一种混合储能系统的制作方法

1.本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种混合储能系统。


背景技术：

2.变电站中的储能装置是其重要环节,随着变电站迈向智能化,站用储能装置也得到了长足的发展。面对变电站功率波动，在某些时刻会有剧烈的变化，单一采用铅酸电池储能的话，一方面电池的响应速度不够快，另一方面电池频繁充放电对其损坏也比较大；若单一采用超导储能，对功率的响应速度虽然能够满足，但超导储能容量相对较大，成本过高。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种混合储能系统，具体技术方案如下：
4.一种混合储能系统，包括铅酸储能电池组和超导储能装置，所述铅酸储能电池组通过dc/dc模块并联接到直流母线上；所述超导储能装置通过v/i模块并联接到直流母线上；变电站通过变流器、直流母线、变压器连接至电网。
5.优选地，混合储能系统的功率计算如下：
6.p
grid
＝p
hess
+p
b
；(1)
7.p
hess
＝p
bess
+p
smes
；(2)
8.其中，p
grid
为系统输送到电网的功率，p
hess
为混合储能系统输出到电网的功率，p
b
为变电站输出到电网的功率，p
bess
为铅酸储能电池组输出到电网的功率，p
smes
为超导储能装置输出到电网的功率；
9.控制超导储能装置平滑系统高频的功率波动，铅酸储能电池组平滑系统低频的功率波动。
10.优选地，混合储能系统补偿变电站输出电网的稳定功率p
grid
和波动的变电站功率p
b
之间的差值，采用低通滤波器进行混合储能系统的功率分配。
11.优选地，混合储能系统的功率p
hess
经过低通滤波器，超导储能装置的功率计算如下：
12.p
hess
＝p
grid
‑
p
b
；(3)
[0013][0014]
其中t
l
为低通滤波器的常数。
[0015]
优选地，所述铅酸储能电池组平抑频率低于(1/t1)hz的功率波动，超导储能装置平抑频率高于(1/t1)hz的功率波动。
[0016]
优选地，所述低通滤波器的常数t
l
的选取方法为：
[0017]
选取低通滤波器的常数在t1
‑
t2之间变化，得到不同时间常数下超导储能装置和铅酸储能电池组输出/输入功率的最大值，即混合储能系统所需的功率等级，混合储能容量系统所需的额定容量由下式得到：
[0018][0019]
e
rate
≥max(e(t))
‑
min(e(t))；
[0020]
其中，e(t)是混合储能系统t时刻能量；e(0)为混合储能系统的初始能量；p
k
是离散采样点k的混合储能系统的功率值，t
s
是采样间隔时间，e
rate
是混合储能系统所需的额定容量；k是采样点，k＝1,2,
…
,n。
[0021]
优选地，所述超导储能装置包括v/i模块、超导线圈、容器、监控系统、制冷系统；所述制冷系统与容器连接；所述超导线圈放置在容器内部，所述超导线圈与v/i模块连接，所述监控系统分别与v/i模块、容器、制冷系统连接。
[0022]
优选地，所述dc/dc模块为双向dc/dc模块。
[0023]
本发明的有益效果为：本发明采用超导储能装置和铅酸储能电池组的混合储能系统来平抑算例中的功率波动，铅酸储能电池组通过dc/dc模块并联接到直流母线上，超导储能装置通过v/i模块并联接到直流母线上；变电站通过变流器、直流母线、变压器、低通滤波器连接至电网。本发明对功率分配的低通滤波器的时间常数选择进行了讨论，提供了低通滤波器的时间常数的确定方法。仿真结果表明采用混合储能系统后系统能够很好的平抑功率的波动，使得变电站输出给电网稳定的功率，同时铅酸储能电池组的深度放电得到了改善，充放电次数在一定程度上得到减少，较为有效地延长了电池的使用寿命。
附图说明
[0024]
图1为混合储能系统的结构示意图；
[0025]
图2为混合储能拓扑结构示意图；
[0026]
图3为smes线圈充放电状态示意图，其中图3(a)为smes线圈充电状态示意图，图3(b)为smes线圈放电状态示意图；
[0027]
图4为dc/dc拓扑结构示意图；
[0028]
图5为smes超导储能装置的基本结构示意图；
[0029]
图6为一组典型的24h变电站输出功率曲线图；
[0030]
图7为混合储能系统的功率分配框图；
[0031]
图8为不同滤波器时间常数下混合储能系统的功率曲线图；
[0032]
图9为不同滤波器时间常数下混合储能系统的能量曲线图；
[0033]
图10为不同时间常数不同功率等级下smes超导储能装置的储能容量曲线图；
[0034]
图11为不同时间常数不同功率等级下bess铅酸储能电池组的储能容量曲线图；
[0035]
图12为不同时间常数不同功率等级下hess混合储能系统的总储能容量曲线图；
[0036]
图13为单一电池储能和混合储能中电池的输出功率对比曲线图；
[0037]
图14为单一电池储能和混合储能中电池的荷电状态对比曲线图。
具体实施方式
[0038]
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
[0039]
如图1
‑
2所示，一种混合储能系统，包括铅酸储能电池组和超导储能装置，所述铅酸储能电池组通过dc/dc模块并联接到直流母线上；所述超导储能装置通过v/i模块并联接
到直流母线上；变电站通过变流器、直流母线、变压器连接至电网。
[0040]
smes超导储能装置用两象限v/i斩波器给超导线圈充放电并保持直流母线上电压稳定。超导线圈充电时，两象限v/i斩波器在充电和续流两种模式下交替运行；放电时，两象限v/i斩波器在放电和续流两种模式下交替运行。smes超导储能装置充放电状态如图3(a)和图3(b)所示。
[0041]
如图4所示，bess铅酸储能电池组充电时s3开关斩波，s4开关关断，双向dc/dc模块工作在buck电路模式；bess铅酸储能电池组放电时s3开关关断，s4开关斩波，双向dc/dc模块工作在boost电路模式。
[0042]
如图5所示，超导储能装置包括v/i模块、超导线圈、容器、监控系统、制冷系统；所述制冷系统与容器连接；所述超导线圈放置在容器内部，所述超导线圈与v/i模块连接，所述监控系统分别与v/i模块、容器、制冷系统连接。smes超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能回馈电网或其他负载，并对电网的电压凹陷、谐波等进行灵活治理，或提供瞬态大功率有功支撑的一种电力设施。正常运行时，电网电流通过整流向超导电感充电，然后保持恒流运行(由于采用超导线圈储能，所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，直到需要释放时为止)。当电网发生瞬态电压跌落或骤升、瞬态有功不平衡时，可从超导电感提取能量，经逆变器转换为交流，并向电网输出可灵活调节的有功或无功，从而保障电网的瞬态电压稳定和有功平衡。超导储能和铅酸蓄电池储能分别是高功率密度和高能量密度储能技术的典型代表，下表给出了不同储能技术的性能参数。
[0043]
表1不同储能技术的性能参数
[0044][0045]
高功率密度和高能量密度储能技术的混合使用，一方面可以充分发挥两者的优势，提高储能系统整体的性能，另一方面还可以解决变电站中的各种问题。超导储能是目前应用的储能系统中响应速度最快的一种储能技术，跟超级电容相比，功率密度更大，效率更高，循环寿命也更长，同时不需要考虑超级电容串联带来的均压等问题，控制起来更为简单。唯一不足之处是超导储能的投资成本相对较高，实现大容量有一定困难，因此希望用较小的容量来实现较多的功能。近年来高温超导技术的研究和发展，也为超导储能技术的应用开辟了更为广阔的前景。铅酸电池储能相对成本较低﹐技术成熟，容易实现大容量储能，但是受充放电速度和次数的限制不能够用于快速的动态功率补偿和稳定电压波动。将这两种储能方式结合起来，就可以针对变电站的需求，采用不同的控制策略，平滑输出功率波动和抑制电压波动，提高电能质量和系统稳定性。因此本发明采用超导储能和铅酸电池储能的混合储能方式，针对变电站功率波动的问题。
[0046]
对于双馈变电站，其本身可以控制无功，多数情况下运行时功率因数为1。所以不
考虑系统的无功交换，主要考虑储能装置对变电站输出有功功率的补偿。混合储能系统的功率计算如下：
[0047]
p
grid
＝p
hess
+p
b
；(1)
[0048]
p
hess
＝p
bess
+p
smes
；(2)
[0049]
其中，p
grid
为系统输送到电网的功率，p
hess
为混合储能系统输出到电网的功率，p
b
为变电站输出到电网的功率，p
bess
为铅酸储能电池组输出到电网的功率，p
smes
为超导储能装置输出到电网的功率。
[0050]
混合储能系统的作用是补偿变电站功率和输入到电网功率之间的差值，从而达到平滑功率波动的目的。为了充分发挥超导储能功率密度大和电池储能能量密度大的优势，控制超导储能装置平滑系统高频的功率波动，铅酸储能电池组平滑系统低频的功率波动。
[0051]
取某变电站站用电24小时输出功率曲线作为研究对象，如图6所示。
[0052]
该曲线是每隔10分钟间隔对变电站输出功率采样得到的数据。可以看出在24小时内，该功率曲线波动剧烈，最大功率变化量达到1.966mw，相当于该日功率总容量的66％。同时对该曲线进行fft分析，可以看出其谐波含量尤其是高次谐波含量非常大，且分布没有规律。这就是典型的变电站输出功率的特性。如果直接经过变流器输送到电网，会对电网带来功率不稳、谐波污染等不良影响，因此储能装置的必要性就凸显出来了。
[0053]
混合储能系统补偿变电站输出电网的稳定功率p
grid
和波动的变电站功率p
b
之间的差值，采用低通滤波器进行混合储能系统的功率分配，混合储能系统的功率p
hess
经过低通滤波器，超导储能装置的功率计算如下：
[0054]
p
hess
＝p
grid
‑
p
b
；(3)
[0055][0056]
其中t
l
为低通滤波器的常数；铅酸储能电池组平抑频率低于(1/t1)hz的功率波动，超导储能装置平抑频率高于(1/t1)hz的功率波动。
[0057]
混合储能系统的的功率分配方案如图7所示，以图6作为算例，变电站输出到电网的功率平均值为2.03mw，对于不同的低通滤波器时间常数，超导储能装置和铅酸储能电池组需要承担的频率部分也不同，而超导储能装置和铅酸储能电池组的功率设备成本和能量存储成本也不相同。为了选择一个合适的滤波器时间常数，通过实验选取时间常数。低通滤波器的常数t
l
的选取方法为：
[0058]
选取低通滤波器的常数在t1
‑
t2之间变化，得到不同时间常数下超导储能装置和铅酸储能电池组输出/输入功率的最大值，即混合储能系统所需的功率等级，混合储能容量系统所需的额定容量由下式得到：
[0059][0060]
e
rate
≥max(e(t))
‑
min(e(t))；(6)
[0061]
其中，e(t)是混合储能系统t时刻能量；e(0)为混合储能系统的初始能量；p
k
是离散采样点k的混合储能系统的功率值，t
s
是采样间隔时间，e
rate
是混合储能系统所需的额定容量；k是采样点，k＝1,2,
…
,n。在本实施例中，t1取6min，t2取720min。
[0062]
如图8和图9所示，随着时间常数的增加，铅酸储能电池组bess需要平抑的低频功
率随之减少，铅酸储能电池组bess的输出功率平滑且充放电次数减少；超导储能装置smes需要平抑的高频功率随之增大，输出功率波动剧烈且功率等级随之增大。由于超导储能装置smes的成本相对较高，希望以较小的容量来满足混合储能系统的需求，同时为了延长电池寿命，铅酸储能电池组bess补偿的低频功率分量频率越低越好，因此综合考虑可以取时间常数为120min。
[0063]
图10
‑
12给出超导储能装置和铅酸储能电池组在不同功率等级需求和不同时间常数下的储能容量曲线。从图中可以看出，整个混合储能系统的总容量随看滤波器时间常数的增大而增大，并且趋于稳定，而且随着混合储能系统功率的增大，混合储能系统所需的容量也逐渐增大；超导储能装置的容量随时间常数的增大而呈非线性增大，铅酸储能电池组bess的容量随时间常数的增大而减小，并且当时间常数小于180min时，电池储能容量的曲线接近于线性变化。
[0064]
综合上述分析，考虑混合储能系统对功率的平抑效果，该算例滤波器的间常数可选为120min。
[0065]
描述铅酸蓄电池的寿命主要有三种评价万法：充放电循环寿命、使用寿命和恒流充寿命。应用于变电站的电池储能系统，一般人们关注的是表征了蓄电池在深度放电方面重复能力的充放电循环寿命，主要由放电深度来衡量，如果蓄电池经常处于深度放电的状态，寿命会大大缩短。
[0066]
蓄电池的放电深度dod通常用放出的电量与电池额定容量之比的百分数表示：
[0067][0068]
放电深度在60％～80％左右的为深度循环放电，dod越大，电池的寿命越短。一般认为较为适中的放电深度是50％。在能够较好地平抑变电站功率波动的同时，同单一电池储能相比较，混合储能系统也能够有效地改善电池的荷电状态和放电深度，延长电池的寿命。
[0069]
图13比较了单一电池储能和混合储能中电池的输出功率曲线，当加入了超导储能装置smes后功率波动剧烈的高频部分由超导储能装置smes吸收,铅酸储能电池组输出的功率曲线有了明显的改善，趋于平滑，充放电次数减少；图14比较了电池容量为1mwh时单一电池储能和混合储能中电池的荷电状态曲线，电池的最大放电深度从95.63％减小到89.08％，在实际应用中，当电池初始荷电状态和容量裕度取更大时，放电深度也会相应地减小更多。加入超导储能装置后降低了铅酸储能电池组过度放电的可能，从而延长了铅酸储能电池组的寿命。
[0070]
表2比较了在上述算例中单一电池储能系统和混合储能系统工作24h小时相应储能系统的功率和储能量。
[0071]
表2单一电池储能系统和混合储能系统的功率和储能量
[0072]
[0073]
加入了超导储能装置smes后，电池输出/输入的最大功率从1.1834mw降低到了534.62kw，减少了54.8％，同时铅酸储能电池组所需的额定容量从0.83488mwh降低到了0.69264mwh，减少了17％。
[0074]
本发明采用超导储能装置和铅酸储能电池组的混合储能系统来平抑算例中的功率波动，对功率分配的低通滤波器的时间常数选择进行了讨论，综合考虑选择了一个折中的时间常数。仿真结果表明采用混合储能系统后系统能够很好的平抑功率的波动，使得变电站输出给电网稳定的功率，同时铅酸储能电池组的深度放电得到了改善，充放电次数在一定程度上得到减少，较为有效地延长了电池的使用寿命。
[0075]
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。