微型燃气轮发电系统中的电池能量存储

1/7微型燃气轮发电系统中的电池能量存储ABSTRACTTHISPAPERANALYZEDTHEENERGYSTORAGEDEMANDINMICROTURBINEGENERATIONSYSTEMSITALSOPRESENTSACALCULATINGMETHEDOFVERIFYINGCELLCAPACITYKEYWORDSMICROTURBINEGENERATIONSYSTEM；ENERGYSTORAGE；LEADACIDBATTERY0引言先进的微型燃气轮机具有高可靠性、低噪声、低排放等一系列先进的技术特点，是提供清洁、可靠、高质量电能及热电联供的最佳方式。鉴于目前我国西部电力发展状况及其自然环境的特殊性，微型燃气轮发电系统必将在西部大开发中得到广泛的重视和应用1。与常规的同步发电机组不同，微型燃气轮发电机组在能量转换过程中不具备较高的旋转惯量，当负载需求发生变化时，需要较长的响应时间。因此，微型燃气轮发电机组需要有一存贮能量来适应负载的变化，该存贮能量可通过几种方式来实现，比如蓄电池存贮、超导磁能量贮存、飞轮和电容存贮等，在这些方式中，蓄电池存贮技术发展最成熟并得到了广泛运用，其它几种能量贮存形式或者仍处在样机试用阶段，或者不适合大量生产。本文可为确定微型燃气轮发电系统中存贮蓄电池的容量提供参考。2/71能量存贮需求微型燃气轮发电系统主要由微型燃气轮机、永磁发电机和控制变换单元组成，其中控制变换单元如图1所示2。从图中可以发现，在负载恒定的条件下，即使直流母线上没有能量存储单元（蓄电池），微型燃气轮发电机组发出的高频交流电经变换后也能向负载提供时时功率。当微型燃气轮发电机组的负载功率（有功功率或无功功率）发生变化时，机组会出现较长的响应时间。例如，75KWHONEYWELL微型燃气轮机运行过程中，功率需求发生50变化时的响应时间约为35S3。在这段时间内，由存贮单元和发电机组共同向负载提供能量。图2所示为75KWHONEYWELL微型燃气轮机负载发生变化时的典型响应。图中，PL代表负载功率需求；PS代表微型燃气轮机的输出响应；PLPS为通过某种存贮方式提供的短缺功率。本例中，该短缺功率由与逆变器直流母线相连的蓄电池组来提供。2电池的选择及简介微型燃气轮发电系统中采用可充电电池作为能量存贮单元。目前，可充电电池包括铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢化物镍蓄电池和锂离子电池等。镉镍蓄电池和氢化物镍蓄电池在高速放电时，具有较高的自放电率；尽管锂离子电池有较高的能量密度，但它的价格昂贵；由于3/7铅酸蓄电池具有良好的性价比，而且能量密度也能达到系统设计的要求，因此在这些电池之中，铅酸蓄电池被认为最适合应用于微型燃气轮发电系统。铅酸蓄电池可作为深循环和启动之用。深循环电池主要用作后备电源，应用于需要长时间供电的场合，这类电池在电力汽车和UPS系统中有着广泛的应用。启动电池通常用于启动内燃机，能够提供短时间的大电流。鉴于此，高容量的启动电池较为适用于微型燃气轮发电系统。通常，电池容量用安时数表示，电池充、放电率用电流率（C）的倍数表示。以3C或更高的放电率放电被称为高速放电4。对于微型燃气轮发电系统来说，铅酸电池被用作高速放电，如在100S内将电池的能量放完，放电率大约为36C，在这种大电流放电的情况下，电池损耗增大，输出容量将有所下降。例如，额定放电率为10H的铅酸电池，如果在02H内（5C率）完成放电，则只有44的容量可释放4。除高速放电外，铅酸蓄电池也受到微型燃气轮发电系统高速充电的影响。当负载突然被切除，且微型燃气轮发电机组继续提供功率直到它响应新的功率时，这种情况就会出现。因此，电池在充电的过程中必须具备良好的功率变化接受能力。3电池容量的确定4/7电池存贮的能量主要是在负载功率需求突变瞬间至燃气轮机的输出得到响应这段时间内向负载释放。微型燃气轮机发电系统中电池容量的设计是系统设计的关键步骤之一，容量的确定是否合理将直接影响着系统的可靠性和经济性。单体电池是电池组的基本单元，设单体电池的额定电压为VCN。VCN为电池在100充电状态时的开路电压。电池放电结束时的电压称为单体电池终了电压（FVPC）。FVPC一般为VCN的80905。当高速放电时，生产厂家规定的单体铅酸蓄电池的典型终了电压FVPCS为175、178和181V。这些数据与（1）式计算得到的值进行比较，取最接近的值作为FVPC。假设VBATF代表放电后电池组的终了电压（由NC节单体电池串联组成），于是，电池数量为如果NC不是整数，就取与它相邻的较大整数。对于与不规则直流母线配置相连接的电池组来说（如图3所示），VBATF和逆变器的最低直流母线电压相等。反过来，逆变器直流母线电压受交流输出电压约束。同样，在规则直流母线配置中（如图4所5/7示），VBATF由DCDC变换器的转换方案决定。蓄电池组必须能够在负载需求发生变化的时候向负载提供能量。如果预先知道负载实际功率需求的最大变化，就可以选择电池组的容量。对于微型燃气轮发电机组而言，应考虑机组从空载到满载的情况。如果PB，MAX（T）为在时间TR，MAX内从电池输出的最大功率，则它取决于如下的满载功率（PFL）其中，G（T）是从0开始增长的函数，在时间TR，MAX处达到峰值。函数G（T）取决于微型燃气轮机的响应方式，一般情况下，G（T）可以描述为斜坡函数或指数函数。电池所要求的最大能量贮存可表示为当GT分别为斜坡函数和指数函数时，K分别估计值为05和02。满载功率PFL为其中，KVAFL是逆变器满载时的KVA数。PF是与逆变器相连的负载功率因数，是逆变器的效率。结合（5）和（7）可得电池放电率的倍数，则6/7在TR，MAX期间内，APC为放电期间从电池吸取的平均电流。在高放电率放电时，峰值电流将比APC高得多。此外，微型燃气轮机从冷启动开始有一启动时间才能达到满载功率。例如，对于28KWCAPSTONE微型燃气轮机来说，启动时间大约为2MIN。如果需要包含微型燃气轮机的冷启动，则必须修改（5）中EB，MAX的表达，式以包括启动期间从电池吸收的功率。修改后的方程为其中，PCS是微型燃气轮机冷启动期间TCS内所吸收的功率。随后的方程可按同样的过程进行推导。4结论采用能量存贮方式是解决微型燃气轮发电机组输出响应固有延时缺点的主要途径，通过最成熟的铅酸蓄电池能量存贮技术作为微型燃气轮发电系统的能量源，合理计算蓄电池的容量，不仅可以提高电能输出质量，而且还具有一定的经济性。参考文献1张文普，丰镇平燃气轮机技术的发展与应用J燃气轮机技术，2002，（3）2JBANDRIULLIADVANCEDPOWERGENERATIONSYSTEMSM19993DRAFTREPORTFORCERTS，YEAR2000TESTINGOFCAPSTONEANDHONEYWELLMTGSDURINGLOAD7/7CHANGESRSOUTHERNCALIFORNIAEDISON，IRVINE，FEB1，20014TE