Исследование эксплуатационного ресурса аккумуляторных батарей в изолированных энергетических системах с возобновляемыми источниками энергии

Цель – исследование эксплуатационного ресурса аккумуляторных батарей и разработка рекомендаций по построению систем накопления энергии для изолированных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии. Объектом исследований явились необслуживаемые, герметичные свинцово-кислотные батареи, выполненные по AGM-технологии. Срок службы аккумуляторных батарей определялся по результатам их ресурсных испытаний посредством заряда/разряда по заданным профилям нагрузки, реализованных на специализированной испытательной станции Chroma Test System. Для проведения экспериментов были смоделированы 3 профиля нагрузки батарей: один – для стандартного режима заряда/разряда на постоянном токе, и два – для режимов заряда/разряда от возобновляемых источников энергии, для формирования которых использовались фактические данные мониторинга рабочих режимов ветроэнергетической установки. Результаты экспериментов показали, что условия эксплуатации батарей по рассматриваемым профилям существенно различаются по значениям практически всех стресс-факторов, из которых определяющее влияние на срок службы батарей оказывает фактор пропускной способности. Для сохранения эксплуатационного ресурса аккумуляторных батарей предложено разделение во времени их режимов заряда/разряда. Результаты испытаний показали, что при эксплуатации батарей по профилям от возобновляемых источников энергии применение данного способа сокращает временные интервалы между полной зарядкой и при низком уровне заряда батарей, что обеспечивает повышение их срока службы до 14%. Предложено новое техническое решение по построению системы накопления энергии для MicroGrid в виде комбинированного двухконтурного накопителя энергии. Изготовлен экспериментальный образец комбинированного накопителя энергии на мощность 15 кВт. Применение комбинированного накопителя энергии в составе MicroGrid позволяет повысить эксплуатационный ресурс аккумуляторных батарей до 20–30% в сравнении с аналогами, обеспечивает статическую и динамическую устойчивость локальной энергетической системы со временем реакции на изменение мощности не более 50 мс, уровень замещения топлива не менее 25% и снижение стоимости электроэнергии на 25–30%.

1. Salas V., Suponthana W., Salas R.A. Overview of the off-grid photovoltaic diesel batteries systems with AC loads // Applied Energy. 2015. Vol. 157. P. 195–216. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.07.073

2. Akinyele D., Belikov J., Levron Yo. Battery storage technologies for electrical applications: impact in standalone photovoltaic systems // Energies. 2017. Vol. 10. Iss. 11. Р. 1760. https://doi.org/10.3390/en10111760

3. May G.J., Davidson A., Monahov B. Lead batteries for utility energy storage: a review // Journal of Energy Storage. 2018. Vol. 15. P. 145–157. https://doi.org/10.1016/j.est.2017.11.008

4. Jakhrani A.Q., Rigit A.R.H., Othman A.-K., Samo S.R., Kamboh S.A. Life cycle cost analysis of a standalone PV system // IEEE International Conference on Green and Ubiquitous Technology (Bandung, 7–8 July 2012). Bandung: IEEE, 2012. P. 82–85. https://doi.org/10.1109/GUT.2012.6344195

5. Ataei A., Nedaei M., Rashidi R., Yoo Changkyoo. Optimum design of an off-grid hybrid renewable energy system for an office building // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2015. Vol. 7. Р. 053123. https://doi.org/10.1063/1.4934659

6. Обухов С.Г., Плотников И.А., Ибрагим А., Масолов В.Г. Двухконтурный накопитель энергии для гибридных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. Nо. 1. C. 64–76. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/1/2448

7. Hu Xiaosong, Martinez C.M., Yang Yalian. Charging, power management, and battery degradation mitigation in plug-in hybrid electric vehicles: a unified cost-optimal approach // Mechanical Systems and Signal Processing. 2017. Vol. 87. Part B. P. 4–16. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.03.004

8. Bordin C., Anuta H.O., Crossland A., Gutierrez I.L., Dent C.J., Vigo D. A linear programming approach for battery degradation analysis and optimization in off-grid power systems with solar energy integration // Renewable Energy. 2017. Vol. 101. P. 417–430. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.08.066

9. Ruddell A.J., Dutton A.G., Wenzl H., Ropeter C., Sauer D.U., Merten J., Orfanogiannis C., et al. Analysis of battery current microcycles in autonomous renewable energy systems // Journal of Power Sources. 2002. Vol. 112. Iss. 2. P. 531–546. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(02)00457-3

10. Brik K., Ammar F. Causal tree analysis of depth degradation of the lead acid battery // Journal of Power Sources. 2013. Vol. 228. P. 39–46. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.10.088

11. Sauer D.U., Garche J. Optimum battery design for applications in photovoltaic systems – theoretical considerations // Journal of Power Sources. 2001. Vol. 95. Iss. 1-2. P. 130–134. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(00)00642-X

12. Wenzl Heinz, Baring-Gould Ian, Kaiser R., Liaw Bor Yann, Lundsager P., Manwell J., et al. Life prediction of batteries for selecting the technically most suitable and cost effective battery // Journal of Power Sources. 2005. Vol. 144. Iss. 2. P. 373–384. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.11.045

13. Bindner H., Cronin T., LundsagerР., Manwell J.F., Abdulwahid U., Baring-Gould I. Lifetime modelling of lead acid batteries. [Электронный ресурс]. URL: https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfiles/portal/7710966/ris_r_1515.pdf (17.02.2021).

14. Svoboda V., Wenzl H., Kaiser R., Jossen A., BaringGould I., Manwell J., et al. Operating conditions of batteries in off-grid renewable energy systems // Solar Energy. 2007. Vol. 81. Iss. 11. P. 1409–1425. https://scholarworks.umass.edu/mie_faculty_pubs/511

15. Lee M., Park J., Na S.I., Choi H.S., Bu B.S., Kim J. An analysis of battery degradation in the integrated energy storage system with solar photovoltaic generation // Electronics. 2020. Vol. 9. Iss. 4. P. 701. https://doi.org/10.3390/electronics9040701

16. Hlal M.I., Ramachandaramurthy V.K., Sarhan A., Pouryekta A., Subramaniam U. Optimum battery depth of discharge for off-grid solar PV/battery system // Journal of Energy Storage. 2019. Vol. 26. Р. 100999. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100999

17. Lujano-Rojas J.M., Dufo-López R., Atencio-Guerra J.L., Rodrigues E.M.G., Bernal-Agustín J.L., Catalão J.P.S. Operating conditions of lead-acid batteries in the optimization of hybrid energy systems and microgrids // Applied Energy. 2016. Vol. 179. P. 590–600. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.07.018

18. Narayan N., Papakosta T., Vega-Garita V., Qin Zian, Popovic-Gerber J., Bauer P., Zeman M. Estimating battery lifetimes in Solar Home System design using a practical modelling methodology // Applied Energy. 2018. Vol. 228. P. 1629–1639. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.06.152

19. Layadi T.M., Champenois G., Mostefai M., Abbes D. Lifetime estimation tool of lead–acid batteries for hybrid power sources design // Simulation Modelling Practice and Theory. 2015. Vol. 54. P. 36–48. https://doi.org/10.1016/j.simpat.2015.03.001

20. Alsaidan I., Khodaei A., Gao W. A Comprehensive battery energy storage optimal sizing model for microgrid applications // IEEE Transactions on Power Systems. 2018. Vol. 33. Iss. 4. P. 3968–3980. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2017.2769639

21. Schiffer J., Sauer D.U., Bindner H., Cronin T., Lundsager P., Kaiser R. Model prediction for ranking leadacid batteries according to expected lifetime in renewable energy systems and autonomous power-supply systems // Journal of Power Sources. 2007. Vol. 168. Iss. 1. P. 66– 78. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.11.092

22. Dufo-López R., Lujano-Rojas J.M., Bernal-Agustín J.L. Comparison of different Lead–acid battery lifetime prediction models for use in simulation of stand-alone photovoltaic systems // Applied Energy. 2014. Vol. 115. P. 242–253. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.11.021

23. Dufo-López R., Cortés-Arcos T., Artal-Sevil J.S., Bernal-Agustín J.L. Comparison of Lead-acid and Li-ion batteries lifetime prediction models in stand-alone photovoltaic systems // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 3. Р. 1099. https://doi.org/10.3390/app11031099

24. Moncecchi M., Brivio C., Mandelli S., Merlo M. Battery energy storage systems in microgrids: modeling and design criteria // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 8. P. 2006. https://doi.org/10.3390/en13082006

25. García-Vera Yi.E., Dufo-López R., Bernal-Agustín J.L. Optimization of isolated hybrid microgrids with renewable energy based on different battery models and technologies // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 3. Р. 581. https://doi.org/10.3390/en13030581

26. Пат. 2726735 C1, Российская Федерация, H02J 7/34 (2006.01). Система автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии / В.Г. Масолов, Н.В. Масолов, А.И. Муравлев, С.Г. Обухов; заявитель и патентообладатель ООО «ВДМ-техника». Заявл. 23.08.2019; опубл. 15.07.2020. Бюл. № 20.