锂离子电池/超级电容器混合储能系统能量管理方法综述

锂离子电池/超级电容器混合储能系统因其良好的性能、较低的成本和较强的通用性,已成为应用最为广泛的混合储能系统。能量管理技术是混合储能系统的核心技术之一,也是当前主要的研究热点。为了系统地对混合储能系统能量管理方法进行综述,本文首先对锂离子电池/超级电容器混合储能系统的拓扑结构、能量管理架构以及功率分配控制进行了介绍;而后,本文将现有的混合储能系统能量管理方法分为基于经验、基于优化、基于工况模式识别和基于机器学习5大类并进行了详细的对比分析,重点针对规律性工况与随机性工况讨论了各类能量管理方法的效能,并分析了各类方法的鲁棒性与计算复杂度;最后,本文对现有的能量管理方法进行了总结,并对该领域未来的研究方向和发展趋势进行了展望。综合分析表明,提高对随机性负载未来工况的预测精度、建立更加精准的混合储能系统模型并通过云端协同进一步提升能量管理方法的实时性将是未来混合储能系统能量管理研究的重点。

考虑SOC优化设定的电-氢混合储能系统的运行优化

针对含电-氢混合储能的源网荷储系统,为提高新能源的消纳水平并降低系统运行成本,提出了考虑SOC优化设定的电-氢混合储能系统的运行优化方法,实现系统的日前-实时优化调度。首先提出了大容量储能系统SOC优化设定的方法,以确定储能系统日前的始末SOC优化设定值。随后,基于双延迟深度确定性策略梯度算法,提出了一种日前-实时优化调度模型训练方法。结合储能SOC的优化设定值和日前运行数据,建立了源-网-荷-储系统的实时优化调度模型,实现日前和实时综合优化调度。最后,通过算例分析验证了所提运行优化方法的有效性。结果表明,大容量储能系统的SOC优化设定方法可以有效提高系统收益,日前-实时优化调度模型则在日前优化调度的基础上减少了预测误差带来的影响。

基于MMC的超级电容与蓄电池混合储能系统及其混合同步控制策略

为满足储能系统提供惯量和一次调频支撑功能需要对多类型储能介质集中配置和优化调控的需求,针对基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的新型混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)MMC-HESS,提出了混合同步控制(hybrid synchronous control,HSC)整体策略。MMCHESS采用模块化设计,将超级电容和蓄电池分别安置在高压直流母线侧和子模块内,具备高功率密度和高能量密度的优势。阐述了混合储能系统的拓扑结构和工作原理并采用混合同步控制策略提供系统惯量和一次调频功能及故障限流时的同步能力和孤岛并网切换功能,采用滤波器实现储能功率分配,采用荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制实现蓄电池能量均衡。最后,基于硬件在环实验平台,验证了所提拓扑结构与控制策略的可行性和有效性。实验结果表明:所提混合储能系统及其控制策略具备惯量与频率支撑能力,在故障限流、正常并网、孤岛运行之间可灵活切换,能够有效发挥混合储能的综合优势,在中压配电网中具有良好的应用前景。

基于信息间隙决策理论-分布鲁棒优化的含电-氢-热混合储能综合能源系统需求响应策略

混合储能系统具有储能容量大、调节能力强等优点,有助于提高综合能源系统(integrated energy system,IES)的需求响应能力。首先,构建了一种电-氢-热混合储能系统(electric-hydrogen-thermal hybrid energy storage system,EHT-HESS),其中采用电解槽(electrolytic cell,EC)、蒸气重整反应(steam methane reforming,SMR)装置、储氢、热电联产氢燃料电池(hydrogen fuel cell,HFC)设备,实现电、气向氢能的转换,以及以氢能作为中间模态的“制氢-储氢-放氢/电/热”功能。其次,建立考虑EHT-HESS的IES需求响应策略优化模型,其中考虑IES响应电价和气价,同时根据富余风电量,进行购电、购气、用电、用热、用氢等策略决策的综合需求响应(integrated demand response,IDR)行为;并采用信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)计入概率分布未知的风电严重不确定性,采用基于综合范数的分布鲁棒优化(distributionally robust optimization,DRO)方法计入概率分布不完备的电价严重不确定性。最后,算例验证了模型和方法的合理性及有效性,并表明IES装设热电联产HFC构建EHT-HESS可实现氢能向电能与热能的转换,有助于增加风电消纳量,增加IDR决策的鲁棒性。

微电网的氢-氨混合储能系统容量优化配置研究

随着我国分布式可再生能源装机规模的爆发式增长,对微电网高渗透率可再生能源消纳的需求逐渐提高。为了提高微电网的风光消纳能力,构建含氢氨混合储能系统(hydrogen-ammonia hybrid energy storage system,hydrogen-ammonia HESS)的微电网结构,提出氢氨混合储能系统的容量优化模型,以微电网的综合成本最小为目标函数,以风电消纳率为重要指标,并对氢氨混合储能系统的容量优化模型进行求解。通过算例分析,验证所构建的含氢氨混合储能系统的微电网在经济性和风电消纳两方面,均比仅含氢储能系统或氨储能系统的微电网更加有效。

蓄电池混合储能系统研究

锂离子电池系统成本高昂是阻碍其在电动设备中广泛使用的最大挑战之一。对某船采用的电池混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)进行研究,分析电池混合对成本、系统效率和电池重量等3个关键指标的影响。该HESS的使用寿命设计为10 a,采用镍钴锰酸锂和钛酸锂作为高能(High-Energy,HE)和高功率(High-Power,HP)电池单体。研究表明,与采用HP电池和HE电池的单一型电池储能系统相比,HESS的效率没有下降,成本能分别下降约28%和14%,总重量能减少30%以上。

面向多能互补的分布式光伏与电氢混合储能规划优化研究

在国家3060双碳目标的背景下,碳排放问题被列为重点研究对象,清洁能源因其可再生性和无污染性等特点被大力发展,化石燃料发电被很大程度的替代,但是清洁能源因其波动性和不稳定性也是一直被诟病。该文通过提出氢储能系统结合电池储能系统的电氢混合储能构建区域综合能源系统来对太阳能的不稳定进行消纳调节并实现用户侧的电热氢能源供给,将春夏富足的太阳能资源通过该混合储能系统进行存储并当秋冬光照不足时进行能量释放,从季节性实现对清洁能源消纳的调节作用,该模型以经济性和环保性为研究目标,通过智能算法寻优得到最优解,并通过能量梯级利用、季节性分析、关键影响因素分析等形式体现出混合储能的应用价值和前景。

计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法

针对传统多堆燃料电池的控制方法难以解决系统全功率范围高效运行与暂态电压稳定的问题,提出了一种计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法,分为系统优化分配层与装备协调控制层。在系统优化分配层,提出了一种优化分配与轻载运行策略,以多堆燃料电池系统的效率最优为目标求解全功率映射集合,实现多堆燃料电池功率的优化分配,并避免燃料电池运行于轻载区间;在装备协调控制层,提出了一种燃料电池和电池组暂态功率快速平衡控制与稳态能量互补方法,实现两者之间暂、稳态的能量互补,抑制系统直流母线电压波动,提高系统的运行稳定性。基于Simulink平台进行算例分析,结果验证了所提协调优化控制方法的可行性与正确性。

考虑风-光-储协同的电池储能系统综合评价体系和选型方案研究

针对不同类型电池储能系统的选型规划和充放电功率分配难以协调其技术性、经济性和环境性的问题,提出一种考虑风-光-储协同的电池储能系统综合评价体系,进而对电池储能系统充放电策略进行优化并选型。首先,建立电池储能系统全寿命周期内的效益模型,采用模糊层次分析法对上述电池储能系统的效益模型进行分层分析,将其划分成不同的准则和指标,并计算出其相应的权值;其次,建立风-光-储协同下电池储能系统的充放电功率优化模型,并将上述权值与电池储能系统全寿命周期内的经济性、技术性和环境性相结合,确定目标函数;再次,提出一种灰狼优化算法和莱维飞行策略相结合的混合优化算法,对电池储能系统一天内每小时充放电功率的分配进行优化,并得出电池储能系统的荷电状态曲线;最后,基于新疆某地的气象和负荷数据分析对比5种电池储能系统经济性、环境性和技术性的各项指标,根据算例结果为电池储能系统的综合选型方案和充放电功率分配提出建议,并验证所建模型的可行性和求解算法的优越性。

基于PID的电容混合储能系统功率波动控制仿真

降低混合储能系统的功率波动,可以提高系统运行安全性和稳定性,为此提出一种超级电容混合储能系统功率波动控制方法。建立蓄电池SOC数学模型,分析储能设备在混合储能系统中的充放电功率和SOC状态;通过低通滤波方法确定储能设备在系统中的功率参考值,设计模糊神经PID控制器,在模糊神经PID控制器的控制规则下,根据超级电容和蓄电池的功率参考值实现混合储能系统的功率波动控制。仿真结果表明,采用所提方法对超级电容混合储能系统控制后,系统的功率波动率降低,控制结果较为合理。

用于光伏电站功率平抑的混合储能系统协调控制策略

随着对可再生能源的需求日益增长,我国兴建了众多光伏电站,但光伏发电存在间歇性和波动性,需对其输出功率进行平抑,因此,提出一种混合储能系统协调控制策略。首先,建立飞轮以及锂电池模型,采用变分模态分解方法分解光伏电站输出功率,取得不同储能单元充放电指令,基于不同储能的响应时间,得到不同储能系统容量配置;其次,结合锂离子电池历史运行数据,构建锂离子电池寿命模型,以延长锂离子电池寿命为目标,采用粒子群滤波算法,提出一种混合储能系统协调控制策略;最后,通过某额定装机容量15 MW的光伏电站历史运行数据,仿真验证了本文所提混合储能系统控制策略的有效性。

考虑需求侧响应的电-氢混合储能系统选址定容

随着分布式电源(distributed generation,DG)在配网接入比例的提高,配网的稳定性受到了剧烈的影响。传统的配电网管理模式很难对多种资源进行协调,因此主动配电网模式逐渐成为电网运营主流。为减小DG接入对主动配电网稳定性的影响,该文建立考虑需求侧响应的电–氢混合(electricity hydrogen hybrid,EHH)储能系统(energy storage system,ESS)双层模型。上层模型以考虑需求侧响应后的最小净负荷波动、最大用户购电成本满意度与用电舒适度为目标,基于电量电价弹性矩阵模型得出最佳分时电价制定策略。下层模型基于上层模型求解出的分时电价策略,以最小EHH-ESS的全生命周期成本(life cycle cost,LCC)、主动配电网电压波动与考虑需求侧响应且接入EHH-ESS后的净负荷波动为目标,通过对EHH-ESS进行最优规划实现其投资经济性、主动配电网负荷稳定性与电压质量的最佳权衡。最后通过扩展的IEEE-33节点验证了该文所提模型的有效性及所采用方法的优越性。同时,通过不同的运营场景对主动配电网的稳定性与EHH-ESS的经济性进行分析,基于NSGA-III算法得到的仿真结果表明:与仅配置EHH-ESS相比,考虑需求侧响应并配置EHH-ESS后,虽然LCC提高了5.16%,但净负荷波动与电压波动分别降低了6.56%与13.33%,验证了在考虑需求侧响应的情况下配置EHH-ESS可最大幅度改善主动配电网的稳定性。

基于多目标人工蜂鸟算法的电-氢混合储能系统最优配置

将氢气储能系统与电池储能系统相互结合,可实现长期且快速的能量吞吐并减小分布式电源渗透率提高对配电网稳定性的影响。综合考虑电-氢混和储能系统接入配电网的经济性和技术性要求,以最小化系统全生命周期成本、配电网的电压波动和净负荷波动为目标,建立了电-氢混和储能系统多目标优化配置模型。采用基于Pareto的多目标人工蜂鸟算法求解其规划方案,并与多目标粒子群算法以及多目标原子轨道搜索进行了对比。最后,基于扩展的IEEE-69节点标准测试系统进行求解。仿真结果表明:多目标人工蜂鸟算法能够获得解集质量更加优异的Pareto前沿。所得混合储能系统配置方案在兼顾经济效益的同时,改善了配电网的电压质量和负荷水平。与仅配置电池储能系统相比,电-氢混合储能系统对配电网净负荷波动与电压波动的改善分别提高了21.02%与16.66%,证明了本文所提优化配置方法的有效性和卓越性。

新能源发电系统中混合储能系统电路建模及其控制技术

该文主要探究新能源发电系统中混合储能系统的组成架构,以及蓄电池SOC的估算方法与控制策略。混合储能系统主要由超级电容和蓄电池两个储能单元,以及双向DC/AC变换器组成,可以保证风电和光电的功率稳定输出,提高新能源并网的安全性。通过建立二阶蓄电池模型,提出一种基于卡尔曼滤波的蓄电池SOC估算方法和控制策略,并使用Matlab软件构建混合储能系统的仿真模型,对该控制策略进行验证。结果表明,在蓄电池SOC估算与控制策略下,蓄电池的实际SOC值能始终处于设定的安全阈值内,能够保证蓄电池的正常运行,延长蓄电池的寿命。

混合储能系统拓扑及其多模式综合协调控制

在分布式发电系统中,储能系统要同时具备高功率密度和高能量密度的特点,单种储能元件往往难以达到这个要求,蓄电池与超级电容在性能上具有很强的互补性。此处将蓄电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上构成混合储能系统(HESS),蓄电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容迅速提供负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的冲击。分析了负载功率高频分量的检测方法,建立了双向半桥变换器的数学模型和4种模式下的控制策略。利用DSP实现储能系统的综合控制,通过仿真和实验验证了系统控制策略的有效性。

“锂离子电池—超级电容”混合储能系统的建模与状态估计

在混合储能系统中,状态估计是进行各储能元件间功率分配和控制策略调整的基础。为减小状态估计误差对后续能量管理的影响,以“锂离子电池-超级电容”混合储能系统为研究对象,进行建模仿真和精确状态估计。首先在辨识基本元件参数后,基于电路的物理结构,在MATLAB/Simulink环境中搭建了混合储能系统仿真模型,用于快速准确的模拟实物实验。然后综合复杂度和估计精度考虑,重新选择以整体形式的理念建立了电池组和超级电容组模型,用于配合“EKF-两点法”进行荷电状态与健康状态的联合估计。最后,经实验验证表明,状态估计误差都在5%以内,即建立的仿真模型能够准确反映元件运行特性且联合状态估计算法精度较高。

数字轨道胶轮电车氢燃料电池混合动力系统设计与运用

为响应双碳目标和市场需求,中车浦镇公司自主研发了氢能数字轨道胶轮电车(简称数轨车辆)平台,并首次将氢燃料电池混合动力系统应用于数轨车辆。氢燃料电池混合动力系统是关键核心新技术之一,文章基于数轨车辆的牵引性能、续航里程及平均功率等关键指标,提出了氢动力系统和储能系统的选型原则,确定了满足实际运行需求的系统参数匹配与选型方案,并优化了基于主动跟随的改进型功率跟随算法,确保车辆在运行过程中,氢燃料电池系统处于高效率区间运行。试验结果表明,按照文中所提能量管理方法,数轨车辆的平均氢耗量约为20 kg/102 km,每车每年减少碳排放约125600 kg,充分证明了氢燃料电池混合动力系统在数轨车辆领域应用的可行性,为其他制式车辆的应用提供指导。

直流微网蓄电池-SMES混合储能系统容量配置方法

配置混合储能系统(HESS)可以有效减轻光伏发电输出功率波动性对直流微网的安全可靠运行带来的不利影响。为了更好地利用超导磁储能(SMES)响应速度快、功率密度高、效率高、可以无损储存电能等优点,基于与蓄电池组合而成的HESS的互补特性提出了以提高HESS经济性为目标的能量管理策略。对蓄电池-SMES HESS建立系统全生命周期成本(LCC)模型及其约束条件。对HESS进行容量优化配置可以有效降低系统成本,在满足系统功率要求的前提下,将最小LCC作为目标函数,通过引入加速因子的粒子群算法对系统容量进行配置,并结合算例建立微网模型,验证所提容量配置策略的有效性。

氢燃料电池有轨电车混合供电系统设计

本文结合实际分析了氢燃料电池有轨电车对供电系统的要求。根据有轨电车在不同工况下的功率需求,氢燃料电池的工作特性以及锂电池、超级电容器的储能特性,设计了一种由氢燃料电池、锂电池及超级电容器组成的混合供电系统。本文对该供电系统的具体电路进行了设计,以实际有轨电车功率需求为基础,确定了各供电单元的主要技术参数,同时设计了该混合供电系统中每个供电单元的具体运行模式、控制策略以及保护措施,满足了氢燃料电池有轨电车供电系统的技术要求。

大功率氢燃料电池混合动力机车电气系统设计

文章介绍了一款面向重载铁路研制的大功率氢燃料电池混合动力机车,机车由氢燃料电池和锂电池混合供电,可满足长编组、大载重、小运转等工况的机车作业需求,具有绿色节能的特性;重点对机车电气系统进行了分析说明,详细阐述了主传动系统的构成、中间直流电压的选择、主要器件的选型,以及辅助系统、控制系统和关键子系统的设计。