摘要：近几年，大规模储能技术得到快速发展，大规模电池储能系统相关的理论和技术基础基本成熟，相应的研究和示范在广泛开展，在电力系统调峰调频、跟踪计划、功率平滑已经具备了一定的条件，保证电力系统稳定发展。但是仍然存在着技术上和经济上的诸多问题，例如，储能应用于电力系统调频以提高可再生能源接纳能力上的关于储能平滑控制与容量优化配置的问题，储能电池的经济性问题。所以，研究电池储能系统在电力电子技术中的应用具有一定的理论和工程价值。
关键词：电池储能系统；电力电子技术；应用
引言
随着国家新能源、智能电网越来越受到重视，电池储能系统在电力电子技术中有着广阔的应用前景。电池储能系统具有灵活容量配置和调峰调频的能力，但它的电化学特性在目前阶段制约了易维护和实用化以及电池往大容量的发展方向。所以如何利用电力电子装置作为纽带沟通电力电子和电化学这两个完全不同的体系结构，一方面是电力电网提供如新能源配合、削峰填谷、无功支撑等等功能，另一方面如何保证电池正常使用寿命、不同的串并联方式以及如何高效的适应不同电池类型都是值得探讨的技术问题。
一、储能技术分析
1、抽水蓄能
抽水蓄能的工作原理在电力负荷低峰时，通过抽水将电能转换成势能，在负荷高峰时，将势能转换成电能。在电力系统调峰调频以及作为备用电源使用，是现在技术较为成熟、进入工程应用的储能方法。我国大力支持抽水蓄能电站的建设，目前在建的单机容量最大的抽水蓄能电站是阳蓄电站。建成后，电站规划装机容量240万千瓦，预计每年可节约系统标煤约39.6万吨，可减少温室气体排放量1.28万吨。
2、压缩空气储能
压缩空气储能(CAES)主要用于电网削峰填谷，具体原理是在电网低峰时，将空气压缩储存起来转换为空气的内能；电网负荷高时在将高压空气释放进行发电。目前德国、美国、日本等国家己经建立了压缩空气储能电站。我国在这领域内也在积极发展，目前我国在建的是1.5MW的压缩空气储能示范系统。
3、超级电容器
超级电容器(SC)的基本原理为充电时电极表面处于理想极化状态，电解质溶液中电荷将吸引周围的异性离子，使其连接到电极表层，形成双电荷层，组成了双电层电容。因为电荷层的间距非常小并采用特殊电极结构，比普通电容器高出上万倍的表面积，从而产生极其巨大的电容量。超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、极高的充放电效率的特点使得全球科研机构和企业投入了研发。目前，国外的Maxwell，Econd，Elna等公司，国内合众汇能、集星、奥威等公司均己实现产业化生产。
4、铅酸电池
铅酸电池是由正极活性物质二氧化碳、负极活性物质海绵状金属铅，以及电解质硫酸溶液共同构成。铅酸电池的特点是成本比较低，可以实现大规模生产，因此使用比较广泛，污染比较大，体积也比较庞大。目前已有兆瓦级的铅酸电池投入生产使用。
5、锂离子电池
锂离子电池主要工作原理是利用电池进行充电时正极生成的锂离子经过电解液运动到负极，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，充电容量与嵌入的锂离子正相关。电池进行放电时嵌在负极碳层中的锂离子脱出运动回到正极。放电容量与回到正极的锂离子正相关。锂离子电池具有能量密度高、循环次数多、使用效率高等特点使得锂电池得到快速发展。未来锂电池储能将会得到更飞跃式发展。美国、中国、日本、德国、韩国等都在大力发展锂电池储能技术。2012年，国家风光储输示范工程已建立了兆瓦级锂电池储能电站。
二、能量转换装置（PCS）和电力电子技术
PCS是储能电池和电网之间能量转换、传递的桥梁，储能电池系统通过PCS接入电网。通过对PCS进行控制，调节储能电池使其快速吞吐风电机组的功率输出，可以实现储能系统平滑风电出力波动、削峰填谷等目标。而PCS的拓扑结构直接影响着控制策略的制定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前PCS一般分为两种结构：一种是仅含DC/AC变流器的单级结构，另一种是含DC/DC变流器、DC/AC变流器的双级结构。仅含DC/AC变流器的单级型拓扑结构，DC/AC变流器直流侧直接并联在电池两端，仅通过控制DC/AC变流器即可实现电池充放电状态的转换。双向DC/AC变流器作并网逆变运行时，电池侧直流电经变换器转换为电网侧交流电，电池处于放电状态；双向DC/AC变流器作整流运行时，电网侧交流电经变换器转换为电池侧直流电，电池处于充电状态。单级拓扑的优点是结构简单，控制方便，能量转换率高；缺点是电池组工作电压受到限制，电池储能系统的容量配置不够灵活，交流侧短路直接对直流侧造成冲击，影响电池组的安全稳定运行。与仅含DC/AC变流器的PCS相比，双级结构稍显复杂。电池处于充电状态时，电网侧交流电先通过DC/AC变流器整流为直流电，再经过DC/DC变流器降压为电池电压；电池处于放电状态时，电池电压先经过DC/DC变流器升压再通过DC/AC变流器逆变为电网侧交流电。增加的DC/DC变流器可以升降直流侧电压，使得PCS对电池组的工作电压要求降低，电池组可实现自由组合，储能容量配置比较灵活。DC/DC变流器还能够维持DC/AC变流器的直流侧电压，使能量通过DC/AC变流器双向转换时更加稳定。
电力电子技术包括电力电子应用电路和设备制造技术。电力电子器件的发展经过了三个过程，第一代是半控型阶段，第二代是全控型阶段，第三代是复合型阶段，功率集成电源（PLC）就是将动力、控制、功率器件和保护电路集成在一起，虽然功率不大，但这是一个发展的方向。电力电子技术是以1957年第一个晶闸管的开始诞生为标志，从此，从家用电视、洗衣机、空调到大型厂矿用的内机变频、轧钢机到电力系统用的高压直流、无功补偿等等都是因为半导体开关器件的讯速发展而推动了电力电子装置在这些行业当中的应用，各行各业都可以看到这些电力电子装置的身影。而不管电力电子装置在什么应用场合，都需要下面所示的3个内涵：
电子和元器件（electronics-and-devices）
控制系统(systems-and-control)
电力和能量应用(power-and-energy)
以上的三者关系相互制约同时也是相辅相成，任何一方的需求或者不足都是需要另外两方去满足或者补充。
三、电池储能系统在电力电子技术中的应用问题
电池储能系统装置在电力电子技术的中的应用，电力电子技术对PCS装置提出了全新的挑战和要求，主要的问题体现在以下几个方面：第一，PCS要配合电网实现动态无功支持、孤网供电、调频调峰、移峰填谷、电力系统稳定以及改善电能质量等多种应用功能系统，PCS是需要与电力系统进行频繁实时互动，而不再是一个独立的并网装置系统级设备。第二，电池组内部如果要实现主动均衡才能防止电池在运行过程中差异性扩大，通过电阻电容电感和开关器件实现充放电过程中的能量消耗。第三，为了有效延长电池循环寿命，可以用分组方法结合PCS在直流侧进行多个电池组的独立电压控制，但得以成本和系统复杂度提高及效率降低作为代价。第四，储能电站的黑启动或者计划内孤岛运行则需要工作在电压源模式，而PCS只有在电流源模式状态下才能正常工作，这两种方式的无缝转换和外部电源的配合就是控制上的难点。第五，要求PCS在外部电压大幅波动的情况下跟踪电网频率和相位下的低电压穿越，同时控制有功和无功的稳定输出，这种情况在电压不对称跌落时非常困难。
结束语
总而言之，由于大容量电池储能系统在电力电子技术中应用时间不长，而关键设备在国内外市场上也没有非常成熟的技术路线和产品，因此需要从产品方案设计开始，借鉴光伏逆变器和内机变流器的经验，综合考虑直流电池和交流电网的特殊性，在效率、成本、体积和可靠性的各方面找到平衡点，为将来储能系统在电力电子技术中更好的应用做好准备。
参考文献
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论文作者:王金涛,张瑞
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/2
标签：电池论文; 变流器论文; 储能论文; 电网论文; 电力论文; 系统论文; 电子技术论文; 《电力设备》2017年第11期论文;