充電站電力系統儲能技術研究與應用分析

中電建西南電力銷售有限公司 朱建林

1 引言

近年來，隨著電動汽車的普及，充電站建設已經成為推廣電動汽車的重要基礎設施之一。由于電力系統具有不穩定性和不可預見性，充電站的電力質量和供電可靠性問題一直困擾著電力工程師和運營商，儲能技術作為一種有效的解決方案，已經被廣泛應用于充電站電力系統中，可以提高電力質量和供電可靠性。本文提出基于動態規劃算法的控制策略模型，并采用Matlab/Simulink 軟件進行仿真驗證，分析試驗數據，對模型輸出結果與實際運行數據進行對比，有效驗證了儲能系統設計和控制策略的可行性和有效性，有助于提高充電站的電力質量和供電可靠性。

2 儲能技術在充電站中的應用現狀分析

隨著新能源汽車的不斷普及，充電站作為其主要充電設施之一，需要具備高效、可靠、穩定的電力供應能力，儲能技術作為一種重要的電力補償手段，被廣泛應用于充電站的電力系統中。常見的儲能技術包括電池、超級電容等，鋰離子電池是目前應用較為廣泛的儲能技術，其性能優異，能夠滿足充電站對于高能量密度、長壽命、高充放電效率、高安全性等方面的要求，超級電容作為一種新型的儲能技術，具有充放電速度快、壽命長、耐高溫、環保等優點，但容量相對較小[1]。此外，還有氫燃料電池等儲能技術也逐漸得到應用。儲能技術在充電站中的應用現狀已經相對成熟，不僅能夠提高充電站電力系統的運行效率，同時也能夠降低對電力網絡的沖擊，實現智能、高效、可持續的能源利用。

3 充電站電力系統儲能技術運行與控制

3.1 儲能系統的運行特點與要求

儲能系統是充電站電力系統中的重要組成部分，其運行特點和要求對于充電站的整體運行質量和穩定性具有重要影響。儲能系統能夠快速響應負載的變化，提供穩定的電力供應，滿足充電站電力需求以及高能量密度的儲能需求，保證充電站的長時間穩定運行、充電和放電效率要高，提高電能的利用效率，對儲能系統的安全性能也較高，能夠有效防止火災、爆炸等安全事故的發生[2]。儲能系統必須采用適當的技術和控制策略，例如通過合理的儲能容量設計和控制方式以及安全保護措施等，確保儲能系統能夠穩定運行并且安全可靠。

3.2 基于動態規劃算法的控制策略

在充電站電力系統中，儲能系統的運行控制策略對其穩定性和經濟性有著至關重要的作用，基于動態規劃算法的控制策略被廣泛應用于儲能系統的運行控制中，能夠有效地實現儲能系統的最優控制，達到經濟、穩定和環保等目標。動態規劃算法的基本思想是將原問題劃分成多個子問題，通過求解子問題的最優解求得原問題的最優解。在儲能系統的運行控制中，動態規劃算法可被用于確定最優的儲能容量、充電/ 放電功率和充電/ 放電時間等運行參數。首先，確定儲能系統的狀態空間，包括儲能容量、當前電池狀態和時間等因素；然后，定義系統的效用函數，即儲能系統的運行目標，例如最小化電能成本、最大化電池壽命等；最后，通過求解函數值，即每個狀態下的最優效用值，得到儲能系統的最優運行策略。

3.3 儲能系統的運行模式與參數調節

儲能系統的運行模式和參數調節對于充電站電力系統的運行穩定性和經濟性具有重要的作用。儲能系統的運行模式具體有以下幾種。

一是峰谷電價運營模式：根據電力市場的峰谷電價差異，將低谷時段的電能儲存起來，高峰時段進行放電，可以降低電費。該模式需要對儲能系統進行精細化的功率調度，最大限度地降低能量成本。

二是需求響應模式：根據電網負荷的實時變化，對儲能系統進行放電或充電，實現對電網負荷的有效調節。該模式需要對儲能系統的響應速度和功率調節精度進行優化。

三是容量平衡控制：針對電池組內部電池的不同壽命和偏差，對電池組進行容量均衡，延長整個電池組的使用壽命。

4 試驗與仿真驗證

4.1 試驗設計與測試方案

在本研究中，采用試驗和仿真的方法對某充電站電力系統中的儲能技術進行驗證和評價,具體的試驗設計與測試方案如下。

4.1.1 試驗設計

試驗對象：選取一臺儲能系統，包括儲能裝置、控制系統和電力系統等，作為試驗對象。

試驗環境：建立一個與實際充電站電力系統類似的試驗環境，包括充電樁、儲能系統、電力負載、電網接口等。

試驗步驟：對儲能系統進行初始化設置，包括儲能容量、放電功率、充電功率等參數的設置。運行儲能系統，通過監測儲能系統的電壓、電流、功率等參數，記錄儲能系統的運行狀態。對充電樁進行測試，記錄其輸出電流、電壓和充電功率等參數。在試驗過程中，對電力系統的負載進行調整，觀察儲能系統在不同負載下的運行情況。對儲能系統進行故障模擬，觀察系統的故障處理能力。

4.1.2 測試方案

一是穩態測試：在穩定狀態下，記錄儲能系統的輸出功率、電壓和電流等參數。二是動態測試：通過對電力系統的負載進行調整，觀察儲能系統在負載變化時的響應能力。三是故障測試：模擬儲能系統的故障情況，觀察系統的故障處理能力。四是數據分析：根據試驗數據，對儲能系統的性能進行分析和評價，并與仿真結果進行對比分析，進一步驗證儲能系統的可靠性和穩定性。

4.2 試驗結果分析與評價

在進行試驗測試后對數據進行了統計分析，具體見表1。

表1 試驗測試數據統計表

通過數據分析可以發現，在正常情況下，充電/放電功率、電流和電壓的變化對SOC 的影響較小，但當SOC 超過安全范圍時，儲能系統會啟動過充保護或過放保護，導致充電/放電功率和電流的變化較大，同時降低了儲能系統的效率。

在實際運行中應該根據系統實際情況進行合理的參數設置，保證儲能系統的安全和高效運行。此外，在試驗過程中發現故障狀態會對儲能系統的性能產生影響，當系統處于過充或過放保護狀態時，系統容易發生故障，導致儲能系統失效。因此，在設計儲能系統時，應該考慮并采取必要的安全保護措施，避免故障的發生。

4.3 仿真模型建立與驗證

采用Matlab/Simulink 軟件的電力系統仿真模型，包括發電機、變壓器、負載和電池組等。模型的仿真驗證要先設置模型參數，進行模擬運行，并對模擬結果進行分析，包括電網電壓、電池充放電功率等指標，再對仿真結果與實際數據進行對比分析，驗證模型的準確性和可靠性，根據分析結果對模型進行調整和優化，將仿真結果與實際充電站電力系統運行數據進行對比分析。例如，將仿真結果與實際電網電壓、電池充放電功率等指標進行比較，計算誤差值，通過分析誤差值，可以確定模型的準確性和可靠性，并根據需要對模型進行優化，模型參數設置見表2。

表2 模型參數設置

通過表2的參數設置和仿真分析，對充電站電力系統的儲能技術進行進一步研究和優化。通過對模型的輸出結果與實際運行數據進行對比，檢查模型的精度和可靠性。模型的輸出結果包括了電壓、電流、功率等指標。通過與實際運行數據進行對比，驗證了模型的精度和可靠性，模型參數的設置和實際運行數據的對比情況，見表3。

表3 模型參數設置與實際運行數據的對比表

從表3可以看出，模型參數的設置與實際運行數據存在一定的差異，但在允許的范圍內，驗證了模型的精度和可靠性。同時，在仿真結果分析與評價中，還可以對模型參數的設置和實際運行數據進行更加詳細的對比和分析，從而得出更加準確的結論。

4.4 仿真結果分析與評價

針對上述數據進行分析和評價，通過對模型的仿真結果進行對比，可以發現模型與實際運行數據之間存在一定的誤差。這些誤差可能源于模型參數設置的不準確，或是由于仿真過程中的一些假設條件與實際情況的差異造成。針對這些誤差，可以通過進一步優化模型參數和調整仿真條件提高模型的精度和可靠性。

對于儲能系統的功率輸出情況，根據仿真結果可以看出，在不同的充放電模式下，儲能系統的功率輸出情況有所不同。在充電模式下，儲能系統的輸出功率呈現出逐漸降低的趨勢，而在放電模式下，儲能系統的輸出功率則呈現出逐漸增加的趨勢。因此，在不同的充放電模式下，儲能系統的輸出功率是不同的，需要根據實際情況進行合理的調整。

針對電池組的充放電狀態進行分析，根據仿真結果可以看出，在不同的充放電模式下，電池組的充放電狀態也有所不同。在充電模式下，電池組的充電狀態呈現出逐漸升高的趨勢，而在放電模式下，電池組的充電狀態則呈現出逐漸降低的趨勢。因此，在不同的充放電模式下，需要對電池組進行合理的充放電控制，確保電池組的充電狀態始終處于合理的范圍內。

5 結語

本文通過對儲能系統的運行控制策略、運行模式與參數調節、故障處理與安全保護等方面的研究，為實現儲能系統的高效運行提供了理論支持和技術方案。同時，通過對基于動態規劃算法的控制策略和Matlab/Simulink 軟件的電力系統仿真模型的研究，進一步驗證了儲能系統在電力系統中的優越性能。在未來，隨著能源轉型的深入推進，儲能系統將會發揮越來越重要的作用。