特邀专栏

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    特邀专栏:储能(储氢)材料、技术、装置及新能源综合应用

    客座主编:成永红  教授(西安交通大学)

    客座编辑:王红康  研究员(西安交通大学)    金阳  教授(郑州大学)

    金翼  博士(中国电力科学研究院有限公司)    许鑫  研究员(西安交通大学)


    选题背景:

    当今世界,化石能源危机和环境污染问题的日益严峻,尤其在我国“碳达峰、碳中和”政策背景下,发展清洁能源产业势在必行。然而,风能、太阳能等新能源发电受环境影响较大,功率不稳定,致使传统电网无法承载,大量能量被浪费。因此,加快研发分布式能源、储能、智能微网等关键技术,建设以可再生能源为主体的“源—网—荷—储—用”能源互联网,是我国重大能源战略需求。作为能源互联网中关键的一环,储能技术能将随机波动能源变为友好能源,可以有效消纳新能源发电,实现电力的削峰填谷、改善电力供需矛盾、提高发电设备利用率,发挥着实现多能融合、跨能源网络协同优化的关键作用。储能技术作为支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全与可持续发展的关键技术,将为构建以新能源为主体的新型电力系统提供有力支撑,助力碳达峰、碳中和目标实现。

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    1.
    电气工程学报    2022, 17 (3): 1-1.   DOI: 10.11985/2022.03.001
    摘要76)   HTML260)    PDF(pc) (170KB)(244)    收藏
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    2. 锂/钠离子电池锡锑合金负极材料改性的研究进展
    陈鑫阳, 姚天浩, 王红康
    电气工程学报    2022, 17 (3): 2-11.   DOI: 10.11985/2022.03.002
    摘要359)   HTML27)    PDF(pc) (1037KB)(289)    收藏

    锡锑(SnSb)合金材料具有高理论容量、高电导率、低反应电位等优点,是当前研究最为广泛的锂/钠离子电池负极材料之一。然而,SnSb合金负极材料在嵌脱金属离子过程中巨大的体积效应导致电极材料粉化失活,从而导致其循环性能不尽人意。为了解决上述问题,从结构设计、碳复合材料、三元合金等方面介绍近些年的研究进展,分析现有合成策略的设计方法和作用机理,最后提出SnSb合金负极材料在未来研究中的发展方向。

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    3. 自支撑CC/NiS2纳米片中间层制备与锂硫电池性能研究*
    郝红, 许俊
    电气工程学报    2022, 17 (3): 12-18.   DOI: 10.11985/2022.03.003
    摘要216)   HTML6)    PDF(pc) (496KB)(280)    收藏

    多硫离子的穿梭效应是限制锂硫电池发展的一个关键问题。通过水热法和进一步的硫化反应合成了自支撑的碳布/二硫化镍纳米片(CC/NiS2)复合材料,并将其用作锂硫电池中间层来有效抑制多硫离子的穿梭效应。NiS2纳米片均匀生长在CC表面,具有较大的比表面积和优异的催化活性,能够显著增强对多硫离子的化学吸附能力并促进电化学反应动力学。相比于碳布(CC)中间层电池,CC/NiS2中间层电池具有明显提高的倍率性能和良好的循环寿命,在0.5C下放电的初始比容量为1 254 mA·h·g-1(增加52%),在2C下循环300圈后的比容量仍高达928 mA·h·g-1,容量衰减率仅为每圈0.015%。

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    4. 锂离子电池正极材料低温性能衰退机理研究*
    齐四清, 苏林华, 范新宇, 姜楠, 王鹏飞
    电气工程学报    2022, 17 (3): 19-29.   DOI: 10.11985/2022.03.004
    摘要238)   HTML7)    PDF(pc) (1236KB)(286)    收藏

    锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等突出优势被广泛应用于便携式设备、电动汽车以及大规模储能领域。然而,锂离子电池对外界温度敏感,尤其是在较低的工作温度下,能量密度和功率密度急剧下降,这严重限制了其在寒冷地区的应用。为探究锂离子电池在低温环境下的性能衰减机理,选择磷酸铁锂(LiFePO4)、钴酸锂(LiCoO2)、层状三元(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)三种商业化正极材料作为研究对象,结合恒流充放电测试、电化学阻抗测试、恒电流间歇滴定技术以及X射线衍射分析和扫描电子显微镜表征技术,全面系统地比较了三种材料在室温(25 ℃)和低温(-20 ℃)下的电化学性能。恒流充放电测试结果显示三种正极材料在低温下均会出现比容量明显降低,三元NCM622表现出最佳的低温循环稳定性,在-20 ℃循环400圈时容量保持率为95.89%。进一步的交流阻抗测试分析和Li+扩散速率计算表明,在低温条件下电解液电导率的降低、正极材料电荷转移阻抗的增加和Li+扩散速率下降是导致锂离子电池正极材料低温性能退化的主要原因,该研究为提高锂离子电池的低温性能提供了可行的解决思路。

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    5. 磷酸铁锂储能电池过充热失控仿真研究*
    于子轩, 孟国栋, 谢小军, 赵勇, 成永红
    电气工程学报    2022, 17 (3): 30-39.   DOI: 10.11985/2022.03.005
    摘要318)   HTML15)    PDF(pc) (721KB)(236)    收藏

    锂离子电池的热失控是导致储能电站发生起火或爆炸等安全事故的根本原因,研究锂离子电池热失控的发展规律和本征特性对于电化学储能电站的安全监测和故障预警具有重要意义。建立了磷酸铁锂储能电池在过充条件下的三维电化学-热耦合热失控的仿真模型,通过镀锂动力学方程量化过充负极镀锂量,引入SEI膜生长动力学方程反映镀锂与电解液反应速率,以量化负极镀锂与电解液反应产热,并引入其他副反应产热方程共同研究磷酸铁锂电池早期过充热失控温度变化及各副反应产热情况。分别研究了不同充电倍率(1C、2C、3C),不同环境温度(20 ℃、30 ℃、40 ℃)下磷酸铁锂电池热失控早期负极表面镀锂量变化、热失控温度变化曲线以及各副反应产热量变化特性,分析磷酸铁锂电池过充热失控温度发展过程及副反应产热规律。结果表明,负极镀锂与电解液反应作为过充热失控过程最起始的副反应,在电池热失控早期促使了其他副反应的开启,成为过充热失控的起始。本研究可为磷酸铁锂电池过充热失控早期过程探究提供理论参考。

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    6. 先进感知技术在电池状态估计中的应用与启示*
    徐茂舒, 沈旖, 王晟, 张娥, 李浩秒, 周敏, 王玮, 王康丽, 蒋凯
    电气工程学报    2022, 17 (3): 40-57.   DOI: 10.11985/2022.03.006
    摘要278)   HTML9)    PDF(pc) (674KB)(421)    收藏

    实时精准的电池状态估计对锂离子电池高效安全运行尤为重要。以先进感知技术对电池内部特征进行原位在线感知,可为电池应用提供丰富的数据支撑,是电池状态估计方法发展的关键。以基于电气测量特征的、基于模型的和基于数据驱动与机器学习的电池状态估计方法作为对比,辨析基于光纤感知技术、电化学阻抗谱感知技术、机械应变感知技术、声学感知技术的先进智能感知技术原理、应用和优势缺陷,构建未来智能电池与智能电池管理系统。

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    7. 基于温度变化率曲线的锂离子电池健康状态评估算法*
    党月懋, 张雪纯, 徐楚奕, 江全元
    电气工程学报    2022, 17 (3): 58-65.   DOI: 10.11985/2022.03.007
    摘要205)   HTML5)    PDF(pc) (458KB)(157)    收藏

    锂离子电池技术的日益成熟为新能源发电和电动汽车等产业发展提供了重要支撑作用。锂离子电池采用有机电解液,发生故障后极易触发电池材料的放热副反应,导致电池热失控,最终可能演化成燃烧爆炸等重大事故。电池健康状态(State of health,SOH)是锂离子电池储能系统故障诊断和安全预警的重要参数,精确估计SOH是提升电池系统安全性的有效方法。提出一种基于温度变化率(DT)曲线的锂离子电池健康状态评估算法,充分提取反映电池健康状态的锂离子电池表面温度信息,以电池充电过程中的DT曲线的极大值点和两极值间的电压差作为电池SOH估计的特征量,进而搭建了基于反向传播(Back propagation,BP)神经网络的SOH估计模型。结合试验数据和仿真,测试结果最终表明,所提出的方法可有效提升锂离子电池SOH的估计精度。

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    8. 基于蒙特卡洛和SH-AUKF算法的锂电池SOC估计*
    巫春玲, 程琰清, 徐先峰, 孟锦豪, 谢美美
    电气工程学报    2022, 17 (3): 66-75.   DOI: 10.11985/2022.03.008
    摘要193)   HTML6)    PDF(pc) (613KB)(127)    收藏

    针对锂离子电池荷电状态(State of charge,SOC)估计精度低的问题,将Sage-Husa自适应算法与无迹卡尔曼滤波算法相结合,提出了一种可以对系统噪声进行不断更新和修正的自适应滤波新算法——SH-AUKF算法。在动态应力测试(Dynamic stress test,DST)工况下,采用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)、自适应无迹卡尔曼滤波(Adaptive unscented Kalman filter,AUKF)和SH-AUKF三种算法分别对SOC进行估计。结果表明,SH-AUKF算法估计SOC的误差最小,估计精度最高。与UKF相比,SH-AUKF算法的估计精度提高了45.4%;与AUKF相比,SH-AUKF算法的估计精度提高了14.3%。为了进一步降低噪声干扰的偶然性和突发性对SOC估计的影响,在估计过程中加入了蒙特卡洛采样方法。结果表明,融合了蒙特卡洛方法的SH-AUKF算法估计SOC时,估计误差区间仅为±1×10-3,有效提高了估计精度。

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    9. 考虑气热能延迟特性的综合能源系统内能流自分配策略*
    段可, 王维, 曹伟杰, 季振亚, 李娜
    电气工程学报    2022, 17 (3): 76-84.   DOI: 10.11985/2022.03.009
    摘要118)   HTML7)    PDF(pc) (483KB)(78)    收藏

    针对沿海工业园区及靠岸船舶供电负荷惯性薄弱、需求量波动大、响应性较差等问题,提出一种考虑气热能延迟特性的综合能源系统(Integrated energy system,IES)日前-日内调度策略,实现多能流的解耦与分配。在工业负荷出现波动时,日内调度根据每个时刻预测负荷和日前预测负荷的差值,考虑能流多种转化途径,以优先保持电负荷平衡的情况下最大限度地满足冷热负荷平衡为调度原则,建立能流分配的判断指标,对日前计划进行修正。策略中计及了气热能转换设备出力的延迟特性,在延迟时间内补充了能量损失。通过算例仿真分析,验证了所提复合调度策略能够利用各类能流的耦合互补关系,平抑冷热电负荷波动,减小调度误差,提高综合能源系统的能量利用效率和经济效益。

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    10. 计及电转气和碳捕集的数据中心微电网“源-荷”低碳优化调度方法*
    田明, 张海峰, 刘坤
    电气工程学报    2022, 17 (3): 85-94.   DOI: 10.11985/2022.03.010
    摘要206)   HTML2)    PDF(pc) (542KB)(144)    收藏

    为促进数据中心多能互补以及低碳化,基于随机规划,提出了考虑电转气和碳捕集的数据中心微电网“源-荷”低碳优化调度模型。模型综合考虑了发电约束、数据负荷约束、电转气系统及碳捕集等约束,在发电侧引入碳捕集电厂-电转气-燃气机组(CCPP-P2G-CHP),将捕集的CO2作为电转气系统合成甲烷的燃料;在负荷侧考虑即时型和可延迟型两种数据负荷,构建了数据中心功耗和数据负荷分配模型。仿真结果表明,所提模型在考虑碳排放的基础上,通过发电和数据中心数据负荷的优化调度,实现了数据中心微电网运行成本的最小化。

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    11. 基于改进控制策略的交直流独立光储电源系统
    熊力颖, 何晓琼, 韩鹏程, 龚子, 王卓然
    电气工程学报    2022, 17 (3): 95-103.   DOI: 10.11985/2022.03.011
    摘要139)   HTML8)    PDF(pc) (458KB)(205)    收藏

    在电网难以涉及的偏远地区,居民生活及野外工程用电面临巨大挑战。针对上述问题,提出了一种由多端口变换器、光伏板及蓄电池组构成的交直流独立光储电源系统。多端口变换器包括输入端Boost升压变换器、储能端双向Buck-Boost变换器、交流输出端三相逆变器及直流输出端隔离式DC/DC变换器。输入端利用基于占空比扰动的控制策略实现光伏最大功率跟踪(Maximum power tracking,MPPT);隔离式DC/DC变换器利用电压闭环的单移相控制实现直流输出0~200 V;三相逆变器利用电压电流双闭环控制实现三相交流输出380 V/50 Hz。在储能端的控制策略中,将传统电压电流双闭环控制策略的电流内环改进为功率误差内环,实现对系统有功转移的直接控制。由仿真得出,系统在环境变化和负荷突变下均能实现稳定供电。同时,改进控制策略能有效降低光强突变下直流母线的电压波动幅值和暂态响应时间,在维持系统供电稳定性上更具优越性。

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