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目前雖已有較多對電化學(xué)儲能運(yùn)行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統(tǒng)內(nèi)部的微觀狀態(tài)建模，或直接以人為經(jīng)驗建模，繁簡不一，不適用于電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能的建模；此外，大多數(shù)建模方法僅適用于某種特定的儲能技術(shù)，不利于電力系統(tǒng)對多種電化學(xué)儲能技術(shù)的統(tǒng)一建模與調(diào)度控制。
01研究背景
隨著電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能的大規(guī)模安裝與運(yùn)行，電化學(xué)儲能的運(yùn)行效率和壽命衰減特性對電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性的影響日益增大。
目前雖已有較多對電化學(xué)儲能運(yùn)行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統(tǒng)內(nèi)部的微觀狀態(tài)建模，或直接以人為經(jīng)驗建模，繁簡不一，不適用于電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能的建模；此外，大多數(shù)建模方法僅適用于某種特定的儲能技術(shù)，不利于電力系統(tǒng)對多種電化學(xué)儲能技術(shù)的統(tǒng)一建模與調(diào)度控制。
因此，本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池的運(yùn)行效率與壽命衰減的建模方法進(jìn)行概覽與綜述，并從電網(wǎng)側(cè)的角度對各個建模方法進(jìn)行分析與總結(jié)，希望能為電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制中的電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模研究提供建議。
02鋰離子電池建模方法評述
鋰離子電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法往往研究鋰離子儲能系統(tǒng)的內(nèi)電阻和極化電阻的損耗。目前少數(shù)對運(yùn)行效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用會研究鋰離子儲能效率的變化，如高性能電動汽車、艦船儲能等，該類應(yīng)用的運(yùn)行效率建模方法需獲知儲能內(nèi)部精確的物理化學(xué)動態(tài)信息，不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。同時儲能系統(tǒng)中電力電子變換器和輔助系統(tǒng)的功率損耗一般也需要通過儲能系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)量來建模，同樣不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法往往通過研究溫度、儲能荷電狀態(tài)(SOC)、充電和放電深度(DOD)和放置時間這4個方面的影響因素實現(xiàn)。在實際應(yīng)用過程中，一般可忽略溫度變化對儲能系統(tǒng)的影響。儲能充電和DOD的壽命衰減建模方法可大致分為兩大類，一類研究電池充放電的每個循環(huán)過程，另一類研究電池在每一個時段的能量吞吐量。考慮儲能SOC的壽命衰減建模方法較少，往往通過實驗數(shù)據(jù)對表達(dá)式擬合。也有的壽命衰減建模方法直接以循環(huán)次數(shù)和SOC運(yùn)行范圍對儲能運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行約束，在舍棄最優(yōu)性的同時為優(yōu)化計算帶來了便捷。
03超級電容建模方法評述
超級電容儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法一般通過建立超級電容的等效電路模型實現(xiàn)，在等效電路模型中可以考慮超級電容的泄漏電阻、一階電路和暫態(tài)電路等等。對于電力系統(tǒng)中的超級電容儲能系統(tǒng)，一般考慮泄漏電阻和一階電路即可。對于超級電容儲能系統(tǒng)的自放電行為，現(xiàn)有的建模方法一般通過建立超級電容的開路電壓指數(shù)衰減表達(dá)式實現(xiàn)。
超級電容儲能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法主要考慮電壓和溫度的影響，絕大多數(shù)壽命衰減建模方法根據(jù)阿倫尼烏斯表達(dá)式將溫度的影響建模為指數(shù)形式。當(dāng)考慮電壓對壽命衰減的影響時，建模方法可分為多項式形式建模和指數(shù)形式建模，其中，指數(shù)形式的壽命衰減建模方法在絕大多數(shù)情況下比多項式形式的壽命衰減建模方法更加精確。
04全釩液流電池建模方法評述
全釩液流電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行效率建模方法一般通過研究電池內(nèi)部的交換泵實現(xiàn)，同時將液流電池儲能系統(tǒng)的自放電行為建模為自放電電阻，均不涉及液流電池內(nèi)部復(fù)雜的動態(tài)過程?，F(xiàn)有的運(yùn)行效率建模方法絕大多數(shù)將液流電池的運(yùn)行效率建模為關(guān)于儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)電氣量（如儲能系統(tǒng)充放電功率、儲能系統(tǒng)SOC、外接負(fù)荷等等）的表達(dá)式，適用于與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制方面的模型進(jìn)行集成。
由于沒有顯著影響全釩液流電池儲能系統(tǒng)壽命的因素，對液流電池儲能壽命衰減的建模方法的研究較少，現(xiàn)有的建模方法一般依據(jù)循環(huán)次數(shù)或充放電電量簡單考慮儲能系統(tǒng)的壽命衰減。
05電化學(xué)儲能建模方法研究展望
5.1 存在的問題
1）當(dāng)前建模方法大多以儲能單體為研究對象，建立的是儲能單體的壽命衰減模型，不適用于電化學(xué)儲能系統(tǒng)的整體壽命評估。
2）當(dāng)前建模方法大多以儲能側(cè)的電化學(xué)變量建模，不利于從電力系統(tǒng)的角度對儲能系統(tǒng)建模。而其余的建模方法大多根據(jù)人為經(jīng)驗簡單地限定電化學(xué)儲能的運(yùn)行范圍，不利于充分挖掘儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制中的經(jīng)濟(jì)效益。
3）當(dāng)前建模方法建立的電化學(xué)儲能模型涉及各類非線性運(yùn)算，因此模型運(yùn)算較為復(fù)雜、計算難度大，不利于電力系統(tǒng)對大規(guī)模電化學(xué)儲能系統(tǒng)的實時調(diào)度運(yùn)行與控制。
4）現(xiàn)有的建模方法大多依據(jù)某種電化學(xué)儲能的特性提出，因此只適用于該種電化學(xué)儲能，使得不同電化學(xué)儲能的建模方法大不相同。
5.2 研究展望
1）研究以儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量為對象的電化學(xué)儲能建模方法。此處的儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量是指從電網(wǎng)側(cè)可測量得到的儲能電氣量，例如可通過在電網(wǎng)側(cè)安裝傳感器測量儲能系統(tǒng)的充放電功率，并通過簡單計算求得儲能系統(tǒng)的SOC、充電和DOD等儲能電氣量。在此基礎(chǔ)上研究儲能系統(tǒng)SOC、儲能充電和DOD、充放電功率等儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量與儲能內(nèi)部動態(tài)過程的關(guān)系，從而進(jìn)行建模。
2）研究降低計算復(fù)雜度的電化學(xué)儲能建模方法?，F(xiàn)有電化學(xué)儲能模型為非線性模型，將為優(yōu)化求解帶來巨大的計算復(fù)雜度，不利于實時調(diào)度運(yùn)行和評估。因此，未來可能需要研究能保持在一定精度范圍內(nèi)的大規(guī)模電化學(xué)儲能線性模型的建立方法。
3）研究適用于多種類型儲能技術(shù)的通用建模方法。不同電化學(xué)儲能的建模方法不盡相同，現(xiàn)有的建模方法大多只適用于該種儲能技術(shù)，未來可能需要研究適用于各類儲能技術(shù)的通用建模方法，協(xié)助電力系統(tǒng)集中統(tǒng)一地調(diào)度，實現(xiàn)各類儲能技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。
06結(jié)語
本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池這3種電化學(xué)儲能技術(shù)的運(yùn)行效率建模方法和壽命衰減建模方法進(jìn)行了綜述，總結(jié)了當(dāng)前這3種儲能技術(shù)建模方法的特點(diǎn)。同時，本文總結(jié)了當(dāng)前電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模方法以電池單體為研究對象、以儲能側(cè)電化學(xué)變量建模、模型計算復(fù)雜度高、不同技術(shù)模型不統(tǒng)一的問題，并展望了電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模方法未來可能的研究方向。
引文信息
賀鴻杰, 張寧, 杜爾順, 等. 電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能運(yùn)行效率及壽命衰減建模方法綜述 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.
HE Hongjie, ZHANG Ning, DU Ershun, et al. Review on Modeling Method for Operation Efficiency and Lifespan Decay of Large-scale Electrochemical Energy Storage on Power Grid Side [J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.
01研究背景
隨著電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能的大規(guī)模安裝與運(yùn)行，電化學(xué)儲能的運(yùn)行效率和壽命衰減特性對電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性的影響日益增大。
目前雖已有較多對電化學(xué)儲能運(yùn)行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統(tǒng)內(nèi)部的微觀狀態(tài)建模，或直接以人為經(jīng)驗建模，繁簡不一，不適用于電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能的建模；此外，大多數(shù)建模方法僅適用于某種特定的儲能技術(shù)，不利于電力系統(tǒng)對多種電化學(xué)儲能技術(shù)的統(tǒng)一建模與調(diào)度控制。
因此，本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池的運(yùn)行效率與壽命衰減的建模方法進(jìn)行概覽與綜述，并從電網(wǎng)側(cè)的角度對各個建模方法進(jìn)行分析與總結(jié)，希望能為電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制中的電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模研究提供建議。
02鋰離子電池建模方法評述
鋰離子電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法往往研究鋰離子儲能系統(tǒng)的內(nèi)電阻和極化電阻的損耗。目前少數(shù)對運(yùn)行效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用會研究鋰離子儲能效率的變化，如高性能電動汽車、艦船儲能等，該類應(yīng)用的運(yùn)行效率建模方法需獲知儲能內(nèi)部精確的物理化學(xué)動態(tài)信息，不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。同時儲能系統(tǒng)中電力電子變換器和輔助系統(tǒng)的功率損耗一般也需要通過儲能系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)量來建模，同樣不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法往往通過研究溫度、儲能荷電狀態(tài)(SOC)、充電和放電深度(DOD)和放置時間這4個方面的影響因素實現(xiàn)。在實際應(yīng)用過程中，一般可忽略溫度變化對儲能系統(tǒng)的影響。儲能充電和DOD的壽命衰減建模方法可大致分為兩大類，一類研究電池充放電的每個循環(huán)過程，另一類研究電池在每一個時段的能量吞吐量。考慮儲能SOC的壽命衰減建模方法較少，往往通過實驗數(shù)據(jù)對表達(dá)式擬合。也有的壽命衰減建模方法直接以循環(huán)次數(shù)和SOC運(yùn)行范圍對儲能運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行約束，在舍棄最優(yōu)性的同時為優(yōu)化計算帶來了便捷。
03超級電容建模方法評述
超級電容儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法一般通過建立超級電容的等效電路模型實現(xiàn)，在等效電路模型中可以考慮超級電容的泄漏電阻、一階電路和暫態(tài)電路等等。對于電力系統(tǒng)中的超級電容儲能系統(tǒng)，一般考慮泄漏電阻和一階電路即可。對于超級電容儲能系統(tǒng)的自放電行為，現(xiàn)有的建模方法一般通過建立超級電容的開路電壓指數(shù)衰減表達(dá)式實現(xiàn)。
超級電容儲能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法主要考慮電壓和溫度的影響，絕大多數(shù)壽命衰減建模方法根據(jù)阿倫尼烏斯表達(dá)式將溫度的影響建模為指數(shù)形式。當(dāng)考慮電壓對壽命衰減的影響時，建模方法可分為多項式形式建模和指數(shù)形式建模，其中，指數(shù)形式的壽命衰減建模方法在絕大多數(shù)情況下比多項式形式的壽命衰減建模方法更加精確。
04全釩液流電池建模方法評述
全釩液流電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行效率建模方法一般通過研究電池內(nèi)部的交換泵實現(xiàn)，同時將液流電池儲能系統(tǒng)的自放電行為建模為自放電電阻，均不涉及液流電池內(nèi)部復(fù)雜的動態(tài)過程?，F(xiàn)有的運(yùn)行效率建模方法絕大多數(shù)將液流電池的運(yùn)行效率建模為關(guān)于儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)電氣量（如儲能系統(tǒng)充放電功率、儲能系統(tǒng)SOC、外接負(fù)荷等等）的表達(dá)式，適用于與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制方面的模型進(jìn)行集成。
由于沒有顯著影響全釩液流電池儲能系統(tǒng)壽命的因素，對液流電池儲能壽命衰減的建模方法的研究較少，現(xiàn)有的建模方法一般依據(jù)循環(huán)次數(shù)或充放電電量簡單考慮儲能系統(tǒng)的壽命衰減。
05電化學(xué)儲能建模方法研究展望
5.1 存在的問題
1）當(dāng)前建模方法大多以儲能單體為研究對象，建立的是儲能單體的壽命衰減模型，不適用于電化學(xué)儲能系統(tǒng)的整體壽命評估。
2）當(dāng)前建模方法大多以儲能側(cè)的電化學(xué)變量建模，不利于從電力系統(tǒng)的角度對儲能系統(tǒng)建模。而其余的建模方法大多根據(jù)人為經(jīng)驗簡單地限定電化學(xué)儲能的運(yùn)行范圍，不利于充分挖掘儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制中的經(jīng)濟(jì)效益。
3）當(dāng)前建模方法建立的電化學(xué)儲能模型涉及各類非線性運(yùn)算，因此模型運(yùn)算較為復(fù)雜、計算難度大，不利于電力系統(tǒng)對大規(guī)模電化學(xué)儲能系統(tǒng)的實時調(diào)度運(yùn)行與控制。
4）現(xiàn)有的建模方法大多依據(jù)某種電化學(xué)儲能的特性提出，因此只適用于該種電化學(xué)儲能，使得不同電化學(xué)儲能的建模方法大不相同。
5.2 研究展望
1）研究以儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量為對象的電化學(xué)儲能建模方法。此處的儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量是指從電網(wǎng)側(cè)可測量得到的儲能電氣量，例如可通過在電網(wǎng)側(cè)安裝傳感器測量儲能系統(tǒng)的充放電功率，并通過簡單計算求得儲能系統(tǒng)的SOC、充電和DOD等儲能電氣量。在此基礎(chǔ)上研究儲能系統(tǒng)SOC、儲能充電和DOD、充放電功率等儲能電網(wǎng)側(cè)電氣量與儲能內(nèi)部動態(tài)過程的關(guān)系，從而進(jìn)行建模。
2）研究降低計算復(fù)雜度的電化學(xué)儲能建模方法?，F(xiàn)有電化學(xué)儲能模型為非線性模型，將為優(yōu)化求解帶來巨大的計算復(fù)雜度，不利于實時調(diào)度運(yùn)行和評估。因此，未來可能需要研究能保持在一定精度范圍內(nèi)的大規(guī)模電化學(xué)儲能線性模型的建立方法。
3）研究適用于多種類型儲能技術(shù)的通用建模方法。不同電化學(xué)儲能的建模方法不盡相同，現(xiàn)有的建模方法大多只適用于該種儲能技術(shù)，未來可能需要研究適用于各類儲能技術(shù)的通用建模方法，協(xié)助電力系統(tǒng)集中統(tǒng)一地調(diào)度，實現(xiàn)各類儲能技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。
06結(jié)語
本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池這3種電化學(xué)儲能技術(shù)的運(yùn)行效率建模方法和壽命衰減建模方法進(jìn)行了綜述，總結(jié)了當(dāng)前這3種儲能技術(shù)建模方法的特點(diǎn)。同時，本文總結(jié)了當(dāng)前電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模方法以電池單體為研究對象、以儲能側(cè)電化學(xué)變量建模、模型計算復(fù)雜度高、不同技術(shù)模型不統(tǒng)一的問題，并展望了電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能建模方法未來可能的研究方向。
引文信息
賀鴻杰, 張寧, 杜爾順, 等. 電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲能運(yùn)行效率及壽命衰減建模方法綜述 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.
HE Hongjie, ZHANG Ning, DU Ershun, et al. Review on Modeling Method for Operation Efficiency and Lifespan Decay of Large-scale Electrochemical Energy Storage on Power Grid Side [J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.
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