功率平滑用电池储能系统的功率响应特性研究

郭 芳 邓长虹 廖 毅 谭茂强

功率平滑用电池储能系统的功率响应特性研究

郭 芳1,2邓长虹2廖 毅1谭茂强1

（1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东 广州 510663 2. 武汉大学电气工程学院 湖北 武汉 430072）

电池储能系统（BESS）的功率响应速度问题，一直存在一定的争议。有学者认为BESS的响应速度很快，主要取决于变流器的响应时间；也有学者认为BESS的响应速度偏慢，主要取决于蓄电池自身的响应时间，在需要快速响应的应用场合其调节效果较差。针对这个问题，本文通过研究蓄电池自身的运行特性，结合变流器的功率调节范围，研究了BESS的功率响应特性。理论及仿真分析表明，BESS仅在大功率输出时，显示出功率响应无法快速跟随需求的现象，其根本原因在于大电流输出时蓄电池端电压快速下降，限制了蓄电池本身及变流器输出功率的能力。增加蓄电池组容量、减小蓄电池内阻以及提高电池本身的电压维持能力、通过优化蓄电池组的成组方式提高蓄电池组的标称电压等，可有助于提高BESS提供大功率的能力，改善BESS的功率响应特性。

BESS 分布式电源 功率平滑 响应特性

1 引言

储能技术由于能够实现电能的时空平移而被认为是平滑分布式电源输出功率波动的有效途径，而储能系统的功率响应特性则是影响功率平滑效果的关键因素。超级电容器储能和超导储能由于功率响应速度快，功率高[1-6]，被认为是用于功率快速调节的理想储能元件。然而其储能容量小，价格高，技术成熟度不高，大多处于实验室阶段。蓄电池储能是目前应用最广泛、技术最成熟、价格最低廉的储能技术之一，且储能容量大，在电力系统中有广泛的应用空间[7,8]。其功率响应速度存在一定的争议。有学者认为，蓄电池需要经过化学能到电能的转换，功率响应速度较慢[3,4]，在功率平滑等需要功率快速响应的场合其调节效果不如超级电容器等储能形式。也有学者认为，蓄电池本身的功率响应速度较快[8-11]（尤其是锂电池），BESS的响应速度主要由变流器决定，因此采用BESS也可得到较好的功率平滑效果，而无需使用超级电容器等昂贵的储能装置。在这种情况下，BESS的应用将有可能显著降低平滑分布式电源输出功率波动的成本，对提高分布式电源接入系统的电能质量有重要意义。为明确BESS的功率响应速度，本文通过分析蓄电池自身的运行特性以及变流器的功率调节范围，研究了BESS的功率响应特性及影响其快速提供功率的因素，分析了提高BESS快速提供功率能力的方法，并用仿真分析的方法验证了各种配置下BESS的功率平滑效果。

2 BESS功率调节范围分析

2.1功率平滑用BESS的结构及运行原理

BESS主要由蓄电池组、逆变器、滤波器、控制装置和变压器组成。功率平滑用BESS一般采用并联方式接入电网，其典型电路结构如图1所示，R表示变压器电阻、线路电阻以及滤波器电感的内阻，L表示滤波电感、变压器漏电感及线路电感。功率平滑时，BESS、分布式电源以及电网系统之间的潮流关系简化电路如图2所示。其中Pns-s+jQns-s表示从分布式电源流向公共连接点的功率，Pb-s+ jQb-s表示从储能系统流向公共连接点的功率，Ps-sys+ jQs-sys表示从公共连接点流向系统侧的功率，因此有如下关系:

图1 BESS并联接入电网结构图Fig.1 The structure of BESS parallel with gird

图2 并联接入的储能系统潮流关系简化电路Fig.2 Simplified circuit of power flow

因此，控制BESS的输出功率，即可控制公共连接点向系统侧输出的功率，实现不可控电源输出功率的平滑控制。

2.2PCS的功率调节范围分析

图3所示是BESS接入系统的一相等值电路。其中R表示变压器电阻、线路电阻以及滤波器电感的内阻，L表示滤波电感、变压器漏电感及线路电感，Us为系统侧电压，Ut为蓄电池经逆变器后的等值电压。由于R一般较小，可以忽略。因此，根据图3，BESS与系统间的功率交换可表示为:

若用Us∠0代表矢量，则可用Ut∠-δ代表矢量U˙t，由此式（3）可以变为:

进一步推导可得BESS与系统交换的有功功率和无功功率分别为:

其中M为变流器的调制比，若采用SPWM方式，则MMAX=1，若采用空间矢量方式则MMAX=1.15，Ub代表直流母线电容两端的电压，即为蓄电池组的输出电压。

由式（5）可得:

可见，BESS与系统交换的有功功率其最大值与交流电网电压幅值Us，直流母线电压Ub成正比，而与滤波电感、变压器漏电感及线路电感的总和成反比。这说明在直流母线电压一定的情况下，滤波电感L越小，变压器漏电感越小，BESS 能与系统交换的有功功率越大；在滤波电感及变压器漏电感一定的情况下，直流母线电压越高，BESS 能与系统交换的有功功率越大。

图3 电池储能系统并联接入一相等值电路Fig.3 Equal value circuit of one phase

图4 BESS与系统功率交换的范围Fig.4 The range of power exchange between BESS and system

2.3蓄电池运行特性分析

由蓄电池的通用等效电路模型可知，蓄电池的空载电压Eb可表示为[12]:

式中，E0是蓄电池的恒定电压；K是极化电压；Q是蓄电池的容量（Ah）；A是指数区域幅值；B是指数区域时间常数的倒数。该模型的参数均是通过蓄电池的放电特性曲线计算得到的。ib表示充放电电流，ib为正表示放电，为负表示充电。蓄电池的输出电压为:

从式（9）可见，充电时，蓄电池开路电压Eb增加，放电时，开路电压Eb降低。结合式（10）可见，蓄电池的充电电流越大，其输出电压越高，即式（8）中Ub越大；相反，蓄电池的放电电流越大，其输出电压越低，即式（8）中Ub越小。由此可见，受端电压降低的影响，蓄电池大功率放电的能力有限。

3 影响BESS功率响应特性的因素分析

BESS的功率响应特性主要由蓄电池自身特性及变流器特性决定。由上述分析可知，当滤波电感及变压器漏电感一定时，变流器直流母线电压越高，变流器与系统交换有功功率的能力越强。而蓄电池自身在放电过程中，放电电流越大，蓄电池端电压越低，制约了蓄电池自身提供功率的能力。结合以上两点可见，直流侧电压即蓄电池端电压降低，是造成BESS无法快速响应大功率需求的主要原因，在功率需求较小时，BESS可快速响应系统功率需求。

为确保BESS在大功率需求下的响应速度，应尽量提高直流侧电压，提高BESS的功率交换能力。由式（9）、（10）可见，提高电池容量、降低电池内电阻、调节电池的参数特性（如式（9）中的K、A、B等参数），提高电池的电压维持能力等，都是提高直流侧电压的有效办法。

对于成组电池，由于每个单体电池提供的电流及其端电压都与电池的成组方式无关，当电池组输出功率一定时，电池组的串联组数越大，输出电压越高。因此，尽可能增加电池的串联组数，可提高变流器直流侧电压，从而提高BESS的功率交换能力，扩大BESS快速响应的功率范围。

4 仿真算例分析

图5所示是简单海岛微电网的电路结构，用以仿真分析蓄电池的特性、容量及成组方式对功率平滑用BESS输出功率特性的影响。仿真中设定风速及光照强度以及风力发电系统与光伏系统的输出功率随时间的变化情况如图6所示。可见，随着风光资源曲线的实时变化，风机和光伏系统的输出功率波动较大。本算例中BESS的控制目标即为随着风光系统的随机波动，实时调节自身输出功率，以保证风光储联合系统按照计划要求以恒功率320kW发电。倘若BESS的功率响应时间过长，将难以达到实时调节、快速补偿或吸收功率的目的，从而实现风光储联合系统的稳定输出。仿真中，均不考虑大电流充放电对电池寿命的影响，对电池充放电倍率及端电压幅值不做限制，电池组初始SOC设定为80%。

图5 微电网结构Fig.5 Structure of micro-grid

图6 风光资源曲线及风光电站发出的有功功率Fig.6 Resources curves and output power of PV and wind stations

4.1蓄电池类型对BESSS快速响应大功率能力的影响

不同类型以及不同型号的电池，其特性上都有一定的差异。本算例主要针对典型的锂离子电池和铅酸电池，仿真比较分析电池特性对BESS大功率响应能力的影响。图7给出了相同的风光输出下，功率平滑用BESS的输出功率指令值、两种电池储能系统输出功率实际值、风光储联合发电系统实际输出功率及电池组状态曲线，其中BESS提供的功率为正表示放电，为负表示充电。比较两图可发现，当BESS需要的功率较大时，铅酸电池的输出电压随着输出电流的增加下降较快，限制了铅酸电池响应大功率的能力。因此，当需求功率大于铅酸电池组能提供的最大功率时，由铅酸电池组成的BESS将以最大功率输出，表现出无法及时响应系统的功率需求。当需求功率在BESS功率范围以内时，BESS能快速响应系统的需求，维持风光储联合系统输出320kW的恒定功率。锂离子电池由于有较强的电压维持能力，当需求功率增加时，锂离子电池组的输出电压随输出电流的增加下降相对较慢，仍能维持较高的电压水平，提供较大的输出功率。因此，对于本算例中的功率需求，50Ah×768V的锂离子电池组表现出较好的响应速度，可始终维持风光储联合系统以320kW的恒定功率输出。

图7 50Ah×768V电池组的调节效果及电池组状态Fig.7 Adjust effects and battery status of 50Ah×768V battery pack

4.2电池容量对BESS快速响应大功率能力的影响

假设两组容量不同的电池组标称电压相同，当两组电池提供的总功率相同时，总容量小的电池组单体电池需提供的电流较大，造成单体电池的端电压下降较快。因此电池组容量越低，BESS响应大功率的能力越差。图8给出了15Ah×768V锂离子电池的调节效果及锂离子电池组的状态。可见，在5.9s时刻，需求功率大幅增加，电池组输出电压急剧下降，无法提供更大的输出功率。在5.9-8.7s时刻内，BESS均以最大功率输出，直到需求功率降低至BESS功率调节范围以内。而容量为50Ah标称电压为768V的锂离子电池组则表现出较好的响应速度，可始终维持风光储联合系统以320kW的恒定功率输出，如图7（a）所示。

图8 15Ah×768V锂离子电池组的调节效果及电池组状态Fig.8 Adjust effects and battery status of 15Ah × 768V Lithium-ion battery pack

图9 20Ah×576V锂离子电池组的调节效果及电池组状态Fig.9 Adjust effects and battery status of 20Ah×576V Lithium-ion battery pack

4.3成组方式（或标称电压）对BESS快速响应大功率能力的影响

由上述第2节的分析可知，对于相同容量的电池组，尽量提高串联组数，可提高BESS的大功率响应能力。为此，本节分别针对15Ah×768V及20Ah×576V两种锂离子电池组进行了仿真分析，15Ah×768V的电池组具有较大的串联组数和较小的并联组数。图9给出了20Ah×576V锂离子电池组的仿真结果。与15Ah×768V锂离子电池组的仿真结果（图8）比较可见，20Ah×576V的电池组由于电压水平较低，比15Ah×768V电池组提供功率的能力更弱，无法响应功率需求的时间更长，风光储联合系统实际输出功率与预定的320kW偏差更大。由此说明，提高串联组数，对提高BESS的大功率响应能力是有益的。但在配置过程中，应注意BESS直流侧电压的许可范围，不可盲目增大串联组数，导致电池组充电过程中电压上升而超出允许范围。

5 结论

本文通过研究蓄电池自身的运行特性及变流器的功率调节范围，发现大电流放电时蓄电池端电压降低，是限制蓄电池及变流器输出功率能力的主要因素，进而影响BESS的功率响应特性。因此，在功率需求较小时，BESS能快速响应系统需求，表现出良好的功率平滑效果，在功率需求较大时，BESS由于受到功率输出的限制，无法快速响应系统的功率需求，功率平滑效果较差。提高蓄电池组的端电压是改善BESS功率响应特性的有效途径。而提高蓄电池容量、改善蓄电池特性以及通过优化成组方式提高蓄电池组标称电压等，均可提高大电流放电下蓄电池组的端电压，从而改善BESS功率响应特性。

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Research on the Response Characteristics of BESS Used in Power Smoothing

Guo Fang1,2 Deng Chang-hong2 Liao Yi1 Tan Mao-qiang1
（1. Guangdong Electric Power Design Institute Co, Ltd. of China Energy Engineering Group, Guang zhou 510663, P.R.China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P.R.China）

The power response speed of battery energy storage system (BESS) there has been some controversy. Some scholars think that the response time of BESS mainly depends on the converter. The response is quickly. But some scholars think that the response time of BESS mainly depends on the battery itself. The response is slow. Aiming at this problem, BESS power response characteristics are studied in this article through studying the operation characteristic f the battery itself and the converter power regulation scope. Theory and simulation analysis show that the power response may cannot follow the demand quickly only when the output power of BESS is high. This is because the terminal voltage of battery will falling fast when the output current is high. This limits the battery and inverter output power ability. Increase the battery capacity, reduce the battery internal resistance and increase the voltage maintain ability of the battery, improvement of the nominal voltage of the battery through optimization the group way, etc., can improve the power response characteristics of BESS, and increase the ability of provide high power.

BESS, distributed power, power smoothing, response characteristics

TM64

郭 芳 女，1983年生，博士，研究方向为微电网、储能技术等。

2014-09-10

邓长虹 女，1963年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为大电网安全稳定分析及控制、新能源接入及电网智能控制、优化控制理论及电网规划等。