用户侧电池储能系统仿真和检测的研究与展望

任禹同

摘要：随着储能电站的大规模建设，储能系统不断地应用到工程现场中，用户侧电池储能系统的电气性能测试的需求不断加强。本文首先从近几年国内外电池储能技术的发展成果入手，介绍了用户侧电池储能的典型应用和示范工程，并且整理了仿真和检测的国内外标准和规范，并且重点对用户侧电池储能系统仿真测试平台搭建的过程中所涉及的成组电池建模仿真问题、系统控制策略，系统检测方案等关键环节进行了论述，最后对未来电池储能的安全问题、优化管理和电力系统运行模式等进行了探讨和展望。

关键词：电池储能系统;控制策略;等效电路模型;检测方案

0  引言

随着可再生能源的大量接入和快速发展，电力系统的运行和规划面临着前所未有的挑战。如何实现电网供需平衡、电力清洁和电网安全是电力系统专家学者所面对的共同课题。储能技术作为实现这一目标最重要的技术，被麦肯锡公司视为未来经济的十二大颠覆技术之一[1]。

电力系统对于储能系统功能新要求不断提高与深化，其控制系统和控制算法也在不断丰富发展，提出了许多基储能系统的主动配网能量控制方案，完成调频、无功治理、电压支撑、旋转备用、黑启动等功能，与以往分布式发电设备功能相比，对储能系统特性提出了很多新的要求[2-3]，如何检测这些功能的效果也成了需深入研究，为了便于研究配备新功能的储能系统的检测方案，有必要对储能系统提供辅助服务方面的功能进行理论研究。

纵观电池储能大发展历程，电池储能系统在新能源发发电以及电网运行控制中已受到国内外电力行业的高度重视。深入探索用户储能系统的功能机特性，有助于进一步探索电池储能系统的控制与保护，同时，随着电池储能系统的大规模发展，储能系统的性能检测的研究与完善，也对我国储能技术、新能源推广以及电网大规模调控等应用酷游重要的战略意义。

1  电池储能发展现状

电池储能作为电能存储的重要方式，具有可根据需要灵活配置功率及能量、响应速度较快、不受自然资源因素制约等特性，这使得电池储能在新能源并网、电网辅助运行等方面具有不可替代的优势。

表1为列举了近些年典型的国内外你建设的电池储能。从表1中可以看出，在实际工程应用当中，锂离子、液流等电池均可作为电池储能系统的组成单元。它们因其不同的性能具有不同的应用场景。

总管国内外的电力行業，电力储能系统在新能源发电以及电网运行控制均十分重视。规模化、集中化、分布式以及移动式的集成或应用模式将是电池储能系统未来的发展方向，对于储能系统的多目标、多层次的运行控制与智能化管理研究具有重要意义。

2  用户侧储能系统的研究热点

2.1 储能电池组模型

电池储能过程是复杂的电化学反应，如何准确描述电池储能系统的状态成为了建模重点。常用的电池模型主要有四种类型：电化学模型、热模型、耦合模型和性能模型。

其中，等效电路模型因其数学描述简单、物理意义明确而在电池建模中受到广泛应用。它通过电阻、电容、恒压源等电路元件组成的电路网络来模拟电池的动态特性，与其他性能模型相比，它有以下优点：

（1）输出解析数学方程;（2）可实现模型参数的辨识实验;（3）完整SOC（0～1）范围建模;（4）可考虑多模型维影响因素。等效电路模型有多种形式，由于单体电池数量庞大，将电池系统共分为12组，每组由216节360AH的锂电池单体串联组成，所搭建RTDS模型无法对BMS的单体电池信息采集和单体电池间的电量均衡进行试验[4]，因此这种基于整体的建模方法具有一定的缺陷，而且会随着电池组的老化越来越严重。选择磷酸铁锂电池作为研究对象，对其OCV-SOC特性进行测试，并基于测试结果对锂电池组进行戴维南等效电路模型建模，最后通过仿真验证模型的准确性[5]，其建模方案完整详细，具有一定的指导意义。

基于单体储能电池的戴维南等效电路仿真模型，可以利用组合建模法、整体建模法和抽样建模法对储能电池包进行建模，并对比分析各建模法的精度。研究单体参数如内阻、容量、SOC等差异对串并联电池性能的影响;研究电池不一致性及参数分布对串联电池组能量利用率的影响。在Matlab/Simulink中对整个电池包系统模型进行搭建，研究电池包工作特征对储能电池整体性能影响，研究模型的正确性和精度。还可以进一步研究储能电池包健康度模型，分析储能电池包健康度深度评估方法。

2.2 储能系统的控制策略和实时仿真

电池系统、功率转换系统、电池管理系统、监控系统做成了电池储能系统，如图2所示。为降低并优化可再生能源间歇性对电网带来的影响，储能系统与分布式电源形成的主动配电网具备调节功率的能力，降低了电网的负荷峰谷差。

并网、离网是储能系统在只能电网中的典型运行模式：在并网模式下，储能系统根据接受的有功无功指令，按照PQ控制策略实现有功、无功控制。在离网模式下，储能系统在主动配电网中一般做主电源运行，采取定电压和定频率控制策略（V/F控制），维持电压和频率的稳定。

图3为在微电网储能运行模式下，恒功率控制储能系统策略，各功率转换系统均采用如图4所示的结构，对电池储能单元进行充/放电管理，需在充分考虑能量管理策略，微电网的能量管理单元接受功率参考指令，来控制储能系统主控制器。

离网运行分为计划孤岛和非计划孤岛两种方式：对于非计划孤岛，其要求与分布式电源的要求一致，在2s内停止向电网供电。但对于计划孤岛，储能系统的主要作用之一就是当电网出现故障时，对一定范围内的紧急负载供电。

对于计划孤岛，需要对这部分性能进行详细要求，比如离网运行的范围、设计离网运行时对载流方向的论证、切入离网运行时的条件判定、离网运行时的有功/无功功率要求、离网运行时对其它联网设备的影响、继电保护设备的配合等。并网到离网切换是在电网计划性停电或电网突发性故障时要求储能系统不掉电，继续给负载供电。离网到并网切换是在变流器恢复并网时要保持和电网电压幅值、频率和相位一致，以避免出现电流冲击。

2.3储能系统性能测试方案

有针对性制定完整的电池储能系统测试方案是难点所在。电化学储能系统主要包括电池系统、BMS系统和储能变流器系统。其中电池系统存在容量校准难、单体间不均衡、衰减快等问题，因此储能电池的性能检测和SOH评估（评估电池健康度）需求将越来越强。储能变流器系统作为储能电池与电网间的双向交换枢纽，是能量流和信息流的接口，其性能特性将影响电网稳定和运营可靠性，储能变流器的性能检测是储能系统检测重点。考虑到铁锂储能系统的循环寿命一般都是基于实验室的数据，而实际中储能系统普遍达不到设计的充放次数，整体系统效率也并未达到预期的目标，有必要对其进行全寿命周期的测试，来检测和评估储能系统在全生命周期内的持续表现。测试方案大致分为后台监控系统测试、PCS控制及保护功能测试、电池储能系统动态特性测试等及部分。

后台监控系统测试分为两部分。一是通过后台监控系统的信息及状态采集监视功能的测试，确认后台监控与储能系统的通讯以及是否能正确执行测试命令;二是验证在整改测试过程中，各个功能是否可以实现。

储能变流器（以下简称PCS）是电池储能系统的核心。因此PCS控制及保护功能是测试的核心。预计总共分6次进行检测：首检、末检和4次期间检。每次检测都要分别针对PCS、储能电池组的3个模组、储能系统（PCS+储能电池组）三个对象进行检测，此外，首检和末检还要包括对8节单体电池的检测。中间的循环充放电过程按照0.5C进行充放电，充放电深度为70%，每充放电一次（包括充放电后的静置时间）的时间约为4h，每天约完成6次充放电。所设置的中间间隔的循环次数不断缩短，以便更清晰地观测到储能系统全寿命检测实验后期的性能变化情况。

电池系统动态特性就是验证在外界条件變化时储能系统的动态响应。

3 探讨与展望

未来随着清洁能源发电成本以及电池的成本下降，使得用户储能进入电力市场的绊脚石正逐步瓦解，在此背景下，发展用户储能已然大势所趋，所以伴随着电池储能系统发展与应用会引发新的难点和课题来进行研究和攻克，本文简要阐述需从以下几个方面重点开展研究：

（1）电池安全问题应时刻被放在第一位，无论储能电池的设计、集成、运维等环节，都可能存在电池燃烧、泄露、变形等安全隐患，应在电池隐患预警预测技术方面开展研究，设计具有充分可靠性的监测技术及方案，避免安全事故或电气火灾发生;

（2）随着电池行业的不断发展扩大，不同厂家、不同容量、不同类型以及不同使用阶段的储能单元的检测其性能情况、充放电能力、健康状态，是存在的另一个新的研究方向，研究具有强兼容性的检测方案及平台，来解决电池优化管理的难题;

（3）当用户储能达到一定规模后，将成为电网互动调控不可忽略的组成部分，但伴随着大量的储能系统的接入和退出，电池储能系统与电网稳定运行协调控制是一个新的难点，研究基于大规模储能接入的电力系统稳定能力提升技术是一个新的研究方向。

4总结

文章在结合近几年围绕电池储能技术所取得的成果的基础上，针对用户侧电池储能系统的运行控制与应用方法开展了系统的研究，主要结论如下：

（1）对电池储能的国内外的发展概况进行了叙述，介绍了电池储能电站在新能源并网和电网安全控制等领域所发挥的重要作用。列举了国内外电池储能站的运行和控制方面的一些典型工程。

（2）对国内外用户侧储能系统的测试领域的发展现状进行了综述，介绍了国际上已制定的储能系统并网标准和国内制定的针对储能系统设备检测的标准，总结发现上述标准对于用户侧储能系统整体性能无法很好的检测，因此，搭建功能齐备的电池储能系统检测平台将成为储能领域的重点发展方向。

参考文献

[1] 孙永福，王礼恒，陆春华，孙棕檀，王崑声，徐源.国内外颠覆性技术研究进展跟踪与研究方法总结[J].中国工程科学，2018，20（06）：14-23.

[2]郑建华.储能行业战略研究[J].机械制造，2018，56（10）：1-8.

[3]《储能产业研究白皮书2018》发布[J].高科技与产业化，2018（04）： 38-41.

[4]李哲. 纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D] .清华大学，2011.

[5]范刘洋，汪可友，张宝群，李国杰，翟登辉，王卫星.考虑电池组不一致性的储能系统建模及仿真[J] .电力系统自动化，2016，40（03）： 110-115