锂离子电池储能的技术特征与风光互补锂电路灯系统应用及其管控

1 问题的提出
如今新能源尤其是风力、光伏发电的比重将快速增加，对其利用效率和可靠接入方式提出了更高要求。但由于风电、太阳能在转化为电能时存在间歇和不可控的特性，导致其大规模接入会给电网的调度带来很大困难，同时影响电网的安全稳定。而储能技术的引入在相当程度上可改善新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网，提高其经济效益。其储能系统对于电网的意义在于：一方面可保障大型太阳能、风能等新能源发电大量接入与充分利用，同时可提高输配电设备的利用率，提高电网安全袼度，提高智能电网互动水平。
可见储能技术及储能系统的未来战略地位及其广阔的市场显得愈来愈重要，尤其是储能电池换为锂离子电池在这一领域应用是解决实际问题的一种有效途径。而伴随的风光互补锂电路灯系统的技术应用与监管已成为制造厂商与设计人员十分关注的重要课题。
为此本文将对储能电池换为锂离子电池的技术特征和在风光互补锂电路灯系统应用及其管控作分析研讨。
2 锂离子电池的技术特征
锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。之所以锂离子电池均是风光发电储能系统与专用智能型风光互补控制器的核心部件，取决于它具备传统铅酸蓄电池所没有的特征。众所周知，传统太阳能路灯的蓄电池主要采用铅酸蓄电池。该铅酸蓄电池在生产过程中和使用后的旧电池中的酸液和铅、铬等重金属，对人体、自然环境具有长期的破坏。尤其是旧的铅酸蓄电池随意抛弃的现象比较普遍，回收率较低。如今采用新型环保、大容量锂离子蓄电池是不失为一种有效选择。
锂离子电池是新型绿色环保蓄电池，主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电时，锂离子从负极释放出进入正极，充电时，锂离子从正极释放进入负极。与其他蓄电池相比，锂离子电池的主要优点是储能密度高(300~400kWh/m3，130kWh/t)，储能效率高（接近100%）和使用寿命长（每次放电不超过储能的80%时可充3000次）。其锂离子储能电池的优越性基本上可归纳为：比能量大（每公斤可达165WH，是铅酸电池、氢-镍电池的3倍）；体积小（比氢-镍电池小30%）；质量轻（比传统电池轻70%）；循环寿命长（循环次数在2000次以上）；自放电率低（每月自放仅为3%）；无记忆效应（充电放电深度，不影响电池的容量及寿命）；无毒、无污染（电池材料不存在有毒物质）。
锂离子电池按正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸亚铁锂等。如典型的太阳能路灯风光互补锂电池为磷酸锂铁电池(12V110Ah)其参数为： 标称电压12.8V，标称容量(0.5C) 110Ah，模块尺寸(L*W*H)，260*158*245，模块重量15kg，最大持续电流50A，截止电压10V，充电上限电压14.6V，标准充电大于2.5小时，直流内阻8m欧，防水防尘。又可根据需求配电池保护板，可串并联使用。
3 锂电池在风光发电储能系统中的应用
3.1风光发电站储能系统架构
储能系统在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷”等几大功能应用。比如：削峰填谷，改善电网运行曲线。其储能系统是在电站中的应用典型。据此储能电站就像一个储电银行，可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，这样就减少了电能的浪费；此外储能电站还能减少线损，增加线路和设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量。而储能电站的绿色优势则主要体现在：科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少资源消耗等方面。哪末风光发电站储能系统架构是怎样的呐？值此以光伏并网发电站储能系统方案为例作说明。
在本方案中，储能系统主要配合光伏并网发电应用，因此，整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统(BMS)、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。图1为光伏发电站储能系统架构图。
从图1所知，光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对锂电池组充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；智能控制器根据日照强度及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；并网逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的380V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。锂电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。
3.2 储能子系统的构建
当今储能子系统采用模块化组件储能系统方案，其构建见图2所示。
考虑兼顾分布式储能与规模并网的应用，储能系统宜采用模块化组件搭建方式，主要包含电池组（模块）、电池管理系统(BMS)、双向储能变流器DC/AC与大功率PCS拓扑（Pole Changing Switch-换极开关）、监控（主机）保护系统四层构架。该模块化组件储能系统主要用于平抑太阳能光伏发电／风力发电的波动，改善电网对新能源的吸纳能力，同时兼有部分对电网谷电储能峰值供电作用。
储能电池组电池选用依据：它作为配合光伏发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储能电站，储能电池是非常重要的一个部件，必须满足以下要求：容易实现多方式组合，满足较高的工作电压和较大工作电流；电池容量和性能的可检测和可诊断，使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制；高安全性、可靠性：在正常使用情况下，电池正常使用寿命不低于15年；在极限情况下，即使发生故障也在受控范围，不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障；具有良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力；较高的充放电转换效率；易于安装和维护；具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；符合环境保护的要求，在电池生产、使用、回收过程中不产生对环境的破坏和污染。
电池管理系统(BMS)的要求：在储能电站中，储能电池往往由几十串甚至几百串以上的电池组构成。由于电池在生产过程和使用过程中，会造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。这种差异表现为电池组充满或放完时串联电芯之间的电压不相同，或能量的不相同。这种情况会导致部分过充，而在放电过程中电压过低的电芯有可能被过放，从而使电池组的离散性明显增加，使用时更容易发生过充和过放现象，整体容量急剧下降，整个电池组表现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量，最终导致电池组提前失效。因此，对于磷酸铁锂电池电池组而言，均衡保护电路是必须的。当然，锂电池的电池管理系统不仅仅是电池的均衡保护，还有更多的要求以保证锂电池储能系统稳定可靠的运行。
大功率PCS拓扑实现：应符合大容量电池组电压等级和功率等级，结构简单、可靠稳定，功率损耗低，能够灵活进行整流逆变双向切换运行。随着新型电池技术的出现、功率器件和拓扑技术的发展，采用DC/DC DC/AC两级变换结构，通过DC/DC先将电池组输出升压，再通过DC/AC逆变。适合大功率电池应用的DC/DC变换器拓扑主要采用非隔离型双向Buck/Boost电路，多模块交错并联实现扩容；DC/AC部分主要包括多重化、多电平、交错并联等大功率变流技术，以降低并网谐波，简化并网接口。若对较高电压等级(5kV~6kV)的电池组的PCS系统一般采用多电平技术，功率管采用IGCT或IGBT串联。之于储能变流器的实现，可用IGBT为代表的现代电力电子器件技术和以DSP、FPGA为代表的现代数字控制技术，以快速推动在中压、低压应用时日臻成熟完善。
当今基本的电力电子变流拓扑结构已经非常成熟。其储能变流器与风电变流器、光伏逆变器属于电力电子同源技术，拓扑及控制方式可以相互借鉴移植。