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电化学储能电站系统建模与特性分析综述
目录
TOC\o1-2\h\u15288电化学储能电站系统建模与特性分析综述 1
323961.1电化学储能系统的数学建模 1
39901.1.1概述 1
299131.1.2储能电池组等效电路 1
197381.1.3荷电状态模型 3
308931.1.4储能电池组模型 4
132161.2电化学储能电站详细模型及其动态响应 5
311561.2.1电化学储能电站详细模型及参数设置 5
294051.2.2电化学储能电站的动态响应特性 6
1.1电化学储能系统的数学建模
1.1.1概述
目前电池储能的主流技术主要有锂离子电池、硫钠电池、液流电池、镍铬电池和铅酸电池等[28-31]。电池的充放电是非线性的，所以建立能够反映完整准确电池充放电过程的模型比较困难。而电池模型分为基本原理模型和等效电路模型。基本原理模型根据电池内部的电化学反应来建立模型，非常复杂。等效电路模型可以反映荷电状态的变化和电池的动态性能，且建立模型过程相对简单。目前常用的等效电路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、GNL模型和RC模型等[28-31]，上述等效电路模型都可以反映电池的荷电状态变化和电池外特性。
本文主要研究电化学储能系统运行时的有功功率和荷电状态变化，因此采用等效电路模型对储能电池进行建模。
1.1.2储能电池组等效电路
储能电池电路部分采用简化模型，如图3-1所示：
图3-1储能电池等效电路
E为电池电动势，与荷电状态SOC有关；R为电池内阻，也与荷电状态SOC有关，可以通过查询电池制造厂家的图标得到。
本文对电化学储能系统采用单机等值建模，即在整个系统中使用同一型号、同一性能的电池，而且所有电池在任意时刻都保持在同一工作运行状态。而且在实际的工程中，储能电池组也经常使用同一型号的电池以延长电池使用寿命。因此在搭建模型的时候，可以类似图3-2先对单体模型进行搭建，再对单体电池进行串并联组合建立储能电池组的模型。
最后可以得到储能电池组的等效电路模型如图3-3所示。
图3-2储能电池组简图
图3-3储能电池组等效电路图
1.1.3荷电状态模型
电池的荷电状态是电池可用容量与电池总容量的比值，荷电状态的变化反映了储能电站具有吞吐电能的能力，这也是与常规电源的主要区别。荷电状态SOC的估算方法有：开路电压法、安时积分法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法[32]，开路电压法由于要预计开路电压，因此需要长时间静置电池组；内阻法存在着估算内阻的困难，在硬件上也难以实现；神经网络和卡尔曼滤波法则由于系统设置的困难，而且在电池管理系统中应用时成本很高，不具备优势。因此相对于开路电压法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法本而言，安时积分法由于简单，有效而常被采用。
如果将电池在t时刻的荷电状态SOC值定义为SOC(t)，安时积分法的计算公式如下：
(1.1)
式中，CN为电池额定容量；i(t)为电池电流；η为充放电效率，本文中取η=1。
将式1.1转化为初始时刻开始的电池电量函数，则得到t时刻的电池电量计算公式如下：
(1.2)
式中，Q(t)为电池电量；SOC(0)为初始状态时的电池荷电状态。
根据式1.2可在Simulink平台中搭建电池电量计算模型如下图所示：
图3-4电池电量计算模型
电池荷电状态SOC计算公式如下：
(1.3)
根据式1.3可在Simulink平台中搭建电池荷电状态计算模型如下图所示：
图3-5电池荷电状态计算模型
1.1.4储能电池组模型
根据图3-3储能电池组等效电路图可以得到电池电压计算公式如下：
(1.4)
式中，Uout为储能电池组电压；UT为单个电池电压；Em为单个电池某个运行状态的电源电动势；IT为单个电池电流；RT为单个电池内阻；Np为并联电池节数；Ns为串联电池节数。电源电动势与荷电状态有关，电池内阻与荷电状态有关，可通过查询电池制造厂家的图标得到数据。
根据式1.4可在Simulink平台中搭建储能电池组电压计算模型如下图所示：
图3-6电池电压计算模型
由图3-4、3-5和3-6的子模型进行组合可以得到储能电池组的整体模型如下图所示：
图3-7储能电池组模型
1.2电化学储能电站详细模型及其动态响应
1.2.1电化学储能电站详细模型及参数设置
综上所述，该电化学储能电站的三相并网Simulink模型如图3-8所示。该电化学储能电站对输入的功率指令进行追踪调节。
图3-8电化学储能电站Simulink模型
根据国外抽水蓄能电站与电化学储能联合运行的实际工程[33-35]，电化学