“锂离子电池—超级电容”混合储能系统的建模与状态估计_王冠.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T R ON I CME A S UR EME N TT E CHNO L OG Y第4 6卷 第1期2 0 2 3年1月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 1 0 2 6 6“锂离子电池-超级电容”混合储能系统的建模与状态估计?王 冠1 李相俊2 孙振广1 董立志2 郑岳久1(1.上海理工大学机械工程学院 上海2 0 0 0 9 3;2.中国电力科学研究院有限公司 北京1 0 0 1 9 2)摘 要: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MA T L A B/S i m u l i n k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“E K F-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。关键词:混合储能系统;锂离子电池组;超级电容组;仿真模型;状态估计中图分类号:TM 9 1 2 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:4 6 0.9 9M o d e l i n ga n ds t a t ee s t i m a t i o no f l i t h i u m-i o nb a t t e r y-s u p e r c a p a c i t o r h y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e mW a n gG u a n1 L iX i a n g j u n2 S u nZ h e n g u a n g1 D o n gL i z h i2 Z h e n gY u e j i u1(1.C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS h a n g h a i f o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3,C h i n a;2.C h i n aE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g1 0 0 1 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I nh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m s,s t a t ee s t i m a t i o ni st h eb a s i sf o rp o w e ra l l o c a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g ya d j u s t m e n t a m o n gt h es t o r a g ee l e m e n t s.I no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fs t a t ee s t i m a t i o ne r r o r so nt h es u b s e q u e n te n e r g ym a n a g e m e n t,ah y b r i de n e r g y s t o r a g e s y s t e m l i-i o nb a t t e r y-s u p e r c a p a c i t o r i su s e d f o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n da c c u r a t es t a t ee s t i m a t i o n.F i r s t l y,a f t e ri d e n t i f y i n gt h eb a s i cc o m p o n e n tp a r a m e t e r s,as i m u l a t i o n m o d e lo ft h eh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e mi sb u i l t i nMA T L A B/S i m u l i n ke n v i r o n m e n tb a s e do nt h ep h y s i c a l s t r u c t u r eo f t h e c i r c u i tf o r f a s ta n da c c u r a t es i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a le x p e r i m e n t.T h e n,c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t ya n dt h ea c c u r a c yo fe s t i m a t i o n,t h eb a t t e r yp a c ka n dt h es u p e r c a p a c i t o rp a c ka r em o d e l e di nah o l i s t i cf o r m,a n dt h ej o i n te s t i m a t i o no fc h a r g es t a t ea n dh e a l t hs t a t ei sc a r r i e do u tw i t ht h e E K F-t w o-p o i n tm e t h o d.F i n a l l y,t h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ns h o w s t h a t t h ee r r o r so f t h es t a t ee s t i m a t i o na r ew i t h i n5%,i.e.,t h es i m u l a t i o nm o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc a na c c u r a t e l y r e f l e c t t h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h e c o m p o n e n t s a n d t h e a c c u r a c yo f t h e j o i n t s t a t e e s t i m a t i o na l g o r i t h mi sh i g h.K e y w o r d s:h y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e m;l i t h i u m-i o nb a t t e r yp a c k;s u p e r c a p a c i t o rp a c k;s i m u l a t i o nm o d e l;s t a t ee s t i m a t i o n 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 9*基金项目:国家电网公司科技项目(5 4 0 0-2 0 1 9 5 5 4 8 8 A)资助0 引 言 能源危机和环境污染等问题使可再生能源的开发利用和智能电网成为人们关注的焦点1。可再生能源一般具有随机性和波动性,会直接影响到电网的供电稳定性,而当前解决此类问题的主要手段2就是储能技术。储能介质多种多样,主要分为能量型和功率型两类。以铅酸蓄电池、锂离子电池等为代表的能量型储能具有能量密度大、充放电时间长的优点;以超级电容、飞轮储能等为代表的功率型储能具备功率密度大、循环寿命长的优点3-5。由于仅依靠单一储能很难做到同时具备以上所有优点,因此,利用能量型储能和功 率 型 储 能 形 成 的 混 合 储 能 系 统(h y b r i de n e r g y301 第4 6卷电 子 测 量 技 术s t o r a g es y s t e m,HE S S)成为了国内外学者研究的热点,通过二者在功率密度和能量密度上的互补特性,力求满足不同场合的技术需求6。目前,“蓄电池-超级电容”混合储能系统已经成为主要能源存储系统。鉴于锂离子电池的能量密度和综合循环效率比传统铅酸蓄电池更高,且无污染、体积小7,故本文将选择“锂离子电池-超级电容”混合储能系统展开进一步研究。针对HE S S,国内外学者都进行了大量相关工作。文献8 根据蓄电池与超级电容的荷电状态(s t a t eo f c h a r g e,S O C),结合模糊逻辑对超出目标值的功率偏差在两种储能介质之间进行重新分配。文献9 通过将待平抑功率分解为高中低3种频段,并结合S O C反馈来设计混合储能系统的功率分配策略,以减少蓄电池的充放电次数,延长其整体使用寿命。Z h o u等1 0在察觉储能系统出现过充过放情况时,以电池S O C作为反馈信号控制当前时刻的输出策略。文献1 1 为了提高混合储能的使用寿命,将S O C与等效时间常数作为功率分配效果的评判指标,对HE S S的功率分配方法进行调整。综上可知,目前针对混合储能的研究主要都是基于储能元件的S O C来进行适当的功率分配和控制策略,以进一步提高储能系统的使用效果与整体寿命。但在众多文献中都未提及如何获取S O C估计值,或仅依靠安时积分法等基础方法得到。这样得到的S O C估计值大多不准或存在累积误差1 2,都将对下一步控制策略的调整造成一定程度上的影响。因此,本文将针对“锂离子电池-超级 电 容”混 合 储 能 系 统,利 用 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 法(e x t e n d e dK a l m a nf i l t e r,E K F)和S O C-电量增益法(简称“两点法”)结合,实现混合储能高精度的联合状态估计。此外,由于当前储能系统的建模方式较为复杂1 3,并不适合储能电池管理系统进行实时的状态监测。所以,选择适当的建模方式也在本文的研究范围之内。最后经过仿真和实验结果表明,本文所搭建的仿真模型能够描述混合储能电池特性,准确模拟实物实验;且后续状态估计误差也都在5%以内,验证了模型和算法的精确性。1 混合储能参数辨识与建模 本文所研究的混合储能部件主要为三元锂电池(I N R-1 8 6 5 0-P 2 6 A)、超级电容(M a x w e l l-B C A P 3 0 0 0),其基本性能参数如表1所示。HE S S的工作特性由其组成部件的性能参数决定。表1 储能系统主要元件基本性能参数性能储能元件三元锂电池超级电容额定容量/A h2.6额定电容/F30 0 0标称电压/V3.62.7工作电压/V2.54.21.3 02.8 5标准充放电电流/A2.61 0 0最大放电电流/A3 519 0 0标称内阻/21 0-22.91 0-4工作温度/-4 06 0-4 06 51.1 锂离子电池与超级电容的参数辨识 1)锂离子电池参数辨识随着充放电循环的进行,锂离子电池逐渐老化,性能逐渐降低,相关模型参数都会发生变化,所以为了使后续状态估计仍能保持一定精度,需要对不同老化程度的电池参数进行辨识。本文所用到的是5节型号相同但衰减程度不同的三元锂电池,其中,老化循环实验和电池容量测试都是依据厂家建议的方式在2 5恒温温箱内进行。具体实验步骤如图1所示。其中,标准容量测试是指采