电池储能系统的分析介绍，

现今用于电力系统储能的蓄电池，是铅酸电池、液流电池、钠硫（NaS）电池和动力锂电池。

1）铅酸电池。技术成熟，成本也低。但传统铅酸电池寿命较短，为提高其充放电循环使用寿命，近年来研制的长循环寿命阀控式铅酸电池，改进极板工艺和充放电使用条件，仅在70%～80%放电容量后，再监控恒流、恒压充电，循环寿命也可达3000次以上，放电效率可高达87%。

2）液流电池。又称为液流氧化还原电池（Flow Redox Cell或Redox Flow Cell），是1974年才研制的一种新电池。具有较高的比能密度、较高的效率、较长的寿命，安全、可靠、成本也不很高，是一种极有发展前途的新型电池。英国国防部正在试验将多硫化钠/液流蓄电池系统作为潜艇主电源。与潜艇现在的铅酸电池相比较成本也不高，维护要求低，充电状态容易控制，充电时没有酸雾，寿命长。英国2002年已有120MW·h，最大输出功率15MW的液流蓄电池站投入示范运行。美国2004年也兴建了世界上第二座120MW·h/12MW的液流电池站，耗资2500万美元，用于密西西比州哥伦比亚空军基地提供非正常时期24h电力供应。丹麦也在沿海风电站兴建类似的蓄电池储能系统。日本在北海道30MW风电场使用全钒液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）也兴建了4MW/1.5h（6MW·h）的全世界最大的全钒液流电池储能系统。

3）钠硫（NaS）电池。具有较高的储能效率（约89%），有很强的输出脉冲功率的能力，这一特性使钠硫电池可以同时用于电能质量调节（功率、电压短时大幅度波动补偿）和日、夜间负荷削峰填谷调节两种目的，从而提高电站整体设备的经济性。在日本，目前采用钠硫电池的储能示范工程已有30多处，用于8h的日负荷峰谷调节。英国一个15MW/120MW·h的钠流电池储能电站也将建成。

4）动力锂电池。与铅酸电池，液流电池、钠硫电池相比较，动力锂电池优点是储能密度高（300～400kW·h/m³）储能效率高（接近100%），使用寿命长（每次放电不超过额定储能量的80%时，循环充放电寿命也可达到3000～4000次以上），但至今价格太贵。尽管在近几年内锂电池已经占有小型移动设备电源市场份额的50%，但大容量锂电池，生产成本仍很高，现在用作电力系统储能电站，经济上还不占优势，尚无电力系统的工程应用实例。

图3-58是一个含有风电（功率P_W）、光伏电站（功率P_Li）和主发电机（功率P_G）的电力系统，设置了额定功率为P_B（kW）的蓄电池，在系统实时的发电能力（P_G+P_W+P_Li）小于实时负荷（P₁+P₂+P₃）（例如白天高峰负荷时）时，令储能系统的变流器作逆变器运行将电池放电的功率P_B逆变后向电网发送交流电P_B=V_BI_B。在系统的发电能力（图中P_G+P_V+P_L）大于实时负荷（P₁+P₂+P₃）（例如在夜间）时，令储能系统中的变流器作整流器运行，将电网多余的电能经整流后给图中电池充电（图3-58中I_B、P_B反向）。储能系统在夜间负荷低谷期电价较低时从电网买电储能，在日间负荷高峰期向电网送电，高价向电网卖电，靠电价时差在不满十年时间里所获得收益就可能收回储能电站的投资。而电力系统由于储能电站能快速的实现功率的双向流动和控制，满足了电力系统功率的动态平衡要求，确保了负载突变和/或风电、光伏发电功率突变时，或主发电机G故障时电力系统的功率平衡和动态稳定，储能系统在电力系统一天24h中的削峰填谷功能又可减小主发电机组G的总装机容量。

图3-60a给出了由三相桥变流器构成的电池储能系统，图3-60b～d分别为忽略电阻R时的基波电压、电流等效电路和相量图，图中V_B、I_B为电池电压和输出电流，V₂为电网相电压。图中电池储能变流器输出基波电压，X=ωL₁，L为等效电感（变压器漏感和输出滤波电感），C为滤波及补偿电容。取d轴在电网电压方向上，q轴超前d轴90°，的d轴分量V_2d=V₂，q轴分量V_2q=0，i_d为与同方向的有功电流（i_p），i_q为与正交的无功电流，由式（2-63）、式（2-64）的d、q轴分量为

由式（2-90），变流器向电网输出的有功功率

变流器向电网输出的感性无功功率

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图3-58 再生能源发电站、电池储能电站联合运行

图3-59 变流器低压穿越电压特性

图3-60e给出了一种基于d、q坐标系电压方程式（3-85A）、式（3-85B）的控制系统原理框图。储能电站变流器应能实现以下功能：

1）电池放电、变流器在电网给定的有功和无功输出指令P∗、Q∗下逆变运行（见图3_-60c）。在图3-60e中，检测电网电压V₂，由功率指令P∗、Q∗得到有功、无功电流指令i_d∗、i_q∗（图3-60a中若C为无功补偿电容，指令电流i_q中应考虑i_c）再与实测值i_d、i_q比较（由实测值i_A、i_B、i_C经A、B、C/d、q变换得到i_d、i_q）后，送至i_d、i_q电流调节器，其输出取作Ldi_d/dt、Ldi_q/dt，再按电压方程式（3-85A）、式（3-85B）与V₂、-ωLi_q、+ωLi_d合成，得到变流器输出电压的指令值V₁∗_d、V₁∗_q，再经V₁∗、δ∗形成电路得到V₁∗、δ∗，即V₁∗=，δ∗=arctanV₁∗_q/V₁∗_d。V₁∗（V₁∗、δ∗）再经参考波形成电路和驱动信号形成电路，产生三相桥6个开关管的驱动信号V_G1、2、3、4、5、6，使变流器输出电压跟着指令值，从而使输出功率P、Q跟踪指令值P∗、Q∗。

图3-60 电池储能系统及控制系统原理图

2）电池充电，变流器在整流工况下运行，从电网输入有功功率P供电池充电。变流器在电池所需的直流充电功率P_B∗下整流运行。这时图3-60a中I_B反向、P反向为负值。电池放电后再次开始充电时，其电压V_BO小于额定值，初始充电按恒流I_BM充电，通过电流I_B调节器闭环控制实现恒流I_B=I_BM充电。在恒流充电过往中，电池电压V_B从V_BO逐渐上升，当V_B达到指令最高充电电压（一般为浮充电压）V_BM时，充电模式改为由V_B电压调节器闭环控制的恒压V_B=V_BM充电。这时V_B=V_BM，而充电电流I_B则从I_BM逐渐减小，直到V_B=V_BM时的电池自放电相平衡的小电流。V_B<V_BM恒流充电时，充电功率指令P_B∗=I_BMV_B；当V_B=V_BM恒压充电时，充电功率指令值P_B∗=V_BMI_B。图3-60e中V_B调节器和I_B调节器的输出是与P_B∗对应的有功电流i_dr、i_di，经恒压、恒流工况选择后输出电池充电所需的变流器电流指令i_d∗₁，再经放电、充电选择电路输出变流器整流运行（电流充电）时的指令电流i_d∗（这时i_d∗为负值），再与电网无功功率指令Q∗所对应的i_q∗，共同形成，产生6个驱动信号，使跟踪，P跟踪P_B∗，Q跟踪Q∗。

3）电网异常或短路故障时，储能系统变流器低压穿越运行。为提高电网运行的可靠性，储能系统中的变流器与风电、光伏电站中的变流器一样，都不应在电网故障、电压深度降低时立即脱网“孤岛”运行，而是希望变流器此时仍接在故障电网中，在电网深度低压V_L下仍坚持并网，变流器应能安全地在异常的低电压下向电网输出一定的无功，支撑电网电压，甚至输出、输入一定的有功功率抑制功率振荡，经历故障低电压运行时段而不受损坏（称为具有低压穿越能力）。图3-59示出了电网故障、电网电压V_L深度降低时，要求变流器具有的低压穿越能力的电压-时间特性，图中纵坐标电压V_L为电网故障低电压相对值（额定电压为1.0），横坐标为时间t，在t=0时电网电压突降为V_L1，从A点（或A_H、A_L点）降到B点，故障后从t=0到T₁期间V_L=V_L1。从C点到D点、在t=T₁到T₂期间，V_L从C点V_L1上升到B点V_L2。图3-58中当变流器并网节点电压V₂（t）处在图3-59中BCDE线段上方区域时，变流器必须并接在电网上在低压继续下运行，故障时仅在电网电压V₂（t）处在图3-51中线段BCDE以下区域的电压-时间点时才允许变流器脱网“孤岛”运行，图3-59中V_HO、V_LO为电网正常最高、最低电压，V_L1为变流器必须承受的电压下限，T₁是变流器必须能承受低压V_L1的时间，T₂是电网回升到V_L2的时间，作为电池储能系统的规范可能要求V_L1=0.2，T₁=1s。T₂=3s，V_L2=0.9或0.8。在实际系统的运行中，V_L1、T₁、T₂、V_L2的确定涉及许多因素，如变流器和所在局部电网配电系统容量、结构、故障保护、故障切除时间、重化闸时间等因素。

4）孤网运行。当电网故障、变流器脱网运行时，变流器应在额定频率f_R和额定指令输出电压V₂∗=V_2R下运行，并对图3-58中的本地负荷供电。这时，图3-60e中，将实测的输出电压V₂与其指令值V₂∗比较后送入V₂调节器，其输出作为变流器脱网运行时对本地负荷供电的电压指令V₂∗_m。脱网或并网工况选择器选择V_2m，产生六个开关管的驱动信号，使变流器在额定电压V_2R、额定f_R下对本地负荷独立供电。当电网恢复正常运行后，首先应使孤网运行的变流器的频率f_R跟踪电网实时频率f₂，并令变流器输出电压从改为实时跟踪电网电压，在变流器频率、电压大小和电压相位与电网电压完全相同时，方可将变流器投入电网，此后即可在电网输出功率指令P∗、Q∗下，电池放电，变流器逆变运行或在电池充电功率P_B对应的有功电流指令下，变流器整流运行，从电网输入有功功率，同时也可按电网无功功率指令Q∗向电网输出无功功率Q=Q∗。

图3-60e控制系统原理框图没有涉及运行参数的限幅、运行工况的保护、监控、告警等相关环节，也没有涉及变流器与电网调度控制中心之间的数据传送与通信，在实际系统运行中，这些都是必不可缺的重要环节。