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【本刊推荐*研究开发*苏伟等】电化学储能器件恒流与恒功率充放电特性比较

储能科学与技术2021-06-09 13:51:51
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       储能电站在电力系统实际应用中需要接受功率充放电的调度指令,要求储能器件采用kW、MW和kW·h、MW·h等作为功率和能量度量来衡量器件性能,常用的安时容量难以与电网实际应用相匹配。因此,目前广泛采用的恒流恒压充电-恒流放电测试方法并不符合储能器件在电网中的实际运行工况,该测试模式下所得到的容量、能量、能量效率、寿命等性能参数,并不能反映功率运行工况下的实际性能,沿用常规的安时容量将对储能电站的设计、试验、运行造成混乱,不利于电化学储能在电力系统中的工程实践和推广应用。因此,掌握电化学储能器件在功率运行条件下的特性具有重要意义。

       目前对电化学储能系统的功率运行工况研究,一部分侧重于针对削峰填谷等应用的电池储能系统优化策略研究或含储能系统等功率负载的系统行为分析;另一部分则是侧重于铅酸蓄电池、液流电池等某一种电化学储能器件的自身特性分析,功率条件测试只是作为单方面的测试结果。因此,当前的研究一方面缺乏各类电化学储能器件功率运行条件下的行为特点,尤其是与传统恒流恒压测试条件下的性能差异研究,另一方面缺少不同类型电化学储能器件在功率运行条件下的横向对比。

       在前期工作的基础上,本文选取超级电容器、阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池3种典型电化学储能器件作为研究对象,分别采用恒流恒压和恒功率充放电方法进行测试,通过分析比较充放电曲线、容量、能量、效率等关键参数,系统地研究了不同类型电化学储能器件在功率测试和传统恒流恒压测试条件下的性能特点及差异,探究了功率测试方法对各类储能器件性能的影响,总结出可量化的指标对比,为电化学储能技术的研究和应用提供了参考和建议。

创新点及解决的问题

       本工作选取商用超级电容器、阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池进行了不同倍率下的恒流和恒功率充放电测试,并对其充放电曲线、容量、能量、效率等性能参数进行分析比较,结果发现3种储能器件表现出不同的特性。超级电容器倍率性能优越,能量效率高,两种模式下性能大致相同,功率条件下能量效率较高,在特定倍率下达到峰值;铅酸蓄电池倍率性能较差,能量效率相对较低,应尽量避免其超过6 h率大电流/功率充放电,实际应用过程中需对其功率条件下的相关参数进行校准;磷酸铁锂电池兼具能量密度高和倍率性能好的优点,两种模式下性能相近,表现出良好的综合性能。

重点内容导读

1  电化学储能器件测试

1.1  测试对象

1.2  测试过程

1.2.1  参数定义

1.2.2  测试仪器

1.2.3  恒流充放电测试

1.2.4  恒功率充放电测试

2  实验结果与讨论

2.1  超级电容器

(a)

(d)

图1  不同倍率下的(a)充放电容量图;(b)充放电曲线图;(c)充放电能量图;(d)效率图


2.2  阀控式铅酸蓄电池

(a)

图2  不同倍率下的(a)充放电容量图;(b)充放电曲线图;(c)充放电能量图;(d)效率图

2.3  磷酸铁锂电池

图3  不同倍率下的(a)充放电容量图;(b)充放电曲线图;(c)充放电能量图;(d)效率图

结论

       电化学储能技术配置灵活性高、响应速度快、限制因素少,是未来电网的重要组成部分。掌握电化学储能器件在实际应用工况下的功能特性对储能技术的推广应用尤为重要,这就要求采用电力系统更常用的功率模式来替代传统的恒流恒压模式来衡量储能器件性能。

       本文通过对超级电容器、阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池3种典型电化学储能器件进行不同倍率的恒流和恒功率充、放电测试,探讨了储能器件在两种模式下的工作特性及性能差异。超级电容器倍率性能优越(能量保持率>95%),能量效率高(>93%),两种模式下性能相近,容量、能量、充放电时间误差均在4%以内。随着倍率的增大,充放电容量和能量均逐渐减小,能量效率则先增后减,在特定倍率下达到峰值,建议选择合适的功率以保证各项性能的权衡。铅酸蓄电池倍率性能较差(能量保持率<65%),能量效率相对较低(<90%),恒功率条件下性能下降严重,同倍率下容量、能量下降超过40%,厂家提供的小时率充放电功率存在较大偏差(大倍率下>50%),实际应用一方面需对其功率条件下的容量、能量和充放电时间进行校准,另一方面需避免6 h率以上大功率充放电。磷酸铁锂电池兼具能量密度高、倍率性能好、能量效率高(>91%)的优点,两种模式下的放电容量、能量和效率都随倍率增大而缓慢下降(保持率>90%),两种模式下容量、能量等关键性能差异均在6%以内,表现出良好的综合性能。

引用本文

王 超,郭继鹏,钟国彬,徐凯琪,苏 伟,项宏发. 电化学储能器件恒流与恒功率充放电特性比较[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(6): 1313-1320.

WANG Chao, GUO Jipeng, ZHONG Guobin, XU Kaiqi, SU Wei, XIANG Hongfa. Comparisons on the characteristics of electrochemical energy storage devices with the constant current testing and constant power testing[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(6): 1313-1320.  

扩展阅读

1 柔性电化学储能器件研究进展

2 全钒液流电池的柔性充放电控制

3 碳纳米管在柔性储能器件中的应用进展

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