泛，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。另外鉛酸電池具有較好的耐高溫性能，適用于一些高溫環(huán)境下的應(yīng)用。鈉硫電池具有高能量密度和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，并且鈉硫電池使用的是環(huán)保材料，對(duì)環(huán)境影響較小。適用于大型儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同類型電池的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表。

表 不同類型電池的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

不同類型電池在能量密度、功率密度、壽命、成本等方面存在差異，選擇適合特定應(yīng)用場(chǎng)景的電池類型至關(guān)重要。

1.2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成和工作原理

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)等組成［2］。電池組是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和釋放能量。BMS監(jiān)測(cè)和管理電池組的狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度等參數(shù)，并確保電池組的安全和性能穩(wěn)定。能量轉(zhuǎn)換器將電池儲(chǔ)存的直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量，以滿足電網(wǎng)或負(fù)載的需求?？刂葡到y(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與釋能的優(yōu)化調(diào)度。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理如圖所示。

電池組由多個(gè)電池單體組成，以提供所需的電能儲(chǔ)存容量。每個(gè)電池單體都有自己的電壓和容量特性，它們連接在一起形成電池組。電池組的總電壓和電流取決于電池單體的數(shù)量和連接方式。電池管理系統(tǒng)（BMS）安裝于儲(chǔ)能電池組內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)電池組進(jìn)行信息采集和監(jiān)測(cè)，通過(guò)與其他系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)充放電管理控制。BMS具有電壓均衡、保護(hù)、熱管理和性能分析等功能，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電池參數(shù)并進(jìn)行診斷、評(píng)估電池組狀態(tài)和估算可持續(xù)放電時(shí)間。

圖 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

能量轉(zhuǎn)換器（如逆變器或變頻器）將電池組儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以供應(yīng)給外部負(fù)載。在放電過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換器將電池組的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的交流電能形式，如標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓和頻率。在充電過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換器將外部電源提供的交流電能轉(zhuǎn)換為適合電池組充電的直流電能。

控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行。它可以接收來(lái)自BMS和能量轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要調(diào)整充放電過(guò)程的參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)還可以與其他設(shè)備（如可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)等）進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的能量管理和調(diào)度。

電池組、BMS、能量轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)共同工作，以確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行，并滿足外部負(fù)載的能量需求。它們相互配合，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和控制。

2 風(fēng)電光伏系統(tǒng)中的電池儲(chǔ)能應(yīng)用

2.1 提高風(fēng)電場(chǎng)功率平滑性和穩(wěn)定性

在風(fēng)電場(chǎng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用于平衡風(fēng)能發(fā)電波動(dòng)，以優(yōu)化能源利用和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

風(fēng)能發(fā)電存在波動(dòng)性，風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)。通過(guò)將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接，可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)風(fēng)速較高且風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，多余的電能可以被儲(chǔ)存到電池中。當(dāng)風(fēng)速較低或風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率不足時(shí)，電池可以釋放儲(chǔ)存的電能，平衡供電需求。

風(fēng)電場(chǎng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率和穩(wěn)定性。當(dāng)電網(wǎng)需求增加時(shí)，電池可以釋放儲(chǔ)存的電能，提供額外的功率支持，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。相反，當(dāng)電網(wǎng)需求減少時(shí)，電池可以吸收多余的電能，以平衡供需差異。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以作為風(fēng)電場(chǎng)的備用電源，在電網(wǎng)故障或緊急情況下提供應(yīng)急電力支持。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電池可以迅速啟動(dòng)并提供電能，以維持關(guān)鍵負(fù)載的供電，保證電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)中引入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提高風(fēng)能發(fā)電的可靠性、可預(yù)測(cè)性和靈活性，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，并支持電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 光伏電站中的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用

光伏發(fā)電的波動(dòng)性是指由于天氣條件、日照強(qiáng)度變化或其他因素導(dǎo)致光伏電站輸出功率的不穩(wěn)定性［3］。這種波動(dòng)性可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。為了平衡光伏發(fā)電的波動(dòng)性，可以引入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)將多余的光伏發(fā)電功率儲(chǔ)存到電池中，形成可調(diào)度的儲(chǔ)能容量。當(dāng)光伏發(fā)電超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，多余的電能被存儲(chǔ)到電池中，避免浪費(fèi)。當(dāng)光伏發(fā)電不足以滿足負(fù)載需求時(shí)，電池釋放儲(chǔ)存的電能，彌補(bǔ)供電缺口。

具體而言，平衡光伏發(fā)電的波動(dòng)性的原理如下：

光伏發(fā)電過(guò)程：光伏電站中的光伏組件將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為直流電能。光伏組件的輸出功率受到天氣條件和日照強(qiáng)度的影響，因此會(huì)有一定的波動(dòng)性。

電池儲(chǔ)能過(guò)程：光伏發(fā)電超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，多余的電能被輸送到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將多余的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在電池中。

電池釋放儲(chǔ)能過(guò)程：當(dāng)光伏發(fā)電不足以滿足負(fù)載需求時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放儲(chǔ)存的電能。

電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能，并供應(yīng)給負(fù)載設(shè)備或注入電網(wǎng)。

通過(guò)這樣的運(yùn)作方式，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平衡光伏發(fā)電的波動(dòng)性。當(dāng)光伏發(fā)電超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，多余的電能被儲(chǔ)存到電池中，避免浪費(fèi)。當(dāng)光伏發(fā)電不足以滿足負(fù)載需求時(shí)，電池釋放儲(chǔ)存的電能，彌補(bǔ)供電缺口。這種能量的儲(chǔ)存和釋放過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電波動(dòng)性的調(diào)節(jié)和平衡。引入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，光伏電站可以提高可靠性、靈活性和可持續(xù)性［4］，減少對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的依賴，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電光伏系統(tǒng)的協(xié)同控制

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電光伏系統(tǒng)之間的協(xié)同控制可以實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)調(diào)度和系統(tǒng)的整體優(yōu)化。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)可再生能源的供應(yīng)和需求情況，結(jié)合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)和能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電光伏系統(tǒng)的智能調(diào)度和控制。

下面在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)性抑制應(yīng)用中，建立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各時(shí)段的充放電功率和電池充電狀態(tài)（SOC），并基于該模型進(jìn)行電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制，削減發(fā)電功率波動(dòng)：

其中，uc和udc分別表示充電和放電階段的時(shí)間占比，ηc和ηdc表示充放電能源效率，S表示電池中剩余電荷，Eb表示電池電勢(shì)。

式（1）和式（2）分別表示電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的充放電功率表達(dá)式，充放電時(shí)間約束，電池SOC的遞推計(jì)算公式。

儲(chǔ)能電池動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件：

其中，ΔP表示時(shí)段t時(shí)的風(fēng)力運(yùn)行功率波動(dòng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電光伏系統(tǒng)的協(xié)同控制策略可以實(shí)現(xiàn)能量的高效利用、電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。通過(guò)上述電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電電網(wǎng)功率抑制建模，不僅可以在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域起到平衡供電需求的效果，同樣可以擴(kuò)展到光伏發(fā)電領(lǐng)域，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)和控制，提高可再生能源的可靠性和可持續(xù)性，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展［5-6］。

4 電池儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)展望

電池儲(chǔ)能技術(shù)可以平衡能源供需之間的差異。它可以存儲(chǔ)多余的能源并在需求高峰時(shí)釋放，從而提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。還可以有效整合可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能。它可以存儲(chǔ)可再生能源在產(chǎn)生過(guò)剩時(shí)的能量，并在不可預(yù)測(cè)的天氣條件下提供持續(xù)的電力供應(yīng)。最后，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供電力系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)能力。它可以快速充放電，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、電壓穩(wěn)定和電力質(zhì)量問(wèn)題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，電池儲(chǔ)能技術(shù)的成本仍然相對(duì)較高。降低成本是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。需要進(jìn)一步改進(jìn)電池材料、制造工藝和規(guī)模效應(yīng)，以降低系統(tǒng)的成本。雖然電池儲(chǔ)能技術(shù)在能量密度和容量方面有所改進(jìn)，但仍然需要更高的能量密度和更大的容量來(lái)滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。電池的循環(huán)壽命和可靠性是大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素，我們還需要改進(jìn)電池的壽命和穩(wěn)定性，以確保長(zhǎng)期可靠的性能和經(jīng)濟(jì)性。利用先進(jìn)的技術(shù)和智能化的解決方案來(lái)管理和控制復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電光伏系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提高風(fēng)電光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低能源成本，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。然而，電池儲(chǔ)能技術(shù)仍面臨著成本、壽命、安全等方面的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新和政策支持。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成本的降低，電池儲(chǔ)能技術(shù)將在風(fēng)電光伏系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。