6-光伏系统之储能电池及充放电控制器.docx

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1、书目1绪论21.1 探讨背景212探讨意义32.各种储傕技术在光伏系统中的应用42.1 储能单元的概念42.2 飞轮储能技术4飞轮储能原理5飞轮储能优势6飞轮储能局限性62.3 抽水储能技术6抽水储能原理6抽水储能优势7抽水储能局限性72.4 压缩空气储能技术7压缩空气技术原理7压缩空气技术优势7压缩空气技术用限性72.5 超侬电容器储能技术8结构和工作原理9超级电容器的简化等效电路模型11超级电容器的充电特性12优点13缺点14留意事项1426锂电池15期电池工作原理16电池特点16电池映点17电池特征182.6 胶体铅酸荒电池19工作原理19胶体蓄电池优异特性202.7 充放电限制器222

2、.7.1限制器充放电原理23光伏充电限制器25光伏放电限制器292.8 带电池的荷电状态（StateOfCharge,SOO29荷电状态的概念292.8.2SOC估算方法简介301绪论.探讨背景为r缓解和改善如今过度依奉化石燃料的局面，世界各国都在节约能源消耗、提高能源效率、改善能源结构，并寻求化石燃料以外的替代能源，其中包括太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等可再生能源。这些可再生能源在自然界中可以不断再生，因此它们的储存量巨大，且分布广泛，适合用于开发利用，目前已成为电力系统中探讨的热点问题之一。然而，可再生能源也有一些缺点：1）输出的能量具有不稳定性。例如，太阳能会随着白天、夜晚、天

3、气以及季节的变更而变更，风力具有季节性和随机性，海洋能也存在着周期性的变更，风力具有季节性和随机性，海洋能也存在着周期性的变更。这些能源用于发电时输出的功率具有明显的波动性和间歇性。2）接入电网具有不行靠性。例如，风力发电系统在夜间常处于良好的发电运行状态，但经常因为电网负荷的昼峰夜谷问题被迫从电网脱离，造成资源的严峻奢侈。3）相比常规能源发电，可再生能源发电的装机容量小，负荷调控手段简洁，易受冲击性负荷的影响等。于是，分布式发电系统中储能系统的探讨问题就日益凸显。随着分布式发电技术的发展，大规模储能技术联峰好用化己经成为制约可再生能源广泛应用的关键技术和重要前提。对于可再生能源发电方式，系统

4、的优化输配电显得特别重要，可以显著提高电网的牢靠性、稳定性以及清洁性。例如，用西部地区的风力发电和太阳能发电解决东部地区的工业用电需求等。这种分布式可再生能源发电的资源互补技术与大规模储存电能技术相结合，使得分布式电源不再单纯给特定地区供电，具有可调度性，将是将来智能电网的核心技术之一。1.2探讨意义光伏发电具有间接性、波动性，为了保证对负荷的稳定、连续供电，就必需在其发电系统中安装储能单元。储能系统在光伏发电系统中的功能特点主要体现在以下两个方面：1）平衡发电量和用电量一个地区的全部负荷总量往往是不断变更的，而分布式电源的输出功率也是间歇性的，两者之间是一个动态变更关系，当系统发电量大于系统

5、总负荷时.，过剩的发电电量可以通过并网送回到公共电网供其他地区运用，也可以通过储能单元将其存储起来；当系统发电电量小于系统总负荷时.，不足的能量可以从公共电网中汲取，也可以从储能单元中吸取。通过储能单元的汲取和释放能量，就可以是实现光伏系统中发电量与负荷用电量之间的需求关系，维持系统供电的稳定性。2）充当备用或应急电源2.各种储能技术在光伏系统中的应用2.1 储能单元的概念电力系统引入储能单元后，可以有效地消退昼夜峰谷差，可以提高系统的稳定运行、补偿负载波动，还可以降低分布式供电成本。由于储能系统的重要性以及适用范围的增加，储能技术的发展快速，储能方式也越来越多样化，一般地，储能方式主要有以卜

6、几种：D物理储能方式：包括飞轮储能、抽水储能等；2）电化学储能方式：即蓄电池储能方式，包括铅酸蓄电池、银镉蓄电池、银氢蓄电池、锂离干电池等；3）电磁储能方式：包括超导线圈储能、高能量电容储能等。2.2飞轮储能技术E轮储能技术是一种机械储能方式。早在20世纪70年头就有人提出利用高速旋转的飞轮来储存能量，并应用于电动汽车的构想。由于飞轮材料和轴承问题等关键技术始终没有解诀而停滞不前，20世纪90年头以来，由于高强度的碳纤维材料、低损耗磁悬浮轴承、电力电子学三方面技术的发展，匕轮储能器才得以重提，并且得到了快速的发展。电力也子1一e电能出飞轮储能原理一电力电子MlAtt入他飞是佳能京窿名图1飞轮储

7、能原理图图1是飞轮储能的原理图，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮将电能储存为机械能，当外部负载须要能量时，匕轮带动发电机旋转，将动能变换为电能，并通过电力电子装置对输出电能进行频率、电压的变换，满意负载的需求。实际的匕轮储能系统（EESS）基本结构由以下5个部分组成:“承、真空客耳电机1）飞轮转子-，-一般采纳高强度复合纤维材料组成。2）轴承，用来支承高速旋转的飞轮转子。3）电动/发电机，般采纳电流永磁无刷电动/发电互逆式双向电机。4）电力转换器，这是将输入沟通电转化为直流电供应电机，将输出电能进行调频、整流后供应负载的部件。5）真空室，为了减小损耗，同时

8、防止高速旋转的K轮发生事故,飞轮系统必需放置于高真空密封爱护套筒内。另外在飞轮储能装置中还必需加入监测系统，监测飞轮的位置、振动和转速、真空度、电机参数等运行参数。飞轮储能优势技术成熟度高、高功率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污染等特性。飞轮储能局限性飞轮储能须要电能的持续输入，以维持转r的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这就是说，飞轮储能的优势不在于时间的长短，而在于充放的快捷。2.2 抽水储能技术抽水储能原理抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。抽水储能优势抽水储能目前技术成熟，容量

9、大，是一种牢靠的储能方式。抽水储能局限性受地理位置影响较大，工期H大，效率不高，且影响生态环境，须要牢靠平安系统保证。2.3 压缩空气储能技术压缩空气技术原理压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。压缩空气技术优势压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，储气库漏气开裂可能性微小，平安系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，效率高，主要用于峰谷电能回收调整、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。压缩空气技术局限性其能量密度低，并受岩层等地

10、理条件的限制，须要占用大面积土地，且工程费用较高。2.4 超级电容器储能技术超级电容电池它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反夏充放电数十万次。超级电容一般运用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，在新能源汽车中有广泛运用。超级电容器电池是一种新型储能装置，它具有充电时间短、运用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可供应超大电流的电力：用作车辆启动电源，启动效率和牢靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池：用作车辆的牵引能

11、源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺当启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻状况下干脆充电，假如出现过电压充电的状况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10E6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特别元器件。结构和工作原理其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，

12、双电层电容器是依据电化学基本原理而工作,即导体与电解质(液体与固体)接触后会在其表面(即界面)产生移定而符号相反的双层电荷,称为双电层,这些电解质表面的电荷在肯定的电压下是不能被双电层电荷所产生的电场拉到紧嵬它且符号相反的电极上,因此,形成了事实上电容器的两个电极传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分别,两块极板之间为真空或一层介电物质(相对介电常数为)所隔离,电容为：C=U4)(3.6)1O6()其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为：E=C(V)22其中C为电容值QV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量，储存更多的能量,必需增大面积A或削减介质厚度d,但这个伸缩

13、空间有限，导致它的储电量和储能量较小。超级电容采纳活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界而上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有21200m2g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A）,而且电解液与多孔电极间的界而距离不到Inm（即获得了微小的介质厚度d）,依据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上，从而使单位重量的电容量可达100Fg,并且电容的内阻还能保持

14、在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际运用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。电极,超级电容器的简化等效电路模型简化电阻电容模型将超级电容器等效为一个志向电容器C与一个阻值较大的电阻Rep（等效并联电阻）相并联,再与一个阻值较小的电阻Res（等效串联电阻）相串联的结构,如图所示。由电路原理知道,由于ReS的存在,充放电时电流流经Reg会产生能耗并引起超级电容器发热,因此,超级电容器的能效小于1;在放电过程中,由于Res的分压作用而削减了放电电压范围,尤其当放电电流较大时,Res会消耗较大的能氧降低超级电容器实际可用的有效储

15、能率;超级电容器处于静置储能状态时,等效并联电阻Rep与等效志向电容器C之间会形成回路,随着静止时间变长,超级电容器所存储的能量会渐渐消耗在等效并联电阻Rep上,因此,处于储能保持态的超级电容器,通常要加能量保持电路,补偿由于Rep引起的静置能量损耗,维持肯定的备用储能量。在实际应用中,超级电容器通常并于较快的和常见的充放电循环过程中,Rep的影响可以忽视。因此,可进一步将超级电容器模型简化为志向电容器C和等效串联内阻Res的串联结构。Re.超级电容器在运用过程中老化现象不明显,同时超级电容器对充电储能没有记忆效应,理论上可以充放电多数次。此外,超级电容器储存的电荷及储能量可以通过检测电压值的方式来近似确定,推断充电储能过程是否结束特别便利。基于以上这些特点,超级电容器充电限制既可以借鉴蓄电池等电化学储能器件的充电储能方式,同时乂由于其具有优越的大物理电容特性,对大脉动电流具有较好的汲取实力,能够简化充电限制要求,目前常用的超级电容器充电储能方式介绍如下:恒流充电恒流充电的主要特点是适应性好,可以随意选择充电电流。对超级电容器进行恒流充电,超级电容器的端电压随