考虑锂离子电池特性的储能系统功率控制策略

作     者：于航 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段双明

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电池储能系统 储能单元 状态估算 一致性 均衡管理 功率分配 

摘      要：风能、太阳能等可再生能源发电是支撑能源低碳化转型的重要方式,也是落实“双碳的关键措施。电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)具有运行方式灵活、建设周期短和对环境要求低等优点,可有效抑制分布式能源发电功率波动,对可再生能源发电占比较高的电力系统稳定性具有重要支撑作用。BESS一般由多个储能单元组成,在参与微电网功率调节过程,储能单元常被简化为一整个大单体电池,忽略其内部特性,然而储能单元内部出现的单体电池不一致现象,将导致储能单元实际可用容量降低,严重制约了BESS调节潜能的充分发挥。论文基于锂离子电池的运行特性,针对BESS参与微电网调节时储能单元内部不一致进行分析,对提升单元内部一致性的措施和系统运功率控制策略设计等难题进行研究,主要研究内容如下: (1)磷酸铁锂电池状态估计。电池储能系统由大量单体电池组成,其健康状态(State of Health,SOH)和荷电状态(State of Charge,SOC)的准确估计是实现储能系统安全稳定运行的前提。课题分析了磷酸铁锂电池工作特性、SOC与SOH估计方法,为后续针对储能单元内部不一致性所提出的电池均衡管理方法和BESS优化控制策略奠定理论基础。 (2)储能电池不一致性研究。单体电池出厂后存在固有差异,串并联成组参与运行后,组间不一致情况将逐步加剧,直接影响储能单元甚至整个BESS的可用容量和运行安全。针对锂离子储能单元,分析了单元内部产生不一致的原因及表现形式,研究了提升单元内部电池间SOC一致性的方法,选择基于辅助电源的电池SOC均衡控制架构,提出基于SOC的电池组小周期均衡控制策略,仿真结果表明,该均衡拓扑与均衡策略能有效提升电池间的一致性,缩短均衡时间。 (3)考虑储能单元内部状态一致性的BESS功率分配策略。针对BESS不规则充放电导致的储能单元SOH和SOC不一致性问题,研究储能单元内SOH差异与SOC一致性的关系。结合充放电优先级排序和自适应变异粒子群算法(Adaptive Mutation Particle Swarm Optimization,AMPSO),提出考虑储能单元SOH和SOC一致性的BESS功率分配策略。采用包含BESS、风/光发电、电动汽车和常规负荷的共直流母线型集中式微电网并网示范平台的实测数据对所提功率分配控制策略与传统功率分配控制策略进行对比仿真分析。仿真结果表明,所提控制策略可有效提高储能单元SOC的一致性,延长储能单元使用寿命,降低储能单元运行损耗,增强BESS双向调节能力。