电池储能系统在电力电子技术中的应用

刘理

摘 要 随着国家新能源、智能电网越来越受到重视，电池储能系统在电力电子技术中有着广阔的应用前景。电池储能系统具有灵活容量配置和调峰调频的能力，但它的电化学特性在目前阶段制约了易维护和实用化以及电池往大容易的发展方向。所以如何利用电力电子装置作为纽带沟通电力电子和电化学这两个完全不同的体系结构，一方面是电力电网提供如新能源配合、削峰填谷、无功支撑等等功能，另一方面如何保证电池正常使用寿命、不同的串并联方式以及如何高效的适应不同电池类型都是值得我们探讨的技术问题。

【关键词】电池储能系统 电力电子 技术问题

1 电池储能系统简介

电池按电化学反应原理的变化不同可分为锂电池、全钒液流电池及钠硫电池。而其中锂电池又可以根据正极材料角度可以分为：锰酸锂电池、钴酸锂电池、三元材料电池及磷酸铁锂电池。钴酸锂电池里面的钴是非常珍贵的资源，成本也非常高，而且由于在高温状态及充电的状态下有非常大的安全隐患，所以钴酸锂电池不适合在大容量电池储能中应用。而价格便宜，又没有环境污染，在安全性方面又好的锰酸锂电池有着丰富的正极材料资源，在近几年都已在电动公交车，电动车中的应用成功，都取得了重大突破。成本较低又相对安全的三元材料锂电池其实是钴酸锂电池的替代品。有着循环寿命、制造成本、安全性方面都有明显优势的磷酸铁锂电池，它的能量密谋只有钴酸锂电池的四分之三。

电池就是通过电极和电解质之间的化学反应以及外部电路的连接完成电能和化学能之间的相互转换，利用电化学原理进行转化能量及储存的装置。电池系统具有灵活配置、不受资源制约和地理环境的特性，通过能量转换装置（PCS）连接到电力电网系统，就可以讯速调节无功和有功输出，更加适合新一代新能电力电子和在新能源方面发展的需要。

2 电动汽车储能潜力

当前，锂离子电池在交通领域中的电动汽车上得到了非常广泛的运用。

十年前，美国锂离子电池达到了10亿美元的市场销售量，而且估计每年都在以50%至60%的幅度增长。

电动汽车可以通常通过两种方式实现电网储能。一种是电网—车辆（grid to vehicle，G2V）这种应用的车辆和电网的通信是双向的，可是车辆从电网中获得电能的仅作为负荷取得，而通信实现不了向电网提供电能，它只改变其充电速率。另一种是车辆—电网（V2G）车辆与电网的通信是双向的，电池的放电、充电也是双向的。车载电池不只是作为负荷从电网充电，同时又作为一种设备为电网提供电能。电动汽车大规模接入后，可以作为电源向电网反方向提供电能，也可以作为负荷调节电网负荷特性，从而实现削峰填谷，為改善电网性能，提供调频、旋转备用辅助服务，平滑可再生能源发电出力，从而提高电网的经济效益。另外，通过优化控制充放电，电动汽车可以平抑风电、太阳能波动发电，提高电网消纳新能源及再生能源发电利用率。

3 能量转换装置（PCS）和电力电子技术

从电力系统应用角度来看电池其实就相当是一个直流电压源，成千上万个电池组串并联而成一个大容量电池堆，也会构成一个带电容和内险的直流电压源，而这种方式的能量是不能直接为交流电网使用的，所以需要适当的能量转换装置（PCS）把DC转变成AC，而这种装置一般都会需要应用现代电力电子器件和技术。

电力电子技术是以1957年第一个晶闸管的开始诞生为标志，从此，从家用电视、洗衣机、空调到大型厂矿用的内机变频、轧钢机到电力系统用的高压直流、无功补偿等等都是因为半导体开关器件的讯速发展而推动了电力电子装置在这些行业当中的应用，各行各业都可以看到这些电力电子装置的身影。而不管电力电子装置在什么应用场合，都需要下面所示的3个内涵：

——电子和元器件（electronics and devices）

——控制系统 （systems and control）

——电力和能量应用 （power and energy）

以上的三者关系相互制约同时也是相辅相成，任何一方的需求或者不足都是需要另外两方去满足或者补充。

4 电池储能系统在电力电子技术中的问题

电池储能系统装置在电力电子技术的中的应用，电力电子技术和对PCS装置提出了全新的挑战和要求，主要的问题体现在以下几个方面：

（1）PCS要配合电网实现动态无功支持、孤网供电、调频调峰、移峰填谷、电力系统稳定以及改善电能质量等多种应用功能系统，PCS是需要与电力系统进行频繁实时互动，而不再是一个独立的并网装置系统级设备。

（2）电池组内部如果要实现主动均衡才能防止电池在运行过程中差异性扩大，通过电阻电容电感和开关器件实现充放电过程中的能量消耗。

（3）为了有效延长电池循环寿命，可以用分组方法结合PCS在直流侧进行多个电池组的独立电压控制，但得以成本和系统复杂度提高及效率降低作为代价。

（4）储能电站的黑启动或者计划内孤岛运行则需要工作在电压源模式，而PCS只有在电流源模式状态下才能正常工作，这两种方式的无缝转换和外部电源的配合就是控制上的难点。

（5）要求PCS在外部电压大幅波动的情况下跟踪电网频率和相位下的低电压穿越，同时控制有功和无功的稳定输出，这种情况在电压不对称跌落时非常困难。

5 结语

由于大容量电池储能系统在电力电子技术中应用时间不长，而关键设备在国内外市场上也没有非常成熟的技术路线和产品，因此需要从产品方案设计开始，借鉴光伏逆变器和内机变流器的经验，综合考虑直流电池和交流电网的特殊性，在效率、成本、体积和可靠性的各方面找到平衡点，为将来储能逆变的产品开发作为充分的准备的工作。

参考文献

[1]费万民，张艳莉.大容量静止无功发生器与电池储能的集成[J].电力系统自动化，2015.

[2]崔艳华，孟凡明.钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J].电源技术，2015.

[3]王振文，刘文华.钠硫电池储能系统在电力电子系统中的应用[J].中国科技信息，2016.

作者单位

武汉船用电力推进装置研究所 湖北省武汉市 430064