基于锂离子电池的风光储系统的研究
时间：2022-11-13 来源：博通范文网 本文已影响 人 
计划发电
根据计划的出力曲线或调度指令，控制储能电池的充放电过程，使得电站的实际功率输出尽可能接近计划出力曲线，增加风光储电站功率输出的稳定性，提高电站的功率输出调节能力。所需配置的储能电池的功率和容量与风/光出力预测的准确性有关，一般情况下，风速或辐照度的波动性和不确定性越大，所要求配置的储能系统的功率和容量越大。
2.3 移峰填谷
即根据系统负荷的峰谷特性，在负荷低谷期储存多余的风能/太阳能，同时还可以从电网吸收功率和能量；在负荷高峰期释放储能电池中储存的能量，从而减少电网负荷的峰谷差，降低电网供电负担，一定程度上还能使风力/光伏发电在负荷高峰期发电出力更稳定。一般要求配置的储能电池的功率和容量较大。
2.4 储电
储存电能，在需要时放出储存的电能供所带负荷使用。根据其条件不同所需储能电池的系统功率和容量也不同。为了实现储电功能需要配置的储能电池的功率和容量较大。
2.5 参与电网调频
是指按照电网调度下达指令进行充、放电，维持电网频率的稳定。所需配置功率和容量由电力系统决定，不能一概而论。
储能装置功率和容量配比不同，其实现的功能也不同。
表1为储能系统功能分析表，由表可见，实现各种功能需要配备的电池容量差别很大，储能电池费用差别也较大。风电、光伏发电项目若100%实现移峰填谷、储能、跟踪计划发电功能，储能系统投资太大。
而作为风电、光伏发电项目来说，最重要也是最实用的功能是出力平滑，所以建议风电、光伏发电项目选择储能系统容量时可参考表1中出力平滑时的功率，在节省项目投资的基础上达到平滑出力的效果。图1为风电出力平滑前后示意图，从图中可以看出，增加储能系统后的风力发电项目可以有效的平滑发电出力曲线，改善电力品质。光伏发电项目的曲线与图1类似。
3 锂离子电池技术原理
如图2所示，锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。它以含锂的化合物作正极，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）或磷酸铁锂（LiFePO4）等二元或三元材料；负极采用锂-碳层间化合物，主要有石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成的。其工作原理如图6所示，充电时，锂原子变成锂离子通过电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存，放电的时候整个过程可逆。
锂离子电池具有能量密度大、自放电小、没有记忆效应、工作温度范围宽、可快速充放电、浅充浅放时使用寿命长、没有环境污染等优点，被称为绿色电池。同时不同技术的锂电池在充电特性和能容上也有差异，部分锂电池充放电电流大，大功率适用于调节输出，部分锂电池适用于储能。因此不同的应用目标也需要选择不同的电池类型。
目前锂离子电池发展迅速，大容量锂离子电池已在电动汽车业开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力，锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，将锂离子电池用于储能非常具有应用前景，许多发达国家都十分重视。
4 锂离子电池在风光电储能系统中的优势
通过对铅酸电池、全钒液流电池、锌澳电池、钠硫电池和锂离子电池的各方面比较（见表2），可以得出下面结论：
铅酸电池是最成熟的蓄电池技术，其使用寿命及放电特性、限制了在大规模储能方面使用，另外环境温度对其容量也有比较大的影响，不适合选作风电、光伏发电储能电池。全钒液流电池储能容量大、可深度充放电，使用寿命长，但其能量密度低、占用空间大，对运行环境温度要求高，需要室内布置并设置通风空调系统，且室内管路布置复杂，维护困难，在经济及技术上不是最佳选择。锌溴电池储能容量大、可深度充放电，使用寿命长，但其放电倍率低，在实现短期稳定出力的应用上有一定局限性，另外目前国内没有应用可借鉴，应用效果还需进一步验证。NaS电池有比能量高，可大电流、高功率放电，充放电效率高。但钠硫储能电池系统需要保持在350℃高温下运行，其运行管理及维护技术要求高，2011年全球唯一量产的大型蓄电池NAS电池的NGK产品发生两次爆炸，因此暂不推荐NaS电池。锂离子电池与其它蓄电池相比的主要优点是储能密度高，转换储能效率高，在浅充浅放时使用寿命长，可大功率充放电，而深度充放电时会使电池寿命严重下降。
基于以上特点，锂电池符合稳定风电、光伏发电场出力的功能目标。锂电池运行环境温度要求较高，正常的运行温度需要保持在5℃～40℃，因此需要设置通风空调系统，而且低温性能差，高温损失率大，单片转换效率高达95%，但串并联后一致性差会造成转换效率下降至85%。目前锂离子电池可采用集装箱模块化设计，安装维护方便，集装箱设置独立的空调系统可保证锂电池的运行环境。但空调系统需要消耗一定的厂用电，相应降低电站经济性。另外锂电池的运行环境内必须采取一定的防爆措施，比如喷洒CO2等措施，需额外增加投资。
与其他传统蓄电池相比，锂离子电池具有比能量高、额定电压高、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点，其比能量（200Wh/kg）达到了铅酸电池的5倍左右，单体工作电压为3.7V或3.2V，循环寿命在浅充放模式下可以达到3000～5000次，储能效率可以达到90%以上。锂离子电池以其高能量密度、高转换效率和快速反应等特点，非常适合用作风电、光伏发电项目的储能系统电池。
5 结论
通过以上分析，锂离子电池可以较好实现风电、光伏发电工程储能项目的目标。笔者建议选用锂离子电池储能系统来稳定电场出力，而储能系统的容量刚可按照所建风电、光伏发电场装机总容量的15%～30%考虑，在节省项目投资的前提下达到平滑输出曲线，提高电能质量并缓解限电和弃风弃光问题。
参考文献
[1]吴宇平.锂离子电池-应用与实践[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 李建林，李蓓，惠东.智能电网中的风光储关键技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]陈海生.国际电力储能技术分析（五）-锂离子电池[J].北京：工程热物理纵横，2012.
[4]（美）阿里著，刘长浥，等译.风电系统电能质量和稳定性对策[M]。北京：机械工业出版社，2013.
[5]（法）Yves Brunet，等著，唐西胜，等译.储能技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
