重力储能直流环节电池多模式控制方法-【浩博电池】

浩博电池网讯：风能、太阳能等新能源发电方式具有较强的间歇性和不稳定性，是新型电力系统的主要面临的问题之一。利用储能技术能够实现能量在时间和（或）空间上的转移，提高电力系统的效率和稳定性，是当前研究人员与工程技术人员关注的重点领域之一。采用重物提升方式的重力储能技术，其储能介质主要为质量较大的重物，通过高度落差产生的重力势能变化实现能量的存储和释放。重物重力储能方法无化学原料泄露和污染环境的风险，具有储存容量扩充容易、选址方便、充放电次数不受限制、储能稳定性高、自放电率低等优势，近期开始受到重视。

《中国电力》2024年第7期刊发了韩嘉言等撰写的《重力储能直流环节电池多模式控制方法》一文。文章选择以重力储能为研究对象，建立不稳定外部输入的复合重力储能模型，重点研究输入功率波动条件下的电池储能单元与重力储能单元间的协调运行问题，提出一种电池多模式控制策略。在满足母线电压基本稳定的要求下，提高重力储能系统的动态性能。

重力储能是重要的储能方式之一，具有独特的短时暂态动力学特征，需要构建合理的系统结构和控制方法。提出了一种面向重力储能直流环节的多模式控制方法，从暂态能量控制角度，通过对重力储能系统的动力学分析和约束条件的划分，实现电池储能和重力储能的功率匹配。仿真验证表明，该控制方法能够在输入功率波动的情况下显著降低直流环节的电压抬升，合理分配重力储能系统内部的功率，提升重力储能系统的整体性能。

01 重力储能方式的特征

1.1 重力储能的整体架构

重力储能需要通过电力拖动系统实现机电能量转换，典型结构由外部局域电网、新能源发电装置、电力拖动装置、电池储能装置连接构成，系统结构如图1所示。

图1 重力储能系统一般结构

Fig.1 General structure of gravity energy storage system

重力储能机械储能的核心是四象限电力拖动系统。一般由AC/DC、直流电容、DC/AC（电机控制器）、电动机、机械传动机构、工作机构等构成。如果考虑到直流母线的电压，则在系统内布置电池和DC/DC变换器用来进一步优化系统性能。采用混合储能方式，有利于不同储能方式之间的配合从而获得更优化的整体性能。

1.2 运动学模型

电机通过传动装置拖动一个卷筒，通过卷绕卷筒上的钢丝绳升起或降落重物。对于电力拖动方式的储能系统，重物在卷筒上产生等效的总飞轮惯量，其运动方程为

重力储能具有位能性转矩负载特性，负载转矩是由重力作用产生。重力产生的TL的大小和作用方向与转速无关。无论是提升重物还是下放重物，重力的作用方向不变。如果以提升作为运动的正方向，即n为正值，TL是阻碍运动的阻转矩，为正值；当下放重物，即n为负值，TL的方向不变，仍为正，表明此时TL是促进转动的，由提升重物时的阻转矩变成了拖动转矩。其特性位于第Ⅰ和第Ⅳ象限内。考虑系统的摩擦转矩等叠加作用，系统的转矩特性如图2所示。

图2 电磁转矩与负载转矩的关系

Fig.2 Relationship between electromagnetic torque and load torque

由于重力提升或下降过程中，阻力方向与运动方向相反，因此负载转矩TL为

1.3 基本机电转化能量模型

对于不同种类的电机和控制方式，电机控制器基本方程具有较大的差异。受到机械摩擦、调速过程中的电机特性和传动方式等影响，很难建立统一的数学模型。但从功率角度，一般来说电机功率满足如下关系。

在启动和调速过程中，变频器不但需要提供电机启动和调速过程中产生的重力势能，还要提供由于重物速度变化而产生的动能变量和在电机上产生的损耗。因此主要分为变速（启动、加速、减速）和匀速运行两个工况。在匀速工况，重物克服自身重力和摩擦力的阻碍，实现能量的存储和释放，其满足一般方程为

1.4 能量储存模型

拖动系统在能量存储过程的分析条件为：1）为了突出动态条件下的机械能和电能交换的主要过程，电磁过渡过程的影响忽略不计，只考虑机械过渡过程对能量存储性能的影响。2）仅考虑能量的转换过程，忽略特定驱动形式的电磁特性，电源电压、磁通和负载转矩在过渡过程中保持恒定不变。3）由于重力储能的重物质量较大，因此忽略传动机械结构的转动惯量和重力影响。4）为提高系统的经济性，仅考虑电池容量远小于重物储能容量的情况。为了突出重力储能与电池储能的配合情况与应用效果，本文仅研究输入功率大于电池容量的情况。

设重物的提升高度为h，重物的质量为m，重物的速度为v，则储能装置的稳态下的机械功率Ps、储存重力势能能量Ws和运动系统的总动能Wv分别为