新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)研究——畢業(yè)論文

1、<p>　　武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　　新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)研究</b></p><p>　　學(xué)院（系）： 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級： 電氣 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p

2、>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　結(jié)合現(xiàn)如今的能源危機(jī)，引出新能源儲(chǔ)能技術(shù)的重要性，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展給電力系統(tǒng)的各個(gè)方面都帶來了巨大的優(yōu)勢以及新的發(fā)展，文章闡述了新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中的各項(xiàng)技術(shù)原理、組成部分、優(yōu)缺點(diǎn)、適用的場所以及應(yīng)用的領(lǐng)域等常見部分。結(jié)合如今電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析電池儲(chǔ)

3、能技術(shù)中的磷酸鐵鋰電池。</p><p>　　為了能夠更加深入的了解磷酸鐵鋰電池，本文進(jìn)行了大量的充放電實(shí)驗(yàn)來研究該電池的特性，測試在不同條件下電池的不同參數(shù)的變化情況，得到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的曲線，根據(jù)曲線進(jìn)行分析；之后對電池模型進(jìn)行分類簡介，選取其中的一個(gè)模型來進(jìn)行模擬仿真，得到仿真曲線。將得到的曲線進(jìn)行對比分析該模型的精確程度。之后對電池的特性、荷電狀態(tài)及SOC估算和電池充放電管理系統(tǒng)等模塊進(jìn)行相應(yīng)的介紹

4、。</p><p>　　整篇論文是根據(jù)總分路線進(jìn)行編寫的，首先根據(jù)能源危機(jī)引出新能源儲(chǔ)能技術(shù)，并對各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行介紹，之后選取電池儲(chǔ)能中的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行分析，分析主要分為特性研究、建模、SOC估算和電池充放電管理系統(tǒng)四大模塊，從整個(gè)大的模塊一直引申到各個(gè)小的部分，能夠更好的深入理解新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性及其之后的發(fā)展方向。</p><p>　　關(guān)鍵詞：新能源儲(chǔ)能 電池特性研究 電池

5、建模 SOC估算 電池管理系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Today 's energy crisis combined with the importance of new energy storage technologies leads to the development of energy stor

6、age technology to all aspects of the power system are tremendous advantages as well as new development,the article describes the new energy storage system common part of the technical principles,components of the advanta

7、ges and disadvantages for the places and areas of application,etc.Today,Combined with the development situation of battery energy storage technology,Accor</p><p>　　In order to more in-depth understanding, li

8、thium iron phosphate battery, the charging and discharging characteristics change test experiments of the battery after, under different conditions, in different parameter of the battery, the data curve drawing data, acc

9、ording to the curve analysis;after the battery model to classify Profile,select one of the models for simulation, simulation curve obtained.The curves obtained for the accuracy of the analytical model. The state of charg

10、e and battery SOC</p><p>　　The whole thesis is based on the total score for the preparation route,according to the energy crisis leads to first new energy storage technologies,and a variety of the energy sto

11、rage technology,then select a battery energy storage in lithium iron phosphate analysis and the main points to study characteristics,modeling,Charging and discharging and battery SOC estimation management system four mod

12、ules from the entire large modules has been extended to all small part,to better in-depth understand</p><p>　　Keywords: New energy storage；Study on the characteristics of battery；battery modeling SOC estima

13、te；The battery management system</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 研究的目的及意義3</p><p>　　1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀4</p>&l

14、t;p>　　1.3 研究的基本目標(biāo)5</p><p>　　2.1 抽水儲(chǔ)能7</p><p>　　2.2 飛輪儲(chǔ)能9</p><p>　　2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能10</p><p>　　2.4 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能12</p><p>　　2.5 電池儲(chǔ)能13</p><p>　　2.6

15、 超級電容器14</p><p>　　2.7 冰蓄冷15</p><p>　　2.8 本章小結(jié)16</p><p>　　第3章 鋰電池特性研究17</p><p><b>　　3.1 概述17</b></p><p>　　3.2 電池的電壓特性17</p><p&g

16、t;　　3.3 電池電壓與倍率特性18</p><p>　　3.3.1 恒流充電時(shí)端電壓的變化18</p><p>　　3.3.2 恒流放電時(shí)端電壓的變化18</p><p>　　3.4 電池容量與倍率特性19</p><p>　　3.4.1 充電倍率與電池容量19</p><p>　　3.4.2 放電倍率與

17、電池容量20</p><p>　　3.5 溫度對電池性能的影響20</p><p>　　3.5.1 充電電量和溫度的關(guān)系20</p><p>　　3.5.2 放電電量與溫度關(guān)系21</p><p>　　3.6 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 鋰電池建模23</p><p>

18、<b>　　4.1 概述23</b></p><p>　　4.2 模型的選擇23</p><p>　　4.3 電池建模與參數(shù)估計(jì)25</p><p>　　4.3.1 一階RC模型25</p><p>　　4.3.2 一階RC修正模型的建立26</p><p>　　4.3.3 模型參數(shù)的確

19、定28</p><p>　　4.4 模型的建立與仿真30</p><p>　　4.5 本章小結(jié)31</p><p>　　第5章 鋰電池SOC估算及電池充放電管理33</p><p><b>　　5.1 概述33</b></p><p>　　5.2 SOC估算方法33</p>

20、<p>　　5.3 兩相結(jié)合的SOC估算方法35</p><p>　　5.4 影響SOC估算的因素37</p><p>　　5.5 智能電池38</p><p>　　5.6 電池管理系統(tǒng)的功能38</p><p>　　5.7 本章小結(jié)39</p><p>　　第6章 結(jié)束語40</p&g

21、t;<p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致 謝43</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的及意義</p><p>　　隨著現(xiàn)階段能源危機(jī)以及資源貧瘠的愈加嚴(yán)峻現(xiàn)狀，新

22、能源的開發(fā)及利用擁有良好的發(fā)展前景；隨著常規(guī)能源的局限性以及能源發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益明顯，以環(huán)保和可再生為特質(zhì)的新能源越來越符合人們的發(fā)展需求，不可再生的資源和對環(huán)境有所污染的能源開發(fā)正在被可再生資源所替代；因此以新能源為基礎(chǔ)的新型材料的開發(fā)和新型技術(shù)的研發(fā)正逐步地深入發(fā)展，新能源一般是指在新技術(shù)的基礎(chǔ)上對可再生的資源進(jìn)行開發(fā)利用，其中包括了常見的太陽能、風(fēng)能、水能，還有生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能等?lt;/p><p

23、>　　除了新能源的開發(fā)和技術(shù)研究之外，對于新能源所產(chǎn)生的能源儲(chǔ)存也需要引起技術(shù)人員的重視，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展在此同時(shí)也需要適應(yīng)新能源的發(fā)展速度，儲(chǔ)能技術(shù)是指將電力資源轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲(chǔ)存起來，并且在外界需要能量時(shí)以電的形式釋放出來，因此不同的新能源所需要的儲(chǔ)能技術(shù)不用，目前全球儲(chǔ)能技術(shù)電能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)形態(tài)的不同可劃分為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四類，其中物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)

24、電磁儲(chǔ)能等；電化學(xué)儲(chǔ)能主要是指電池儲(chǔ)能（鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池和鈉離子電池等類型）和超級電容器儲(chǔ)能等；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷、中高溫蓄熱儲(chǔ)能等。上述各種儲(chǔ)能方式皆有自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場所，現(xiàn)如今最新最熱門的儲(chǔ)能方式是超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能，因?yàn)槠渚C合效率最高，但是該項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的成本很高、其本身系統(tǒng)復(fù)雜且后期需要定期維護(hù)，所以暫時(shí)未能廣泛應(yīng)用于人們生活當(dāng)中；各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)中發(fā)展速度最快的莫過于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，電池儲(chǔ)能技術(shù)是目前最

25、為成熟可靠的儲(chǔ)能技術(shù)，電池儲(chǔ)能中的各不同類型的電池各自擁有其優(yōu)缺點(diǎn)，而且在現(xiàn)在的生活中以電動(dòng)汽車為主的利用電池儲(chǔ)能的代步工具正在穩(wěn)步</p><p>　　電池儲(chǔ)能技術(shù)中的鉛酸蓄電池儲(chǔ)能是人類最早使用的一種儲(chǔ)能技術(shù)，因其發(fā)展時(shí)間長，人類對其研究相對于其他類型的蓄電池也較為深入，所以這項(xiàng)技術(shù)較為成熟，原理也比較簡單，電極主要是由鉛及其氧化物組成，電解液是鉛酸溶液，通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充放電能，其反應(yīng)式為：</p&g

26、t;<p>　　充電反應(yīng)： （1.1）</p><p>　　放電反應(yīng)： （1.2）</p><p>　　鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)比較多，低廉的價(jià)格、高的回收利用率、好工作性能和較高的安全性等，同樣它也有比較明顯的缺點(diǎn)，可以根據(jù)上述的化學(xué)反應(yīng)式可以推出鉛酸蓄電池在工作的過程中有鉛產(chǎn)生，而且其本身電極

27、組成元素中含有鉛，因?yàn)殂U為重金屬，因此對于環(huán)境和人體都有一定的影響，同時(shí)鉛酸蓄電池的使用周期短，能量密度和功率密度低，而且需要經(jīng)常性地對其維護(hù)，這些缺點(diǎn)就限制了鉛酸蓄電池的發(fā)展高度。</p><p>　　近年來電池儲(chǔ)能中的鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)興起速度較快，其應(yīng)用了電化學(xué)中嵌入和脫嵌的反應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)鋰離子在正負(fù)極間的移動(dòng)，這個(gè)過程就是鋰離子電池的充放電過程，其反應(yīng)式：</p><p>　　正極

28、反應(yīng)： （1.3）</p><p>　　負(fù)極反應(yīng)： （1.4）</p><p>　　電池反應(yīng)： （1.5）</p><p>　　鋰離子電池?fù)碛休^高的能量密度和綜合循

29、環(huán)效率、輕巧的重量體積、無污染和寬泛的溫度適應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)，與鉛酸蓄電池相同，它也擁有比較明顯的缺點(diǎn)，就是其電池容量小和價(jià)格高昂，但是綜合對比來說，鋰離子電池還有很廣闊的發(fā)展前景，隨著對于鋰離子電池更加深入的研究和技術(shù)的逐步成熟，其成本會(huì)有所降低，所以鋰離子電池將是未來儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)對象，在今后的生產(chǎn)生活中可能替代鉛酸蓄電池作為電動(dòng)汽車的主要供應(yīng)能源。</p><p>　　除此之外，還有鈉硫電池、全釩液流電池和

30、鈉離子電池等其他類型的電池儲(chǔ)能技術(shù)，它們各自有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選擇電池儲(chǔ)能的同時(shí)需要根據(jù)不同的環(huán)境和需要達(dá)到的儲(chǔ)能效果選擇不同的電池儲(chǔ)能技術(shù)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將越來越廣泛，因此電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究也將面臨很多在應(yīng)用中所需要解決的技術(shù)難題。</p><p>　　1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我們重點(diǎn)選取了電池管理系統(tǒng)這項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)中的重要模塊進(jìn)行詳

31、細(xì)的分析。在十五期間我國就在電動(dòng)汽車項(xiàng)目方面開展了重點(diǎn)研究工作，經(jīng)過多年的努力，在電池管理系統(tǒng)技術(shù)方面取得了較大的成就，拉近了與國外水平的距離。2005年，在國家863計(jì)劃的第一批立項(xiàng)研究課題中，EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊是由北京理工大學(xué)所承擔(dān)、EQ6110HEV混合動(dòng)力城市公交車用大功率鎳氫動(dòng)力電池及其管理模塊是由湖南神舟公司所承擔(dān)、燃料電池電動(dòng)轎車用高功率型鏗離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)是由蘇州星恒電源有

32、限公司所承擔(dān)、解放牌混合動(dòng)力城市客車用鏗離子電池及管理模塊是由北京有色金屬總院所承擔(dān)，同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)等高校也承擔(dān)了多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)等大量相關(guān)課題的研究工作。</p><p>　　總而言之，電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，雖然在近年來取得了較大的進(jìn)步，并在很多方面都己經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。但與電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，電池管理系統(tǒng)還存在著許多不足之處，需要進(jìn)行完善。在采集數(shù)據(jù)的精確度、SOC估算的精

33、度和安全性能方面的評估等各個(gè)模塊都需要進(jìn)一步完善和技術(shù)的提升。</p><p>　　近年來，電動(dòng)汽車研究和使用逐步趨向成熟，國內(nèi)外一些知名品牌汽車生產(chǎn)公司和電池供應(yīng)公司分別針對各種類型的動(dòng)力電池進(jìn)行試驗(yàn)與研究，概括出電池的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)如今已經(jīng)有許多電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)車上。其中有代表性的公司有德國的B.Hauck公司所設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)、美國Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)、美國

34、通用汽車公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車EVI電池管理系統(tǒng)、美國ACPropulsion公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)、日本豐田的混合車用系統(tǒng)等等。</p><p>　　BATTMAN系統(tǒng)：該系統(tǒng)是根據(jù)電池組型號(hào)的不同將所有的不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)是由共有的部分和特殊的部分組成，其中共有的部分占的比重很大。因?yàn)楣灿械牟糠譀Q定電池容量和最弱電池單元的剩余電量。同時(shí)還影響電池的運(yùn)行和數(shù)

35、據(jù)的記錄。</p><p>　　SmartGuard系統(tǒng)：在電池上設(shè)置一個(gè)分布式的管理裝置來測量電池的電壓和溫度是該系統(tǒng)的顯著特征。另外主控部件可以通過信號(hào)來起動(dòng)電流旁路電路。SmartGuard主要有以下幾個(gè)功能：當(dāng)放電極性發(fā)生反向時(shí)進(jìn)行報(bào)警、顯示最差電池單元的剩余電量信息、電池歷史記錄、過充檢測以防止過充和文檔歸類。</p><p>　　EVI電池管理系統(tǒng)：EVI電池管理系統(tǒng)包括電池模

36、塊、軟件BPM、電池組熱系統(tǒng)和電池組高壓斷電保護(hù)裝置四個(gè)組成部分。通用汽車公司生產(chǎn)的EVI電動(dòng)汽車是由26個(gè)鉛酸蓄電池所構(gòu)成的電池組來提供電能的，每個(gè)電池的壽命是450個(gè)深放電周期，其放電深度為80，能夠在市內(nèi)行駛113公里(美國環(huán)保局指標(biāo)，USA EPA Schedule)，在高速公路上行駛145公里（美國環(huán)保局指標(biāo)，USA EPA Schedule）。</p><p>　　1.3 研究的基本目標(biāo)</p&

37、gt;<p>　　本次研究主要目的是研究新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過查詢和閱讀相關(guān)的資料，我們了解了現(xiàn)如今的能源危機(jī)，為了解決能源危機(jī)對人類社會(huì)帶來的危害，我們需要對新能源進(jìn)行開發(fā)和利用，儲(chǔ)能技術(shù)的研究因此開展起來?，F(xiàn)如今各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于我們生活當(dāng)中，并且根據(jù)電能轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存形式的不同分成不同的類別；主要的儲(chǔ)能技術(shù)分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能和冰蓄冷等，針對不同的儲(chǔ)能技術(shù)查詢它們的

38、相關(guān)資料，并對其進(jìn)行總結(jié)，了解它們的工作原理和組成部分，根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)在儲(chǔ)能中的工作流程推斷出它們的優(yōu)缺點(diǎn)，從而了解不同儲(chǔ)能技術(shù)將來的發(fā)展前景以及工作過程中需要完善的技術(shù)環(huán)節(jié)，在已知儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上將各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行對比，可以判斷在不同的應(yīng)用場合應(yīng)該采用哪種儲(chǔ)能技術(shù)，也就決定了不同儲(chǔ)能技術(shù)工作環(huán)境有所不同。</p><p>　　之后的論文中，結(jié)合老師所給的任務(wù)書，在各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)中選擇了電池儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究，并

39、以電池儲(chǔ)能中的鋰離子電池作為研究的基礎(chǔ)，研究包括了電池的模型建立、特性的研究、SOC的估算以及對電池充放電的管理四大模塊。</p><p>　　首先進(jìn)行電池特性的研究，可以根據(jù)仿真結(jié)果得出電池的特性進(jìn)行研究，也可以采用實(shí)際的電池模型對其進(jìn)行電流電壓和時(shí)間關(guān)系的測定，得出對應(yīng)的曲線，并對其進(jìn)行分析；然后將電池的模型建立作為最先開始研究的模塊，根據(jù)電池的基本組成進(jìn)行建模的設(shè)計(jì)，確定模型參數(shù)之后對其進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)

40、果；之后為了更好的了解電池電量在充放電中的變化規(guī)律，就需要對其剩余電量進(jìn)行合理的計(jì)算，從而根據(jù)剩余電量的變化推算出電壓電流之間的管理，更好的保證電池的合理運(yùn)行，所以需要對電池進(jìn)行SOC的估算；最后要使電池的壽命更長，使用效率更高，就應(yīng)該合理的規(guī)范的對電池進(jìn)行充放電，在什么時(shí)間段和電流應(yīng)該用什么大小的電壓對電池充放電，為了能夠更好的使用電池，保持電池的高效運(yùn)行，合理實(shí)用的充放電管理系統(tǒng)就顯得尤為重要，可以根據(jù)充放電是電壓和電流的變化規(guī)律來

41、設(shè)計(jì)充放電管理系統(tǒng)的輸入和輸出，從而在電池充放電的過程中保證電壓和電流合理的對應(yīng)，達(dá)到最好的充放電效果。</p><p>　　第一章緒論。包括了研究的目的、各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的簡單介紹以及電池管理系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等等。提出了研究儲(chǔ)能技術(shù)中的電池儲(chǔ)能技術(shù)的依據(jù)。</p><p>　　第二章新能源儲(chǔ)能技術(shù)。本章主要針對于各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的介紹，主要包括儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理、組成部分、結(jié)構(gòu)框圖、

42、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用的領(lǐng)域等方面。</p><p>　　第三章鋰電池的特性。本章主要針對磷酸鐵鋰電池的性能進(jìn)行測試，主要測試電池在不同充放電倍率下端電壓的變化，不同放電倍率下電池容量的變化，以及電池容量和充放電倍率在不同溫度環(huán)境下的變化，并且繪制出相應(yīng)的變化曲線，根據(jù)曲線進(jìn)行分析得到電池各項(xiàng)參數(shù)的特性關(guān)系。</p><p>　　第四章鋰電池建模。本章主要針對以電池建模進(jìn)行介紹，首先對現(xiàn)有的電池模

43、型進(jìn)行了分類，之后選取了一階RC模型作為電池模型進(jìn)行研究。在電池建模的過程中，總結(jié)現(xiàn)有的參數(shù)和經(jīng)過測試得到的參數(shù)，對一階模型進(jìn)行修正改進(jìn)。最后對上述建立好的模型在恒流放電工況下進(jìn)行了試驗(yàn)對比分析。</p><p>　　第五章鋰電池SOC估算及電池充放電管理。本章主要針對SOC進(jìn)行介紹，首先對簡述了SOC的概念，然后對現(xiàn)有的幾種SOC估算方法進(jìn)行了原理上的介紹，之后考慮利用兩種SOC估算方法相結(jié)合來互補(bǔ)，最后簡單的

44、討論了影響SOC估算的五大主要因素。并對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的闡述，首先提出電池在使用過程中可能出現(xiàn)的損壞，從而提出需要構(gòu)建智能電池，達(dá)到保護(hù)電池、更好地使用和管理電池的目的，最后對智能電池中的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了功能上的介紹。</p><p>　　第2章 新能源儲(chǔ)能技術(shù)</p><p>　　能源問題是人類社會(huì)發(fā)展中需要解決的一大問題。隨著常規(guī)的有限能源以及其與維護(hù)自然生態(tài)壞境矛盾煩人愈加

45、突出，以可再生、環(huán)保和清潔為特點(diǎn)的新能源越來越受到人類的青睞。常規(guī)能源隨著一次次地開采在不斷的減少，新能源的開發(fā)迫在眉睫，與此息息相關(guān)的便是對于新能源儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)，利用儲(chǔ)能技術(shù)使電網(wǎng)的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，同時(shí)提高電網(wǎng)對于新能源的接收能力。</p><p>　　儲(chǔ)能技術(shù)根據(jù)電能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)狀態(tài)的不同可劃分為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及相變儲(chǔ)能四類。其中物理儲(chǔ)能主要包括了抽水儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等；電磁儲(chǔ)能

46、包括了超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等；電化學(xué)儲(chǔ)能主要是指電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷、中高溫蓄熱儲(chǔ)能等。</p><p><b>　　2.1 抽水儲(chǔ)能</b></p><p>　　抽水儲(chǔ)能技術(shù)的原理是在用電低峰時(shí)段使抽水儲(chǔ)能設(shè)備處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)利用電能把下游水庫的水抽到上游水庫保存，將電能轉(zhuǎn)換為勢能儲(chǔ)存起來；在用電高峰時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)利用儲(chǔ)存在上游水庫

47、中的水發(fā)電，將勢能重新轉(zhuǎn)換為電能。在抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程中實(shí)現(xiàn)了由電能轉(zhuǎn)換為勢能的能量保存過程以及由勢能轉(zhuǎn)換為電能的能量釋放過程，從而達(dá)到能量存儲(chǔ)的目的。</p><p>　　抽水蓄能電站根據(jù)建設(shè)類型的不同，可以分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站兩種。純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站的區(qū)別在于上、下水庫的不同。其中純抽水蓄電站的上水庫沒有水源或者天然水的流量很小，儲(chǔ)能時(shí)需要將水從下水庫抽到上水庫中儲(chǔ)存，供

48、能時(shí)將水從上水庫放下，因此抽水蓄能電站運(yùn)行所需要的水在上、下兩個(gè)水庫間循環(huán)使用，上、下水庫要有足夠的容量，因?yàn)闆]有外來水源，電站本身無法發(fā)電，所以不能作為獨(dú)立電源，需要和電網(wǎng)中的其他發(fā)電站配合運(yùn)行；而混合式抽水蓄能電站的上水庫擁有一定量的天然水，根據(jù)抽水蓄能所需要的水庫容量大小在下游修建下水庫，并且在下水庫的出口修建一個(gè)保證下水庫庫容的小壩，因此在混合式抽水蓄能電站內(nèi)，既安裝有普通水輪發(fā)電機(jī)組可以自身發(fā)電，同時(shí)又安裝有抽水蓄能機(jī)組可以儲(chǔ)

49、能，將電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn)換為蓄電站中水的勢能。</p><p>　　抽水蓄能電站根據(jù)機(jī)組形式的不同，可以分為分置式（四機(jī)式）、串聯(lián)式（三機(jī)式）和可逆式（兩機(jī)式）。分置式抽水蓄能電站由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和水泵機(jī)四臺(tái)機(jī)組組成，因此又稱為四機(jī)式，其中水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成水輪發(fā)電機(jī)組，電動(dòng)機(jī)和水泵機(jī)構(gòu)成水泵機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)組和抽水機(jī)組分開，兩機(jī)組都可以設(shè)計(jì)并且運(yùn)行在最佳的工作狀態(tài)，效率高，但是系統(tǒng)復(fù)雜，占地面積和投資金額較

50、大，性價(jià)比較低，因此在現(xiàn)在抽水蓄能中很少采用分置式；串聯(lián)式抽水蓄能電站由水泵、水輪機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)三者構(gòu)成，其中水泵和水輪機(jī)共用一臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)，水泵、水輪機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)三者在一軸線上，同軸運(yùn)行，通常情況下水輪機(jī)和水泵旋轉(zhuǎn)的方向相同，這樣可以在抽水儲(chǔ)能還是自身發(fā)電兩種狀況下快速切換，由于水輪機(jī)與水泵分開，兩者各按最佳狀態(tài)設(shè)計(jì)，所以效率同樣很高；可逆式抽水蓄能電站由水泵水輪機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)兩臺(tái)機(jī)組構(gòu)成，其中水泵水輪機(jī)同時(shí)具有水輪機(jī)和水泵的功能，

51、電動(dòng)發(fā)電機(jī)同時(shí)具有發(fā)電和電動(dòng)的功能，兩者在一軸線上，水泵水輪機(jī)采用既可以作水輪機(jī)使用又可以作水泵的混流式水輪機(jī)，這種機(jī)組使用水頭范圍很寬、結(jié)構(gòu)簡單、總造價(jià)低、土建工程量小，因此是現(xiàn)代抽水蓄能電站的主要機(jī)組形式</p><p>　　圖2.1 抽水蓄能電站的主要組成</p><p>　　圖2.2 三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組</p><p>　　抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的建站地點(diǎn)首先需要考慮

52、上下水庫之間的高度差，然后是上下水庫之間的水平距離，一般來說距離和高度之比要小于十，同時(shí)最好擁有天然的上下水庫或者有足夠的補(bǔ)充水源，避免水分的蒸發(fā)與滲漏，因?yàn)槌樗钅茈娬镜倪x址要求較高，所以這也是它自身的一大劣勢。綜上可以得出抽水儲(chǔ)能具有大功率、大容量、低成本、長壽命和小滲漏的優(yōu)勢，但是也有選址要求高，同時(shí)建設(shè)周期長、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等不足之處。</p><p>　　抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中一般與火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電

53、和核電站搭配使用，在用電低峰時(shí)段將發(fā)電站發(fā)出的電量存儲(chǔ)起來，然后將存儲(chǔ)的電能在用電高峰時(shí)段供給負(fù)荷中心使用，保證電量的穩(wěn)定輸出，承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等任務(wù)，以達(dá)到提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的作用，除此之外擁有天然水源的抽水蓄能電站還可以利用上游水源進(jìn)行發(fā)電，起到水力發(fā)電站的作用，在儲(chǔ)能的同時(shí)自身發(fā)電。</p><p><b>　　2.2 飛輪儲(chǔ)能</b></p>

54、<p>　　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)因其擁有高儲(chǔ)能密度、高效率和輕污染等優(yōu)點(diǎn)而受到重視，該系統(tǒng)以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪為依托，通過電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能兩者間的相互轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到儲(chǔ)能的作用。</p><p>　　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由飛輪轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、真空室、軸承、電力電子變換器以及控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成。其中，飛輪轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸，兩者擁有相同的轉(zhuǎn)速。飛輪轉(zhuǎn)子、真空室和軸承三者屬于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的物理部分，是實(shí)現(xiàn)

55、飛輪儲(chǔ)能的主要結(jié)構(gòu)；而驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電力電子變換器、控制系統(tǒng)三者則是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電力部分，是處理飛輪系統(tǒng)中電量的輸入和輸出的主要結(jié)構(gòu)。這兩大組成部分就構(gòu)成了大體的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　通常飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)分為充電、放電和保持三個(gè)狀態(tài)。</p><p>　　充電狀態(tài)：外部電源通過電力電子變換器使電動(dòng)/發(fā)

56、電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子加速，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到最大工作轉(zhuǎn)速時(shí)，電力電子裝置停止驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，充電完成，這個(gè)過程是將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。</p><p>　　放電狀態(tài)：此時(shí)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工作，飛輪轉(zhuǎn)子降速，電力電子變換器對發(fā)電機(jī)輸出的母線電壓進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持恒定的電壓，這個(gè)過程是將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。</p><p>　　保持狀態(tài)：飛輪系統(tǒng)處于能量保持階段，在該狀態(tài)下，系統(tǒng)既不充

57、電也不放電，沒有發(fā)生能量的流動(dòng)，在這種模式下，系統(tǒng)以最小的損耗運(yùn)行在空閑狀態(tài)。</p><p>　　不同的工作狀態(tài)擁有不同的轉(zhuǎn)速范圍，在一定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)所需求的狀態(tài)不同對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。在飛輪運(yùn)行的整個(gè)過程中，系統(tǒng)最大的能量變化為：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　式中：ωmax和ωmin分別代表飛輪的最高轉(zhuǎn)

58、速與最低轉(zhuǎn)速。</p><p>　　飛輪的工作原理圖如圖所示。</p><p>　　圖2.4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理圖</p><p>　　目前飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的主要限制是昂貴的成本和技術(shù)發(fā)展中的瓶頸。飛輪儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類的選擇、軸承支承方式技術(shù)的提高、飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)、飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的管理和真空室功能的提升五個(gè)方面。</

59、p><p>　　飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因?yàn)椴皇艿乩憝h(huán)境的影響，所以相對于抽水儲(chǔ)能技術(shù)要更加容易實(shí)現(xiàn)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩個(gè)重要的指標(biāo)，第一是儲(chǔ)能效率，只有將軸承摩擦力和風(fēng)的阻力損耗降低到最小才能更好地提高儲(chǔ)能效率；第二是儲(chǔ)能密度，需要將飛輪的轉(zhuǎn)速提升到最高的速度才能提高儲(chǔ)能密度。因此，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要研究的是高速、低損耗和高儲(chǔ)能密度這三大方向。</p><p>　　飛輪儲(chǔ)能技術(shù)一般與風(fēng)力發(fā)電配合使用，可以直

60、接儲(chǔ)能，不需要將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，飛輪儲(chǔ)能可以用作UPS不間斷電源，電動(dòng)汽車和太空飛行器等方面，從而在調(diào)峰填谷、功率平抑、不間斷電源等多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用表現(xiàn)。</p><p>　　2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能是一種根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)延生出的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的壓縮機(jī)和透平不工作在同一時(shí)間，在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用電能對儲(chǔ)氣室中的空氣進(jìn)行壓縮；在釋

61、能時(shí)，將高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。由于儲(chǔ)能、釋能不能同時(shí)工作，在釋能過程中，無法進(jìn)行空氣壓縮等儲(chǔ)能過程，因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以產(chǎn)生更多的電力。</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、燃燒室及換熱器、儲(chǔ)氣裝置，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等主要部件。</p><p>　　圖2.5 燃

62、氣輪機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（上）和壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)框圖（下）</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能的工作過程和燃?xì)廨啓C(jī)類似，其工作過程如圖，主要包括如下4個(gè)步驟。</p><p>　　圖2.6 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過程</p><p>　　壓縮過程1—2：外界空氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮到一定壓強(qiáng)后，儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室中，理想狀態(tài)下空氣壓縮的過程為圖中的1—2，但是實(shí)際的過程由于不可逆的損失，因此

63、過程為圖中的1—2'。</p><p>　　加熱過程2—3：高壓的空氣經(jīng)儲(chǔ)氣室釋放后，與燃料燃燒加熱后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱目諝?，一般情況下，該過程為圖中的2—3，為等壓吸熱過程。</p><p>　　膨脹過程3—4：高溫高壓的空氣發(fā)生膨脹，從而驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，理想狀態(tài)下空氣膨脹的過程為圖中的3—4，但是實(shí)際的過程由于不可逆損失，因此過程為圖中的3—4'。</p>&

64、lt;p>　　冷卻過程4—1：空氣膨脹發(fā)電后排入大氣，然后下次壓縮時(shí)又重新經(jīng)過大氣吸入，這個(gè)過程為等壓冷卻過程。</p><p>　　但是在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際工作中，常采用多級壓縮和級間/級后冷卻以及多級膨脹和級間/級后加熱的方式，其工作過程如上圖中右圖所示。過程2'—1'和過程4'—3'分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹過程級間加熱過程，采用該種方式可以節(jié)省功率的消耗但是也會(huì)

65、是系統(tǒng)的復(fù)雜性提升。</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)要求壓縮空氣的容量大，因此對儲(chǔ)氣的環(huán)境有一定的要求，通常選擇報(bào)廢的礦井、沉降在海底的儲(chǔ)氣罐、山洞和新建儲(chǔ)氣井等，其中最為理想的是水封恒壓儲(chǔ)氣站；但是對于微小型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，對于環(huán)境的要求沒有一般的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)條件那么苛刻，因此可以采用在地面上建立高壓儲(chǔ)氣容器來擺脫對儲(chǔ)氣洞穴的依賴。</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一

66、種技術(shù)成熟、可行的儲(chǔ)能方式，其適用于大型系統(tǒng)，并且擁有儲(chǔ)能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長、安全性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；但是因?yàn)閷Νh(huán)境的要求較高，可能需要建立大型的儲(chǔ)氣室，同時(shí)需要利用化石燃料燃燒空氣來釋放能量，高壓燃燒室中的壓力較大，在燃燒的過程中如果溫度過高，可能會(huì)產(chǎn)生較多的污染物。</p><p>　　壓縮空氣儲(chǔ)能一般和火力發(fā)電和大規(guī)模風(fēng)場相配合使用，主要是為了保證輸入方即火力發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電電量輸出的穩(wěn)定性，

67、實(shí)現(xiàn)它們的平滑輸出，同時(shí)也可以作為備用電源等，因此在電力的生產(chǎn)、運(yùn)輸和消費(fèi)等領(lǐng)域中應(yīng)用于削峰填谷、平衡電力負(fù)荷、需求側(cè)電力管理等方面。</p><p>　　2.4 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能</p><p>　　在超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電能存儲(chǔ)于一個(gè)超導(dǎo)磁環(huán)中，并未將能量轉(zhuǎn)換成其他形式，因?yàn)椴捎昧顺瑢?dǎo)體線圈這種超導(dǎo)材料，電能僅僅是為了保持超導(dǎo)冷卻和少許輔助機(jī)械有一定量的消耗，所以能量的轉(zhuǎn)換效率很高。<

68、;/p><p>　　超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能由超導(dǎo)線圈、真空容器、引線、深冷系統(tǒng)和電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)五個(gè)部分組成。</p><p>　　圖2.7 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能的基本原理是將電能儲(chǔ)存于一個(gè)有直流電流過從而擁有磁場的環(huán)狀導(dǎo)線。假如該線圈采用普通的導(dǎo)線材料，磁能會(huì)因?qū)Ь€的電阻耗能而發(fā)熱，如果采用超導(dǎo)體這種材料作為線圈，因?yàn)槌瑢?dǎo)體具有低溫低電阻的特性，

69、電能就能在基本維持不變的模式下被長期的儲(chǔ)存起來直到需要用時(shí)為止。超導(dǎo)線圈只是一套直流裝置，因此需要有一套電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和公用交流電網(wǎng)相互聯(lián)系，進(jìn)行能量的存儲(chǔ)或釋放，電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的固體直流/交流變化器、若干開關(guān)和控制裝置，在電網(wǎng)電力過剩時(shí)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電向超導(dǎo)線圈充電；在電網(wǎng)電力欠缺時(shí)，將超導(dǎo)磁環(huán)儲(chǔ)存的直流電逆變?yōu)榻涣麟娝腿腚娋W(wǎng)中。</p><p>　　圖2.8 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能的運(yùn)行原理</p&

70、gt;<p>　　超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能是目前響應(yīng)速度最快的儲(chǔ)能技術(shù)，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠極快地響應(yīng)從電網(wǎng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)或輸出電力，可以保證電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)它的響應(yīng)速度和能量傳遞的容量也決定了系統(tǒng)在發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收或者發(fā)出功率，減少甚至是消除擾動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊等，但是因?yàn)槌瑢?dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)中的單元組件的最大存儲(chǔ)的容量無法和抽水儲(chǔ)能相比，因此不能作為長時(shí)間的負(fù)荷調(diào)節(jié)，除此之外，超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能的高成本也阻礙

71、了其在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。</p><p>　　超導(dǎo)電池儲(chǔ)能一般和風(fēng)力發(fā)電、分布式電源系統(tǒng)和電網(wǎng)等配合使用，用作調(diào)峰，使輸入方電量輸出平滑，也可以用作UPS，因此超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能具有調(diào)頻日夜負(fù)荷峰谷差，提高輸電線的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的作用，在遇到電網(wǎng)暫態(tài)波動(dòng)時(shí)，其對電網(wǎng)有功與無功的支持可以保證電壓和頻率的穩(wěn)定避免系統(tǒng)解列甚至崩潰。</p><p><b>　　2.5 電池儲(chǔ)能<

72、/b></p><p>　　電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由蓄電池組和變流器兩部分組成。電池組一般選用技術(shù)比較成熟的鈉硫電池或者鉛酸電池；變流器的實(shí)質(zhì)是大容量的電壓逆變器，它是直接儲(chǔ)能電池和接入電網(wǎng)之間的接口電路，實(shí)現(xiàn)了電池直流能量和交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞。</p><p>　　圖2.9電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖（左）和電路原理圖（右）</p><p>　　蓄電池?fù)碛械膬?yōu)點(diǎn)

73、很多，從自身的角度來說，它的容量大、能量密度高、耐用性強(qiáng)、使用壽命長、無震動(dòng)噪聲、能量轉(zhuǎn)換效率高；從外部的角度來說，它環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、低污染、便于安裝使用、布局靈活、建設(shè)周期短、選址簡單。蓄電池的缺點(diǎn)是功率密度低、單位容量的投資大、無法形成規(guī)?；?，并且存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。蓄電池本身形狀相對于其他儲(chǔ)能技術(shù)的組成設(shè)備較小，因此對于環(huán)境沒有太高的要求，但是一些特殊的蓄電池在充放電時(shí)對于溫度和濕度有一定的要求，所以需要建設(shè)相應(yīng)的保溫保濕的

74、環(huán)境。因?yàn)殡姵貎?chǔ)能系統(tǒng)中包括了多種電池儲(chǔ)能技術(shù)，它們的工作原理、組成和應(yīng)用方面都有所差異。</p><p>　　電池儲(chǔ)能一般可以用多種能源來充電補(bǔ)充，例如生活中的插座等，主要用作UPS和電動(dòng)汽車方面的輸出電源，因?yàn)殡姵貎?chǔ)能系統(tǒng)可以迅速地調(diào)節(jié)接入點(diǎn)的功率變化，所以對維持小型網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)部能量的瞬時(shí)平衡和穩(wěn)定、改善供電的電能質(zhì)量具有非常重要的作用，當(dāng)容量足夠大時(shí)，甚至可以起到調(diào)峰填谷的作用。</p><

75、;p><b>　　2.6 超級電容器</b></p><p>　　超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)采用多組超級電容器組合形式，將能量以電場能的形式儲(chǔ)存起來，主要包括儲(chǔ)存能量用的超級電容器組件陣列、進(jìn)行能量變換與傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)三大部分。超級電容器組陣列由多個(gè)超級電容器并聯(lián)組成；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為一個(gè)雙向DC-AC-DC變換器，主要包括AC/DC整流器、高頻變壓器和DC/AC逆變器三部分；

76、綜合控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析計(jì)算單元、雙向DC-AC-DC變換器輸出控制單元和開關(guān)控制單元。</p><p>　　圖2.10 超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理是在分布式電網(wǎng)直流母線上并聯(lián)超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，因?yàn)槌夒娙萜鞯亩穗妷涸诔浞烹姷倪^程中會(huì)隨著儲(chǔ)存能量的變化不斷地上升或下降，而負(fù)載在工作過程中一般要求端電壓穩(wěn)定，因此在兩者之間配置一個(gè)電壓

77、適配器，即雙向DC-AC-DC電路，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的具體工作過程為：在負(fù)載較重的情況下，系統(tǒng)電壓低于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓，此時(shí)，超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)供能，將超級電容器釋放的能量通過控制雙向DC-AC-DC變換器向分布式直流電網(wǎng)端傳輸，從而補(bǔ)充分布式直流電網(wǎng)所缺的電能，這樣在放電過程中，即使超級電容器儲(chǔ)能的端電壓在不斷下降，也可以保持直流母線電壓的恒定，同時(shí)又能夠提高超級電容器

78、儲(chǔ)能的高效利用率；在負(fù)載較輕的情況下，系統(tǒng)電壓高于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓，可將分布式直流電網(wǎng)端多余的能量同樣通過控制雙向DC-AC-DC變換器反饋回超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，此時(shí)超級電容器儲(chǔ)存能量，直至系統(tǒng)分布式直流母線電壓與正常運(yùn)行時(shí)的電壓值一致。</p><p>　　超級電容器作為一種新型儲(chǔ)能元件，擁有容量大、高功率密度、免維護(hù)、無污染、長壽命、寬的溫度適應(yīng)范圍和高效率等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是低能量密度。超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式發(fā)

79、電系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢。</p><p>　　超級電容器一般與風(fēng)力發(fā)電搭配使用，一般供給給串并聯(lián)補(bǔ)償裝置，或者作為電動(dòng)汽車的備用電源等，超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠維持電壓的穩(wěn)定，抑制電壓的波動(dòng)、閃變、下跌和瞬時(shí)斷電供電等破壞平衡的情況。</p><p><b>　　2.7 冰蓄冷</b></p><p>　　相變儲(chǔ)能技術(shù)中的冰蓄冷儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用于蓄

80、冷空調(diào)這方面，蓄冷空調(diào)是指在夜間電網(wǎng)用電低峰時(shí)段由制冷主機(jī)開機(jī)制冷，并由蓄冷設(shè)備將電能以冷量的形式儲(chǔ)存起來，待白天電網(wǎng)用電高峰時(shí)段再講冷量釋放出來。</p><p>　　冰蓄冷系統(tǒng)由冷卻塔、冷卻泵、制冷機(jī)組、蓄冷槽、板式換熱器和負(fù)荷六者組成。</p><p>　　圖2.11 冰蓄冷儲(chǔ)能原理圖</p><p>　　冷蓄冷系統(tǒng)的蓄冷運(yùn)行方式通常分為部分蓄冷、全部蓄冷和分

81、時(shí)蓄冷三種。</p><p>　　部分蓄冷：制冷機(jī)在夜間工作，將電能用于制冷，使電能以相變的能量形式存儲(chǔ)起來，白天通過融冰以獲得其中的能量滿足冷負(fù)荷要求，供冷不足的能量部分部分由制冷機(jī)提供，主要特點(diǎn)是減少了裝機(jī)容量，一般可減少到峰值冷負(fù)荷的一半左右，這種蓄冷方式對電網(wǎng)的削峰填谷并沒有發(fā)揮最大作用。</p><p>　　全部蓄冷：與部分蓄冷的儲(chǔ)能方式一致，日間和夜間分開儲(chǔ)能供能，完全滿足負(fù)荷

82、的要求，即能量全部靠融冰來供給，當(dāng)冷負(fù)荷全部出現(xiàn)在高峰用電時(shí)間段時(shí)，能最大限度的起到削峰填谷作用，由于并未減少制冷設(shè)備容量，因而初始投資很大。</p><p>　　分時(shí)蓄冷：與上面兩種方式不同，分時(shí)蓄能不是根據(jù)日夜間的來進(jìn)行能量方式的劃分，其在用電低谷時(shí)段儲(chǔ)能，而在用電高峰時(shí)段供能，真正的達(dá)到了電網(wǎng)移峰填谷的作用，能夠最大限度的利用蓄冷供冷，且滿足了高峰時(shí)刻的負(fù)荷要求，因此，冰蓄冷中央空調(diào)方案一般采用這種運(yùn)行方式

83、。</p><p>　　冰蓄冷儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用電網(wǎng)低谷電力，減少電力增容費(fèi)和機(jī)組設(shè)備費(fèi)，節(jié)省風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，可以作為應(yīng)急冷源使用，提高了供冷的可靠性；缺點(diǎn)是剛開始的投資建設(shè)成本高，制冷機(jī)組效率低，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，制造工藝要求高，維護(hù)費(fèi)用高。</p><p>　　冰蓄冷一般直接和電網(wǎng)搭配使用，主要用作空調(diào)和一般負(fù)荷兩方面，冰蓄冷系統(tǒng)具有移峰填谷作用，可以充分的緩解電

84、力生產(chǎn)供應(yīng)的不協(xié)調(diào)的矛盾，提高發(fā)電效率，平衡電網(wǎng)峰谷間的差值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p><b>　　2.8 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了現(xiàn)如今主要的新能源儲(chǔ)能技術(shù)。主要針對抽水儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能和冰蓄冷七種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行全面的介紹，包括儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理、組成部分、結(jié)構(gòu)框圖、優(yōu)缺點(diǎn)、適用的

85、場所以及應(yīng)用的領(lǐng)域等方面。</p><p>　　之后選取了儲(chǔ)能技術(shù)中發(fā)展迅速的電池儲(chǔ)能進(jìn)行詳細(xì)的介紹，又更加具體到選擇了磷酸鐵鋰電池進(jìn)行特性研究、電池建模、SOC估算和電池管理系統(tǒng)四大模塊的分析，幫助更好的理解儲(chǔ)能技術(shù)。</p><p>　　第3章 鋰電池特性研究</p><p><b>　　3.1 概述</b></p><

86、p>　　本章主要針對單體磷酸鐵鋰電池進(jìn)行試驗(yàn)測試，一方面通過對電池的倍率、開路電壓、溫度和電池容量的測試來分析磷酸鐵鋰電池的性能，并且根據(jù)性能分析其應(yīng)用的工況環(huán)境；另一方面為之后的研究提供足夠的數(shù)據(jù)積累，對于電池模型而言，在不同的外界環(huán)境下，電池模型的參數(shù)是不一樣的，放電倍率、溫度、充放電的方向都對模型產(chǎn)生直接的影響，并最終影響模型的精度，因而大量的數(shù)據(jù)積累是獲取準(zhǔn)確模型的關(guān)鍵一環(huán)，對于電池的荷電狀態(tài)估計(jì)而言，不同的算法都需要基于

87、電池的模型而進(jìn)行的，因此選用不同的電池模型對之后的SOC估算精度也會(huì)造成不同程度上的影響。</p><p>　　3.2 電池的電壓特性</p><p>　　電池的電壓特性，可以通過在標(biāo)準(zhǔn)充電和放電狀態(tài)下對電池的電壓進(jìn)行分析，來獲取對磷酸鐵鋰電池充放電的基本認(rèn)識(shí)，為開路電壓法分階段進(jìn)行電池荷電狀態(tài)估算做研究基礎(chǔ)。</p><p>　　電池在低倍率充電時(shí)采用恒流充電至3

88、.6V，然后進(jìn)行恒壓充電至電流降至0.02A停止。測試條件是在25°C以0.5C恒流充電至3.6V，然后擱置30分鐘后再以1A恒流放電至2V?？梢缘玫匠浞烹娞匦郧€如圖所示。</p><p>　　圖3.1 恒流充放電電壓響應(yīng)關(guān)系曲線</p><p>　　從圖中可以看出，在整個(gè)放電過程中，電壓響應(yīng)曲線分為三個(gè)階段，首先起始階段為陡降期，電壓在幾秒鐘內(nèi)平均電壓打到3.3V左右，然后開

89、始緩慢減小，減小的幅度很小，這個(gè)階段占整個(gè)放電時(shí)間的八成以上，當(dāng)電池的剩余容量在一成左右時(shí)，電壓再次出現(xiàn)陡降期，此時(shí)與起始階段電壓變化趨勢相比，時(shí)間較長，直至電壓降至截止電壓2V為止，而且電壓降的幅度比起始階段要大，起始階段的幅度約0.2V左右，而此時(shí)的幅度則在1V左右。電池充電過程與放電過程響應(yīng)曲線基本類似，兩者呈現(xiàn)相反的方向，同樣也分為三個(gè)階段?？偟膩碚f，充電電壓曲線略低于放電電壓曲線，該現(xiàn)象主要是由于電池的浮點(diǎn)引起的。</p

90、><p>　　3.3 電池電壓與倍率特性</p><p>　　電池的倍率特性是研究SOC算法中的重要考慮因素之一，只有通過不同放電倍率的測試研究，才能得到真正有效的電池電壓變化的規(guī)律，獲取準(zhǔn)確的電池模型。測試采用恒流恒壓充電法，一方面使充電時(shí)間縮短，另一方面可以保證試驗(yàn)電池的安全性，在實(shí)驗(yàn)過程中，采用七種不同的放電倍率對電池進(jìn)行恒流恒壓充電，在后期采用較小的電流充電至截止電壓，以保證電池處于充

91、滿狀態(tài)，而且小電流不會(huì)引起溫度升太高而影響到電池的性能。</p><p>　　3.3.1 恒流充電時(shí)端電壓的變化</p><p>　　根據(jù)測試可以得到電池在不同充電倍率下的電壓響應(yīng)特性曲線如圖所示。</p><p>　　圖3.2 不同充電倍率下的電壓響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖中可以看出，磷酸鐵鋰電池小電流充電時(shí)需要三小時(shí)左右，而大電流

92、充電時(shí)僅僅需要二十分鐘，對比來看，為了提高充放電實(shí)驗(yàn)的效率，在較短的時(shí)間內(nèi)完成對電池性能的測試，通常在生活中采用大電流充電的方法對電池進(jìn)行充電。</p><p>　　3.3.2 恒流放電時(shí)端電壓的變化</p><p>　　根據(jù)測試可以得到電池在不同充電倍率下的電壓響應(yīng)特性曲線如圖所示。</p><p>　　圖3.3 不同放電倍率下的電壓響應(yīng)曲線</p>

93、<p>　　由圖中可以看出，磷酸鐵鋰電池的工作電壓變化與電池的放電倍率之間存在著密切的關(guān)系，在不同的放電倍率下電池的端電壓曲線的變化規(guī)律一直，但是變化的速度是有所差別的，特別是在起始階段和放電末期，電壓的變化趨勢是呈一定斜率的直線，若求出該段的斜率大小和電壓值，便可以計(jì)算出對應(yīng)的SOC值，從而可以通過檢測電壓趨勢的變化來獲得電池剩余電量的估算。</p><p>　　3.4 電池容量與倍率特性</

94、p><p>　　電池的容量標(biāo)定與電池的放電倍率有很大的關(guān)系，通過在不同倍率下進(jìn)行電池容量的分析，來獲取在一定倍率下電池的可用容量，從而獲得電池容量的標(biāo)定值，確定標(biāo)定值后，便可以估算出相應(yīng)的SOC值。在電池整個(gè)充放電過程中，由于不同充放電倍率對電池本身的溫度也有一定的影響，從而造成不同充放電倍率下的容量差異，給實(shí)驗(yàn)帶來誤差。</p><p>　　3.4.1 充電倍率與電池容量</p>

95、<p>　　在不同的充電倍率下，獲得可用的電池容量值不同，得到的曲線如圖所示。</p><p>　　圖3.4 充電倍率與可用容量的關(guān)系曲線</p><p>　　電池在整個(gè)充電的過程中，整體趨勢是電池的充電倍率越大，電池的可用容量逐漸減小，從圖中我們可以看出，磷酸鐵鋰電池進(jìn)行低倍率充電時(shí)，隨著電流倍率的加大，實(shí)際容量稍微變大，直到在0.7A左右時(shí)，可用容量開始下降，隨著倍率的增

96、加而降低。</p><p>　　由此可以得出電池在充電的低倍率1C下時(shí)，充電的倍率對溫度產(chǎn)生敏感作用，時(shí)電池內(nèi)部的活性增強(qiáng)，電池內(nèi)部的吸收能力隨之增加而使可用容量有所上升，但當(dāng)電池充電超過1C倍率后，由于電池的內(nèi)部活性已經(jīng)穩(wěn)定，不再回因此而增加，此時(shí)，充電倍率的增加直接導(dǎo)致充電效率的降低，最終使得可用容量下降。</p><p>　　3.4.2 放電倍率與電池容量</p>&l

97、t;p>　　在不同的充電倍率下，獲得可用的電池容量值不同，得到的曲線如圖所示。</p><p>　　圖3.5 放電倍率與可用容量的關(guān)系曲線</p><p>　　在電池低倍率放電過程中，發(fā)現(xiàn)可用容量隨著放電倍率增加而逐漸增加，并且增加的速度逐漸減慢，當(dāng)倍率達(dá)到2C時(shí)，放電倍率的增加不再是可用容量增加。</p><p>　　通過對試驗(yàn)曲線的分析，在低倍率放電時(shí)，可

98、用容量的增加主要是由于電池的放電過程中大電流產(chǎn)生的熱量，使電池內(nèi)部溫度升高，電池的內(nèi)部物質(zhì)反應(yīng)效率增加，從而放出更多的能量。而只高倍率放電的情況下，若電池的放電倍率超過一定值時(shí)，會(huì)損壞電池內(nèi)部的反應(yīng)平衡，同樣也會(huì)對可用容量造成影響，導(dǎo)致在高倍率時(shí)電池的可用容量下降。</p><p>　　3.5 溫度對電池性能的影響</p><p>　　為了能夠準(zhǔn)確的判斷溫度對可用電量的影響，下面分別在五種

99、溫度條件下進(jìn)行充電和放電試驗(yàn)，并且計(jì)算整個(gè)過程中充電電量和放電電量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出充放電電量與溫度的曲線關(guān)系。</p><p>　　3.5.1 充電電量和溫度的關(guān)系</p><p>　　電池在充電過程中，電池內(nèi)部的活性因子對充電電荷的接受能力隨著溫度的變化而變化，為了準(zhǔn)確研究電池充電電量隨著溫度變化的規(guī)律，對電池進(jìn)行不同溫度下的六種充電倍率實(shí)驗(yàn)，可以得到溫度與充電電量的關(guān)系如圖所示。

100、</p><p>　　圖3.6 不同充電倍率的溫度與充電電量關(guān)系曲線</p><p>　　從圖中可以得知，充電的電量隨著溫度的增加而增加，在0°C以上，電池的充電電量隨溫度的增加變化緩慢，在0°C以下，電池的充電電量誰溫度的降低而迅速減小。因此，磷酸鐵鋰電池在低溫的性能很容易變差；從充電倍率的角度來看，充電倍率越低，電池可接受的充電電量就會(huì)越大。因而，在同一溫度下，電池

101、在低倍率情況下能給電池充入更多的電量。</p><p>　　3.5.2 放電電量與溫度關(guān)系</p><p>　　在不同溫度下，研究電池放電電量的變化趨勢，對電池在五種溫度下分別進(jìn)行不同放電倍率實(shí)驗(yàn)，可以得到放電倍率與放電電量的關(guān)系曲線如圖所示。</p><p>　　圖3.7不同溫度的放電倍率與放電電量關(guān)系曲線</p><p>　　從圖中可以得

102、知，在10°C以上，電池放電的電量受放電倍率的影響較小，而受到外界溫度的影響較大，在10°C以下，電池在不同放電倍率會(huì)很大程度影響電池的放電電量，因此電池在低溫條件下使用時(shí)，應(yīng)該防止放電倍率過高導(dǎo)致放電電量的縮小。</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要針對磷酸鐵鋰電池的性能進(jìn)行測試，主要測試電池在不同充

103、放電倍率下端電壓的變化，不同放電倍率下電池容量的變化，以及電池容量和充放電倍率在不同溫度環(huán)境下的變化，并且繪制出相應(yīng)的變化曲線，根據(jù)曲線進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：電池的充電倍率越高，所需的充電時(shí)間越短，在低倍率充電時(shí)，充電倍率越高，可用容量越大，在高倍率充電時(shí)，隨著充電倍率的提高，可用容量會(huì)不斷減??；電池的放電倍率越高，放電所需時(shí)間越短，放電電量越高；電池在低溫條件下的性能較差，此時(shí)，充電倍率越高充電電量越低，放電倍率越高放電電量也越

104、低。所以影響電池性能的主要因素有溫度、充放電倍率等，為了能夠更好地使用電池，延長其工作壽命，需要對電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作條件進(jìn)行詳細(xì)的分析，選擇合適的運(yùn)行環(huán)境，從而避免溫度過高或者過低、過充過放對電池造成較大的傷害。</p><p><b>　　第4章 鋰電池建模</b></p><p><b>　　4.1 概述</b></p>&

105、lt;p>　　為了能夠更好地了解儲(chǔ)能技術(shù)，我們選取了電池儲(chǔ)能中的鋰離子電池儲(chǔ)能，根據(jù)對它的分析來進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)的學(xué)習(xí)。首先需要選定好對電池模型，電池模型的建立是為了更好地描述電池的影響因素與它的工作特性時(shí)間的關(guān)系。研究和建立電池模型的目的是為了確定電池的外部測試顯示出的電氣特性和電池本身內(nèi)部狀態(tài)間的定量關(guān)系，例如外部測量出的電壓、電流和溫度與電池本身內(nèi)部的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)等，通過模型的建立，根據(jù)測試出的外部變量來估算出電池的內(nèi)部狀態(tài)變

106、量。</p><p><b>　　4.2 模型的選擇</b></p><p>　　對于任何一個(gè)系統(tǒng)來說，在設(shè)計(jì)階段建立一個(gè)比較簡單而是用的模型會(huì)使開發(fā)周期短，開發(fā)費(fèi)用降低。電池處在充放電狀態(tài)時(shí)，會(huì)在外特性上表現(xiàn)為一些電阻電容的特性，因此，為了能夠更好的模擬出符合電池特性的電池模型，我們首先需要對一些典型的電池等效模型進(jìn)行介紹。</p><p>