陳豪，翟化欣，王開讓，楊俊豐，鞏宇

儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法研究

陳豪1，翟化欣2，王開讓1，楊俊豐2，鞏宇1

（1．國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京市 西城區(qū) 100045；2．國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司，河北省 張家口市 075000）

為提高電池儲(chǔ)能單元控制精度，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，研究了儲(chǔ)能鋰電池模組能量狀態(tài)(state of energy，SoE)運(yùn)行區(qū)間。在分析跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑運(yùn)行模擬工況，以及電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法。然后，對(duì)實(shí)際運(yùn)行的鋰電池模組進(jìn)行了跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)，并通過(guò)分析電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的變化，確定了2種運(yùn)行工況下鋰電池模組的SoE運(yùn)行區(qū)間。研究結(jié)果表明，采用分析模擬工況試驗(yàn)中電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的方法能有效評(píng)估儲(chǔ)能鋰電池模組的SoE運(yùn)行區(qū)間，為提高儲(chǔ)能單元能量利用率提供了技術(shù)手段，對(duì)于保證鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

儲(chǔ)能；鋰電池模組；能量狀態(tài)；跟蹤計(jì)劃發(fā)電；風(fēng)光功率平滑；電池電壓極差；電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)

0 引言

隨著全球風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等新能源發(fā)電工程迅速增加，作為抑制新能源發(fā)電間歇性、波動(dòng)性有效手段的電池儲(chǔ)能電站，特別是鋰電池儲(chǔ)能電站也不斷增多，截至2018年4月，我國(guó)有60多個(gè)運(yùn)行、在建及規(guī)劃的儲(chǔ)能項(xiàng)目[1-4]，其中國(guó)家電網(wǎng)公司14MW/63MW×h張北儲(chǔ)能電站、南方電網(wǎng)公司4MW/16MW×h深圳寶清儲(chǔ)能電站是國(guó)內(nèi)應(yīng)用鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的代表工程[5-6]。隨著電池儲(chǔ)能電站數(shù)量增多、運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，電池儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀況越來(lái)越受到運(yùn)行單位重視，而儲(chǔ)能電池模組作為儲(chǔ)能單元的主要組成部分，評(píng)估其SoE運(yùn)行區(qū)間對(duì)于提高儲(chǔ)能單元運(yùn)行性能，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能電池能量狀態(tài)(state of energy，SoE)運(yùn)行區(qū)間的研究較少，一般直接指定SoE運(yùn)行區(qū)間并作為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制參數(shù)直接使用[7-8]。對(duì)電池SoE的研究則主要集中在對(duì)電池SoE的估算上，文獻(xiàn)[9-10]對(duì)儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池單體SoE估算方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11]則對(duì)電動(dòng)汽車電池組的SoE估算方法進(jìn)行了研究。

基于上述原因，本文對(duì)儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，本文提出的評(píng)估方法能有效確定不同運(yùn)行工況下儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間，為提高鋰電池儲(chǔ)能單元運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提供了技術(shù)手段，對(duì)于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

1 評(píng)估方法

儲(chǔ)能鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)能通過(guò)電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的變化反映出來(lái)[12-13]。特別當(dāng)儲(chǔ)能鋰電池模組運(yùn)行在SoE區(qū)間兩端時(shí)，例如接近0%或100%時(shí)，由于此時(shí)鋰電池會(huì)因?yàn)榻咏潆娚舷揠妷夯蚍烹娤孪揠妷憾鴮?dǎo)致電池極化電壓迅速增加[14]，從而使得電池電壓差異快速增大[15]，并最終引起電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的迅速增大。因此，可以通過(guò)分析電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間的變化，特別是區(qū)間兩端的變化，來(lái)判斷儲(chǔ)能鋰電池模組是否能在該SoE區(qū)間正常運(yùn)行。本文擬在研究跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，結(jié)合電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等評(píng)估指標(biāo)，采用不同SoE區(qū)間模擬運(yùn)行試驗(yàn)的方法，研究?jī)?chǔ)能鋰電池模組合理的SoE運(yùn)行區(qū)間，并形成相應(yīng)的SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法。

1.1 模擬工況

1.1.1 跟蹤計(jì)劃發(fā)電工況

儲(chǔ)能系統(tǒng)的跟蹤計(jì)劃發(fā)電工況是指，新能源場(chǎng)站根據(jù)調(diào)度下發(fā)的發(fā)電計(jì)劃曲線，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)配合風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)，跟蹤調(diào)度發(fā)電計(jì)劃曲線進(jìn)行充放電的一種運(yùn)行方式。本文儲(chǔ)能鋰電池模組模擬運(yùn)行工況主要指電流運(yùn)行工況，電壓模擬運(yùn)行曲線則是根據(jù)電流運(yùn)行數(shù)據(jù)間接得到，SoE模擬運(yùn)行曲線是根據(jù)電壓、電流運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)。跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)中儲(chǔ)能鋰電池模組電流試驗(yàn)曲線如圖1所示，電壓試驗(yàn)曲線如圖2所示，SoE試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖1 跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)電流曲線

圖2 跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)電壓曲線

圖3 跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)SoE曲線

從圖1—3可以看出，由于模擬工況曲線是由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加工提取而來(lái)，因此模擬試驗(yàn)曲線會(huì)顯得規(guī)律性不強(qiáng)。但經(jīng)過(guò)仔細(xì)甄別，仍可以得出其基本變化規(guī)律，即鋰電池模組電流大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變化慢、充放電翻轉(zhuǎn)不頻繁，相應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)電壓波動(dòng)范圍大、變化慢、曲線平緩，而SoE則在單位時(shí)間內(nèi)波動(dòng)范圍大，電池模組充放電深度深。

1.1.2 風(fēng)光功率平滑

儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)光功率平滑工況是指，新能源場(chǎng)站根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的要求，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，平滑風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率波動(dòng)率，以滿足相關(guān)調(diào)度要求的一種運(yùn)行方式。與跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況相同，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加工提取而來(lái)。風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)中，儲(chǔ)能鋰電池組電流試驗(yàn)曲線如圖4所示，電壓試驗(yàn)曲線如圖5所示，SoE試驗(yàn)曲線如圖6所示。可以看出，與跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)時(shí)的電流、電壓、SoE曲線不同，風(fēng)光功率平滑模擬工況下鋰電池模組電流幅值小且持續(xù)時(shí)間短，變化快且頻率高，充放電翻轉(zhuǎn)頻繁，相對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)電壓波動(dòng)范圍小，變化快且頻率高，曲線較陡，而SoE則在單位時(shí)間內(nèi)波動(dòng)范圍小，電池模組充放電深度淺。跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況下電流、電壓、SoE比較情況見表1。

圖4 風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)電流曲線

圖5 風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)電壓曲線

圖6 風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)SoE曲線

由表1可以看出，風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)時(shí)的電流、電壓、SoE變化情況與跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)時(shí)的正好相反，而這一情況在后續(xù)的實(shí)際試驗(yàn)中也會(huì)得以體現(xiàn)，并會(huì)影響儲(chǔ)能鋰電池模組的SoE運(yùn)行區(qū)間。

表1 跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況中試驗(yàn)電流、電壓、SoE比較

1.2 評(píng)估指標(biāo)

1.2.1 電池電壓極差

電池電壓極差指同一電池模組中最大電池電壓和最小電池電壓的差值，該指標(biāo)能直觀反映電壓最大或最小單體電池的性能[13]，計(jì)算公式為

由于鋰電池模組是由大量鋰電池串并聯(lián)組成，當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行至SoE區(qū)間兩端時(shí)，會(huì)由于電池性能差異而導(dǎo)致一兩只性能較差電池電壓“拖后腿”的情況發(fā)生，使得電池電壓極差突然變大，從而反映出電池模組在SoE兩端的運(yùn)行狀況。當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行到某一SoE，而此時(shí)電池電壓極差已經(jīng)超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)，可以判定此時(shí)鋰電池模組已不適合繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)SoE即為電池模組運(yùn)行限值。

1.2.2 電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)又稱離散系數(shù)，是從相對(duì)角度反映大量同類參數(shù)離散程度的數(shù)學(xué)指標(biāo)。與電池電壓極差相比，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)能更直觀反映電池電壓的一致性，從而反映大量電池的整體性能的變化[13]，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)計(jì)算式為

當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行至SoE區(qū)間兩端時(shí)，如果一兩只性能較差電池的電壓“拖后腿”，或者電池模組整體性能發(fā)生劣化時(shí)，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都會(huì)明顯增大，從而判斷出SoE運(yùn)行限值。由于電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)不僅能反映單體性能的變化，也能反映整組性能的變化，因此在電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估過(guò)程中，電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)是較電壓極差更為敏感和有效的評(píng)估指標(biāo)。

1.3 評(píng)估流程

基于跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)曲線，以及電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等評(píng)估指標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估流程如圖7所示。首先進(jìn)行不同SoE運(yùn)行區(qū)間下儲(chǔ)能鋰電池模組模擬工況試驗(yàn)，然后分析各SoE運(yùn)行區(qū)間電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的變化情況，并將各SoE運(yùn)行區(qū)間電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與規(guī)定的閾值相比較，當(dāng)電池電壓極差或電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，此時(shí)的試驗(yàn)區(qū)間即為SoE運(yùn)行限值，最后即可得出鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間。

圖7 儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估流程

2 實(shí)例分析

對(duì)實(shí)際運(yùn)行的儲(chǔ)能鋰電池模組進(jìn)行了跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況下的SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估，模擬試驗(yàn)電流曲線分別如圖1和圖4所示。通過(guò)改變SoE試驗(yàn)區(qū)間，使鋰電池模組分別在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%、0%~100% SoE區(qū)間進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等評(píng)估參數(shù)并進(jìn)行比較，根據(jù)參數(shù)的變化情況以及與閾值的比較情況，確定跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑工況下鋰電池模組的最優(yōu)SoE運(yùn)行區(qū)間。模擬試驗(yàn)中鋰電池模組性能參數(shù)見表2，測(cè)試設(shè)備為美國(guó)Arbin公司的EVTS電池模組充放電儀。

表2 鋰電池模組性能參數(shù)

2.1 跟蹤計(jì)劃發(fā)電SoE運(yùn)行區(qū)間

2.1.1 電池電壓極差

跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)中，20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%、0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間儲(chǔ)能鋰電池模組電池電壓極差曲線分別如圖8—12所示，各SoE試驗(yàn)區(qū)間下電池電壓極差最大值見表3。

從圖8—11和表3可以看出，當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓極差曲線基本相同，最大電池電壓極差都在27 mV以內(nèi)。而當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，如圖12所示，電池電壓極差曲線在SoE接近0%的A區(qū)域和接近100%的B區(qū)域明顯上升，在0% SoE的A區(qū)域電池電壓極差達(dá)到了102mV，在100% SoE的B區(qū)域電池電壓極差達(dá)到了最大值203mV。因此，當(dāng)SoE試驗(yàn)區(qū)間從5%~95%變化到0%~100%時(shí)，最大電池電壓極差變大了7.5倍。

圖8 20%~80% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖9 15%~85% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖10 10%~90% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖11 5%~95% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖12 0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

表3 不同SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差最大值

2.1.2 電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)

跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬工況試驗(yàn)中，20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%、0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間儲(chǔ)能鋰電池模組電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線分別如圖13—17所示，各SoE試驗(yàn)區(qū)間下的電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值見表4。

從圖13—16和表4可以看出，當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線基本相同，最大電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都在0.22%以內(nèi)。而當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線在SoE接近0%的A區(qū)域和接近100%的B區(qū)域明顯上升，在0% 的A區(qū)域電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)達(dá)到了0.95%，在100%的B區(qū)域電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)達(dá)到了最大值1.93%。因此，當(dāng)SoE區(qū)間從5%~95%變化到0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，鋰電池模組的最大電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)變大了10倍。

圖13 20%~80%SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖14 15%~85%SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖15 10%~90% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖16 5%~95% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖17 0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

表4 不同SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值

2.1.3 SoE運(yùn)行區(qū)間

從表3、4可以看出，在跟蹤計(jì)劃發(fā)電運(yùn)行方式下，當(dāng)運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，最大電池電壓極差達(dá)到了203mV，最大電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)達(dá)到1.93%，分別較5%~95% SoE區(qū)間的最大值增大了7.5倍和10倍，說(shuō)明鋰電池模組在0%~100% SoE區(qū)間內(nèi)無(wú)法正常運(yùn)行。如果將電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的閾值分別設(shè)置為50mV和0.5%，0%~100% SoE區(qū)間的電壓極差和電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出閾值。

而當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓極差均在27mV以內(nèi)，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)均在0.22%以內(nèi)，且電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線無(wú)明顯差異，說(shuō)明鋰電池組在5%~95% SoE范圍內(nèi)能正常運(yùn)行。因此，當(dāng)電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)閾值分別為50 mV和0.5%時(shí)，5%~95% SoE是鋰電池模組在跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式下的正常運(yùn)行區(qū)間。

2.2 風(fēng)光功率平滑SoE運(yùn)行區(qū)間

2.2.1 電池電壓極差

風(fēng)光功率平滑模擬試驗(yàn)工況中，20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%、0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間儲(chǔ)能鋰電池模組電池電壓極差曲線分別如圖18—22所示，各SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差最大值見表5。

從圖18—21和表5可以看出，當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓極差曲線基本相同，最大電池電壓極差都在23 mV以內(nèi)。而當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，如圖22所示，電池電壓極差曲線在SoE接近100%的A區(qū)域明顯上升，達(dá)到了最大值39 mV。因此，當(dāng)SoE區(qū)間從5%~95%變化到0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，電池電壓極差最大值變大了1.8倍。

2.2.2 電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)

風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)中，20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%、0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間儲(chǔ)能鋰電池模組電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線分別如圖23—27所示，各SoE試驗(yàn)區(qū)間下的電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值見表6。

圖18 風(fēng)光功率平滑工況下20%~80% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖19 風(fēng)光功率平滑工況下15%~85% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖20 風(fēng)光功率平滑工況下10%~90% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖21 風(fēng)光功率平滑工況下5%~95% SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

圖22 風(fēng)光功率平滑工況0%~100%SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差曲線

表5 風(fēng)功率平滑工況不同SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓極差最大值

從圖23—26和表6可以看出，當(dāng)鋰電池組運(yùn)行在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95%SoE區(qū)間時(shí)，與電池電極極差曲線相同，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線基本相同，最大電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都在0.19%以內(nèi)。而當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，如圖27所示，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線在SoE接近100%的A區(qū)域明顯上升增大，達(dá)到最大值0.36%。因此，當(dāng)SoE區(qū)間從5%~95%變化到0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，最大電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)變大了1.9倍。

圖23 風(fēng)光功率平滑工況下20%~80% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖24 風(fēng)光功率平滑工況下15%~85% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖25 風(fēng)光功率平滑工況下10%~90% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖26 風(fēng)光功率平滑工況下5%~95% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

圖27 風(fēng)光功率平滑工況下0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線

表6 風(fēng)功率平滑工況下不同SoE試驗(yàn)區(qū)間電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值

2.2.3 SoE運(yùn)行區(qū)間

從表5、6可以看出，在風(fēng)光功率平滑運(yùn)行方式下，當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行在20%~80%、15~85%、10%~90%、5%~95% SoE等區(qū)間時(shí)，電池電壓極差均在23 mV以內(nèi)，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)均在0.19%以內(nèi)，且電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線無(wú)明顯差異，說(shuō)明在5%~95% SoE范圍內(nèi)能正常運(yùn)行。

而當(dāng)鋰電池模組運(yùn)行在0%~100% SoE區(qū)間時(shí)，雖然電池電壓極差最大值增大為39 mV，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值增大為0.36%，但較5%~95% SoE區(qū)間的最大值只分別增大了1.8倍和1.9倍，而且電池電壓極差、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)曲線相比也無(wú)明顯差異。與跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式下相同，如果設(shè)電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的閾值分別為50 mV和0.5%時(shí)，則在0%~100% SoE區(qū)間的電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)并未超標(biāo)，說(shuō)明在風(fēng)光功率平滑方式下鋰電池模組在0%～100% SoE區(qū)間內(nèi)也可以正常運(yùn)行。

2.3 SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估結(jié)果分析

跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，在20%~80%、15%~85%、10%~90%、5%~95% SoE試驗(yàn)區(qū)間2種試驗(yàn)工況下的電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)基本相同，而在0%~100% SoE試驗(yàn)區(qū)間，跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式下電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的數(shù)值和變化量則比風(fēng)光功率平滑方式下的要大得多，從而得出跟蹤計(jì)劃發(fā)電運(yùn)行方式下SoE運(yùn)行區(qū)間為5%~95%，而風(fēng)光功率平滑運(yùn)行方式下為0%~100%的結(jié)果。

表7 跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

同時(shí)，風(fēng)光功率平滑方式的SoE運(yùn)行區(qū)間比跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式下的要大一些，這一點(diǎn)與表1中對(duì)2種模擬工況試驗(yàn)參數(shù)的分析也是一致的。與跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式相比，風(fēng)光功率平滑方式下鋰電池模組的充放電電流幅值小，電壓波動(dòng)范圍也小，SoE充放電深度淺，必然對(duì)電池的影響就小，從而SoE的運(yùn)行范圍更大，該評(píng)估結(jié)果也證明了本文提出的SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法的有效性。

另外，從表7中0%~100% SoE區(qū)間較5%~95%SoE區(qū)間電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)最大值的變化率可以看出，2種模擬工況下電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的變化率都比電池電壓極差的大。特別是跟蹤計(jì)劃發(fā)電模擬試驗(yàn)中，電池電壓極差增大了7.5倍，而電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)則增大了10倍。這說(shuō)明在儲(chǔ)能鋰電池組SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估過(guò)程中，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)能更有效反映SoE運(yùn)行區(qū)間對(duì)電池模組性能的影響，是較電池電壓極差更為敏感和有效的評(píng)估指標(biāo)。

最后，與通常儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制中20%~80%的SoE運(yùn)行區(qū)間[16]相比，本文儲(chǔ)能鋰電池模組的運(yùn)行區(qū)間在5%~95%，運(yùn)行范圍要大得多。這一方面是由于鋰電池模組的規(guī)模較儲(chǔ)能系統(tǒng)要小很多，缺陷電池的“短板效應(yīng)”也要小很多，使得運(yùn)行區(qū)間也要寬很多。另一方面也說(shuō)明目前對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)SoE等重要運(yùn)行參數(shù)的控制還比較粗放，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)行控制的空間還很大。如果能將本文所述SoE評(píng)估方法推廣至電池組串或儲(chǔ)能單元，必將提高鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于提高儲(chǔ)能系統(tǒng)能量利用率、保證儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

3 結(jié)論

在分析跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬工況試驗(yàn)中儲(chǔ)能鋰電池模組電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種評(píng)估儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間的方法，并對(duì)實(shí)際運(yùn)行的儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)論如下：

1）提出了一種通過(guò)分析模擬運(yùn)行工況試驗(yàn)中電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的變化，評(píng)估儲(chǔ)能鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間的方法。采用該方法，確定了當(dāng)電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)閾值分別為50 mV和0.5%時(shí)，跟蹤計(jì)劃發(fā)電和風(fēng)光功率平滑運(yùn)行方式下的儲(chǔ)能鋰電池模組的SoE運(yùn)行區(qū)間。

2）風(fēng)光功率平滑SoE運(yùn)行區(qū)間大于跟蹤計(jì)劃發(fā)電SoE運(yùn)行區(qū)間。由于風(fēng)光功率平滑方式下充放電電流幅值小，電壓波動(dòng)范圍小，SoE充放電深度淺，使得其SoE運(yùn)行區(qū)間較跟蹤計(jì)劃發(fā)電時(shí)要大，跟蹤計(jì)劃發(fā)電方式下為5%~95%，風(fēng)光功率平滑方式下為0%~100%。同時(shí)2種運(yùn)行工況下SoE運(yùn)行區(qū)間不同，也證明了所提出的SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法的有效性。

3）電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)對(duì)鋰電池模組SoE運(yùn)行區(qū)間的變化比電池電壓極差更敏感。跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑模擬試驗(yàn)中，電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在0%~100% SoE區(qū)間內(nèi)的變化量都比電池電壓極差的大，說(shuō)明電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)能更有效反映SoE運(yùn)行區(qū)間對(duì)鋰電池模組性能的影響，從而能更有效地評(píng)估SoE運(yùn)行區(qū)間。

4）提出的SoE運(yùn)行區(qū)間評(píng)估方法有助于提高鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制精度和能量利用率。采用該方法，將跟蹤計(jì)劃發(fā)電、風(fēng)光功率平滑方式下儲(chǔ)能鋰電池模組的SoE運(yùn)行區(qū)間擴(kuò)展到了5%~95%，提高了鋰電池模組的能量利用率。如果將該方法推廣至電池組串或儲(chǔ)能單元，不但能提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且有助于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行控制，對(duì)于保證鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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Research on Evaluation Method of SoE Operation Region for Energy Storage Lithium Battery Module

CHEN Hao1, ZHAI Huaxin2, WANG Kairang1, YANG Junfeng2, GONG Yu1

(1. Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Xicheng District, Beijing 100045, China;2. State Grid Xinyuan Zhangjiakou Wind Power and Photovoltaic and Energy Storage Demonstration Station Co., Ltd., Zhangjiakou 075000, Hebei Province, China)

The state of energy(SoE) operation region of energy storage lithium battery module was studied in order to improve the control precision and ensure the efficient and stable operation of the battery energy storage system. Base on the analysis of the simulated operating condition of tracking power generation schedule and wind-PV power stabilization, as well as the evaluation indicators, such as range and coefficient of standard deviation of battery voltage, the evaluation method of the SoE operation region for the energy storage lithium battery module was put forward. The actual energy storage lithium battery modulewas tested in the simulation experiment of tracking power generation schedule and wind-PV power stabilization. The SOE operation range of the lithium battery module under the two operating conditions was determined by analyzing the variation of the battery voltage range and the standard deviation coefficient of the battery voltage. The result show that the SoE operation region of the energy storage lithium battery module can be confirmed effectively according to the range and coefficient of standard deviation of battery voltage in the simulated operation experiment. It provides technical means for the energy utilization improvement of energy storage unit, and it has guiding significance to ensure the lithium BESS running efficiency and stability.

energy storage; lithium battery module; state of energy; tracking power generation schedule; wind-PV power stabilization; range of battery voltage; coefficient of standard deviation of battery voltage

10.12096/j.2096-4528.pgt.19112

2019-08-06。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52010119002F)。

Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (52010119000W).

(責(zé)任編輯 辛培裕)