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《电力储能控制与保护》系统地阐述电力储能的基本概念、基础理论、控制与保护关键技术，主要内容包括电力储能基本概念与模型、储能电池状态估计与阻抗测试、储能电池管理系统与涉网安全防护、并网变流器拓扑与调制技术基础、电力储能变流器与并网控制、电力储能数据采集监控系统与能量管理系统、PECIG及接入电网短路特性分析与保护技术，以及构网型储能提升新能源故障穿越能力与防孤岛保护。其中，重点介绍电化学储能系统的热管理、故障诊断、多级保护、安全预警与防护技术、高压直挂式 MMC型和级联型储能，以及跟/构网控制技术、PECIG功率耦合机理与解耦控制、电压与频率协调控制技术等内容。 《电力储能控制与保护》内容新颖，理论与实践相结合，辅以丰富的例题与案例，帮助读者深入理解电力储能及其控保技术的核心原理与应用实践。
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目录第1章 电力储能基本概念与模型 11.1 电力储能基本概念 11.1.1 储能技术 11.1.2 储能系统组成 31.2 电力储能分类 41.3 电力储能工作原理与模型 51.3.1 电化学储能 61.3.2 电气类储能 121.3.3 机械类储能 151.3.4 氢储能 241.4 储能在新型电力系统的应用 291.4.1 储能在电源侧应用 291.4.2 储能在电网侧应用 321.4.3 储能在用户侧应用 331.5 新型储能近期行动计划 341.6 本书内容框架 35思考题与习题 36第2章 储能电池状态估计与阻抗测试 382.1 储能电池等效模型 382.1.1 Rint模型 392.1.2 PNGV模型 402.1.3 n阶RC等效电路模型 402.2 储能电池状态估计技术 412.2.1 荷电状态估计技术 412.2.2 健康状态估计技术 472.2.3 功率状态估计技术 492.2.4 大规模储能电站电池容量估计技术 562.3 储能电池等效阻抗及测试 582.3.1 直流电阻法 582.3.2 交流阻抗法 59思考题与习题 71第3章 储能电池管理系统与涉网安全防护 723.1 电池管理系统架构 723.1.1 BMS总体架构 723.1.2 BMS硬件系统 743.1.3 BMS的通信机制 763.2 均衡管理技术 783.2.1 被动均衡法 783.2.2 主动均衡法 793.3 电池储能热失控与热管理 853.3.1 电池储能热失控机理 853.3.2 电池储能热失控特性 863.3.3 电池储能热失控管理 863.4 电池储能电站的安全预警与防护技术 913.4.1 安全预警 913.4.2 电池储能常规保护功能与要求 1003.4.3 储能电站安全防护措施 1023.4.4 电力储能系统故障辨识与诊断 1033.4.5 电力储能系统雷电防护 114思考题与习题 117第4章 并网变流器拓扑与调制技术基础 1184.1 功率开关器件的发展 1184.2 双向交直流变换器原理及数学模型 1204.2.1 变换器原理概述 1204.2.2 变流器的分类和拓扑结构 1214.2.3 三相VSC的数学模型 1244.2.4 双向DC/DC变换器原理及数学模型 1324.3 电力电子坐标变换及调制技术 1344.3.1 坐标变换 1344.3.2 PWM调制技术 1404.3.3 NLM调制技术 152思考题与习题 153第5章 电力储能变流器与并网控制 1545.1 电化学储能变流器与并网控制基础 1545.1.1 PCS工作模式 1545.1.2 并网控制技术基本要求 1575.1.3 电力储能并网控制基础 1595.2 PCS的硬件要求 1615.3 储能系统并网方式与工作原理 1705.3.1 低压储能与高压直挂储能的并网方式 1705.3.2 储能型模块化多电平变换器的拓扑结构与基本原理 1725.3.3 级联型高压直挂储能工作原理 1785.3.4 高压直挂储能的典型应用 1805.3.5 高压直挂储能仿真分析 1815.4 跟网型储能控制 1865.4.1 跟网型控制原理 1865.4.2 跟网型储能变流器控制策略 1865.4.3 跟网型储能变流器控制仿真 1885.5 构网型储能控制 1895.5.1 构网型技术基本特性 1895.5.2 构网型储能变流器控制策略 1905.5.3 构网型储能应用场景 1975.5.4 跟网型控制与构网型控制比较分析 1985.6 PECIG有功-无功耦合特性 1995.6.1 PECIG对电网的支撑作用 2015.6.2 PECIG及接入电网有功-无功耦合机理分析与控制 2115.6.3 PECIG多机及接入电网功率耦合机理分析与控制 2175.6.4 跟/构网并网适应性改进展望 224思考题与习题 226第6章 电力储能数据采集监控系统与能量管理系统 2276.1 电力储能站级SCADA 系统 2276.1.1 网络架构 2276.1.2 保护架构 2296.1.3 软件架构 2306.1.4 硬件架构 2326.2 电力储能EMS 系统 2346.2.1 电网EMS 的发展 2346.2.2 电力储能EMS 作用 2356.2.3 电力储能EMS 基本功能 2356.3 电力储能EMS 通信系统 2376.3.1 储能电站通信网络架构 2376.3.2 储能系统通信协议 2386.3.3 设备之间的通信 2406.3.4 监控系统内部通信 2416.4 电力储能协调控制器 2426.4.1 储能协调控制器的基本原理 2426.4.2 储能协调控制器的主要功能 2436.5 电力储能EMS 控制策略 245思考题与习题 254第7章 PECIG及接入电网短路特性分析与保护技术 2557.1 跟/构网型PCS短路故障特性 2557.1.1 构网型PCS短路特性 2557.1.2 考虑充放电特性影响的构网型PCS接入电网短路故障特性 2627.1.3 考虑充放电特性影响的跟网型PCS接入电网短路故障特性 2677.2 跟/构网型光伏逆变器短路故障特性 2747.2.1 构网型光伏逆变器短路故障特性 2747.2.2 跟网型光伏逆变器接入电网短路故障特性 2767.3 跟/构网型风电变流器短路故障特性 2857.3.1 构网型直驱风机变流器短路故障特性 2857.3.2 跟网型直驱风机变流器接入电网短路故障特性 2877.3.3 构网型双馈风机变流器接入电网短路故障特性 2937.3.4 跟网型双馈风机变流器接入电网短路故障特性 3017.4 储能系统多级保护 3167.4.1 低压储能多级保护 3177.4.2 高压直挂储能多级保护 3197.5 储能支撑大规模新能源接入的送出线路保护 3227.5.1 故障分量与突变量 3227.5.2 数字滤波器 3237.5.3 跟网型光储送出系统人工短路试验 3247.5.4 “双高”电力系统提高传统继电保护适应性的一般途径 3287.5.5 GFM-PCS提升“双高”电力系统继电保护适应性 3297.5.6 构网型技术提升“双高”电力系统继电保护适应性 3347.5.7 注入法提升“双高”电力系统继电保护适应性 3397.5.8 控保协同技术提升“双高”电力系统继电保护适应性 3417.5.9 适用于储能支撑大规模新能源接入的送出线路暂态保护技术 343思考题与习题 355第8章 构网型储能提升新能源故障穿越能力与防孤岛保护 3568.1 新能源故障穿越频率电压要求 3568.1.1 频率故障穿越要求 3568.1.2 电压故障穿越要求 3588.1.3 跟网型储能系统故障穿越现场测试 3598.2 计及充放电特性影响的储能变流器故障穿越策略 3638.2.1 计及充放电特性影响的储能变流器低电压故障穿越策略 3648.2.2 计及充放电特性影响的储能变流器高电压故障穿越策略 3678.3 利用构网型储能提升新能源故障穿越能力 3708.4 新能源场站防孤岛保护 3748.4.1 防孤岛保护要求 3748.4.2 孤岛效应产生的原因及危害 3748.4.3 孤岛效应产生的原理 3758.4.4 防孤岛保护工作原理 3768.4.5 防孤岛保护配置优化策略 3778.5 防孤岛保护检测技术 3788.5.1 被动式防孤岛保护 3788.5.2 主动式防孤岛保护 3808.5.3 基于通信的防孤岛保护 3838.5.4 防孤岛保护改进措施 3848.5.5 国内外防孤岛保护实践 3868.6 基于构网型PCS注入的光储系统防孤岛保护 3898.7 防孤岛保护与故障穿越的冲突及协调化解 3928.7.1 防孤岛保护与故障穿越的运行冲突分析 3928.7.2 基于延时检测谐波突变特性的化解冲突策略 3938.8 防孤岛保护与重合闸的冲突及协调化解 3968.8.1 防孤岛保护与重合闸冲突原因分析 3968.8.2 动作逻辑失配化解方法与重合闸策略 3978.8.3 算例分析 400思考题与习题 403参考文献 404
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第1章电力储能基本概念与模型 电力储能是指通过物理或化学过程将电能转换为其他形式的能量，在需要时再将储存的能量转换回电能并输入电力系统的技术和装备。本章介绍了电力储能的基本概念与分类，阐述各类电力储能技术的工作原理与建模方法，包括电化学储能中的锂离子电池、铅酸电池、铅炭电池、液流电池和钠硫电池，电气类储能中的超级电容器和超导储能，机械类储能中的飞轮储能和压缩空气储能，以及氢储能等新型储能形式。同时，阐述电力储能在电源侧、电网侧和用户侧的典型应用，以及我国新型储能近期行动计划。 1.1电力储能基本概念 1.1.1储能技术 储能作为电力系统中的重要组成部分，其定义为通过介质或设备把能量储存起来，在需要时再释放的过程。在电力系统中，储能系统通过将电能转换为其他形式的能量(如机械能、化学能等)进行储存，以便在电力需求高峰或紧急情况下，将储存的能量再次转换为电能，为系统提供稳定、可靠的电力供应。 1.电力储能的主要技术指标 电力储能的主要技术指标如下。 (1)能量转换效率 (efficiency)：储能系统在储存能量和释放能量过程中损失的能量与输入的能量之比。 (2)响应时间(response time)：储能系统从接收到控制信号到实际完成能量转换的时间。 (3)储能容量 (capacity)：储能系统能够存储的电能量，通常以千瓦？时(kW？h)或兆瓦？时(MW？h)等单位表示。 (4)能量密度(energy density)：储能系统在单位体积或单位质量下能够存储的能量总和。 (5)循环寿命 (cycle life)：储能系统能够进行多少次完整的充放电循环，通常以循环次数来表示。 (6)自放电率 (self-discharge rate)：储能系统在存储能量过程中自发地损失能量的速率。 (7)成本 (cost)：储能系统建设、运行和维护所需的资金投入。 (8)安全性 (safety)：储能系统在工作过程中不会对人员和环境造成损害的能力。 (9)环境适应性 (environmental adaptability)：储能系统能够适应不同环境条件下的工作环境和工作温度范围。 (10)可回收性 (recyclability)：储能设施或系统中所使用的材料和组件能够通过适当的处理和技术再利用或回收。 (11) 抗干扰性(interference resistance)：储能系统在外部干扰(如电磁干扰、振动干扰等)下的稳定性和可靠性。 2.储能电池和动力电池的区别 储能电池和动力电池是当今能源存储与交通领域的重要技术，从本质上来讲，两种电池在多个方面存在显著区别，它们各自在不同的应用场景中发挥着重要作用，如表1-1所示。 (1)储能电池是指具有储能功能的电池，能够在充电时将电能储存在电池内部，并在需要时释放储存的电能以满足电力需求。储能电池通常采用可充电电池技术，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。这些电池具有长寿命、高循环次数、低自放电率等优点，适用于各种储能应用场景。 (2)动力电池是指为电动车辆提供动力来源的可充电电池。这些电池通过存储电能，在车辆运行时释放能量，驱动电动机工作，从而推动车辆前进。动力电池通常由动力电池箱、电池模块、冷却系统、电池管理系统(battery management system，BMS)及辅助元器件等部分组成，以确保电池的安全、高效运行。 3.电力储能关键技术 电力储能的关键技术涵盖了BMS、储能变流器(power conversion system，PCS)、能量管理系统(energy management system，EMS)、系统集成与调度、电池健康监测与诊断以及电池梯次利用等多个方面。这些技术共同确保了储能系统的安全、可靠、高效运行，并推动了储能技术的商业化应用和可持续发展。 (1)电池管理系统：储能系统的核心，负责实时监控电池的电压、电流、温度等参数，估算电池的荷电状态(state of charge，SOC)、健康状态(state of health，SOH)和功率状态(state of power，SOP)，并通过均衡管理消除电池组的不一致性，确保电池安全运行，防止过充、过放、过温等问题，同时优化电池寿命和性能。 (2)储能变流器：储能系统与电网之间的关键接口，负责直流电与交流电的双向转换，控制电池的充放电过程。它通过高频开关技术和多电平拓扑结构提高能量转换效率，减少谐波干扰，并支持快速响应电网的频率调节和功率支撑需求。 (3)能量管理系统：储能系统的“大脑”，通过负荷预测、新能源出力预测和优化调度算法制定*优的充放电策略，实现经济性和可靠性的平衡。它利用实时监控和多目标优化技术，协调储能系统与电网、负荷及新能源的互动，提升系统整体效率。 (4)系统集成与调度：将储能设备与电力系统高效结合并优化运行的关键环节。硬件集成包括储能单元、变流器、变压器等设备的连接，确保能量高效传输；软件集成通过标准通信协议实现数据交互和协同控制。调度策略涵盖经济调度、频率调节、备用电源等。通过实时监控和优化算法，储能系统能够动态调整充放电计划，提升电网稳定性、经济性和新能源消纳能力。 (5)电池健康监测与诊断：通过实时数据分析和模型预测评估电池的健康状态与剩余寿命，诊断早期故障，确保电池安全可靠运行。该技术利用机器学习、等效电路模型等方法，实现电池状态的精准监控和寿命预测，延长电池使用寿命。 (6)电池梯次利用：包括电池筛选与分选、性能评估与重组以及系统集成与管理。*先，通过容量测试、内阻测量和一致性分析，筛选出适合梯次利用的电池；其次，利用SOH评估技术对电池进行分级，并将性能相近的电池重新组合**的电池组；*后，通过BMS和EMS实现梯次利用电池组的集成与优化运行，确保其在低性能要求场景(如储能系统、备用电源)中的安全性和可靠性。 1.1.2储能系统组成 储能系统是由多个组件和子系统组成的复杂系统，其核心组成部分包括储能介质、储能变流器与DC/DC变换器、控制系统和辅助设施等。 (1)储能介质：能够吸收、存储和释放能量的物质或系统。常见的储能介质包括电化学电池、超级电容器、压缩空气、热能储存系统等。不同类型的储能介质具有不同的特性和应用场景。例如，电化学电池适用于电能储存，超级电容器适用于瞬态能量储存，压缩空气则适用于大容量的能量储存。 (2)储能变流器与 DC/DC变换器：负责将储存的能量转换为可用形式，以满足特定的能量需求。储能变流器与DC/DC变换器的设计和控制对储能系统的效率和响应时间等方面至关重要。 (3)控制系统：储能系统的智能化核心，通过监测、调节和优化系统的运行状态，实现对能量存储和释放过程的精确控制。控制系统包括实时数据采集系统、控制算法和执行器等，用于实现储能系统的安全、稳定和高效运行。 (4)辅助设施：包括冷却系统、热管理系统、安全保护系统等，用于确保储能系统在各种环境条件下的可靠运行和安全性。这些设施对于提高储能系统的性能和可靠性具有重要作用。 储能系统的组成是一个多层次、多组件的系统工程，各组成部分之间相互协作，共同实现能量的高效存储、转换和利用。电化学储能系统的构成如图1-1所示。 图1-1电化学储能系统结构示意图 1.2电力储能分类 储能有多种分类方法，较为常用的分类方法包括基于应用场景、基于能量储存方式和基于充放电时间尺度的分类。 1.基于应用场景分类 “大储”“中储”“小储”是近年来在新能源领域出现频率较高的词汇，它们都属于储能，但又有不同的特点。基于应用场景，将应用于发电侧和电网侧的储能称为“大储”，应用于工商业的储能称为“中储”，户用储能和便携式储能则称为“小储”，具体如下。 (1)大储：应用于发电侧和电网侧，属于大规模储能系统。这类储能系统的功率较大，通常以兆瓦级别计算，主要用于新能源电站、电网等场景。大储的主要作用包括电力调峰、缓解电网阻塞、延缓输配电扩容等，能够有效提高电力系统的稳定性、可靠性和电能质量。 (2)中储：应用于工商业领域，属于中等规模储能系统。这类储能系统服务于工厂、商场等商业设施，主要目的是利用电网峰谷差价来实现投资回报，满足工商业自身内部的电力需求，实现光伏发电最大化自发自用，或者通过峰谷差价套利。 (3)小储：应用于户用场景，属于小规模储能系统。这类储能系统更接近用户端，如家庭，目的是为家庭用户提供电能，帮助用户节省电费。小储系统通常与户用光伏系统组合安装，具有灵活方便的特点。 2.基于能量储存方式分类 按能量储存方式，储能可分为五类，如图1-2所示。 电化学储能通过电化学反应来存储和释放能量，本书统称为电池储能；电气类储能利用电场和磁场来存储和释放能量；机械类储能利用物理机械系统来存储和释放能量；氢储能利用氢气(H2)来存储和释放能量；热储能利用热量的变化来存储和释放能量。 3.基于充放电时间尺度分类 按照充放电时间尺度划分，储能技术可分为功率型储能和能量型储能。功率型储能适用于短时间内对功率需求较高的场合，如调频调压。能量型储能适用于对能量需求较高的场合，如参与电力系统调峰等。按充放电时间尺度进行储能分类如表1-2所示。 1.3电力储能工作原理与模型 本节主要介绍电化学储能、电气类储能、机械类储能以及氢储能的工作原理与模型，其中电化学储能主要介绍锂离子电池、铅酸电池、铅炭电池、液流电池和钠硫电池的工作原理，并以Thevenin模型为例分析了锂离子电池和铅酸电池的运行结果；电气类储能主要介绍超级电容器储能和超导储能的工作原理与模型；机械类储能主要介绍飞轮储能和压缩空气储能的工作原理与模型；氢储能主要介绍“新能源+氢”、电-氢混合储能以及电解水制氢的工作原理与模型。 1.3.1电化学储能 1.锂离子电池工作原理 磷酸铁锂电池是一种锂离子电池，由磷酸铁锂正极、石墨负极、电解液和隔膜组成。磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行的。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4；在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨晶体中。电池放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来进入电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，*后重新嵌入磷酸铁锂晶体内。锂离子电池工作原理如图1-3所示。 锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动进行能量的存储与释放。在充电过程中，正极的锂原子变为锂离子，并通过电解液向负极移动。在负极，锂离子与外部电子结合后还原为锂原子，进行存储。放电过程则与此相反。锂离子电池的化学反应式为 化学反应式正向均表示充电，反向均表示放电；M表示锂离子电池正极各种材料，可以是钴、镍、铁和铝等。 2.铅酸电池工作原理 铅酸电池是一种二次电源，可以将化学能转换为电能。铅酸电池的正极活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极活性物质则是铅(Pb)。它们之间由隔板隔开，电解液中的离子可以通过隔板中的微孔，但电极上的电子不能通过隔板。放电过程中，正极活性物质会转化成硫酸铅(PbSO4)附着在正极板上，负极活性物质则转化成PbSO4附着在负极板上。充电过程中会发生相反的反应。铅酸电池的
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