CN109245143B - 一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，涉及电力系统优化运行及储能领域。该方法首先根据锂离子电池寿命终点，进行实验获取锂离子电池寿命原始数据；利用该数据，确立锂离子电池循环寿命模型；然后构建由目标函数和约束条件组成的考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型，对该模型求解得到储能调峰电站优化运行方案。本发明计及锂离子电池的寿命及老化过程，提出了适用于储能调峰电站的优化运行方法，以使储能生命周期内总调峰能力最大化，促进储能在电力系统调峰调频及可再生能源消纳方面的应用。

Description

一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法

技术领域

本发明涉及电力系统优化运行及储能领域，特别涉及一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法。

背景技术

随着风电、光伏等具有强随机性、波动性的可再生能源大规模接入，电网净负荷的峰谷差增大，波动性增强，难以精确预测，调峰调频及可再生能源消纳面临巨大压力。储能电站作为清洁、可控、快速响应的灵活性资源，能够通过电能的时空优化配置，实现平抑可再生能源波动、促进可再生能源消纳、降低峰谷差、辅助电网调峰调频、缓解电网输配压力等多重功能。成本相对较低、安全性好、能量密度高、自放电率低、循环寿命长的锂离子电池在移动设备、汽车动力电池、电网储能电站等领域迅速发展并成为主流的电化学储能应用技术。

大规模储能调峰电站无法生产电能，一般通过负荷高峰快速充电、负荷低谷快速放电，以降低峰荷峰谷差使电网安全稳定运行。但区别于传统抽水蓄能机组，锂离子电池等电化学储能充放电的同时会发生老化，具体表现为容量降低、内阻上升、充放电效率降低、寿命较短，在实际运行中难以确定储能调峰电站生命周期内的总调峰能力，因此需要建立考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，以使储能生命期内总调峰能力最大化。

目前的储能电站优化运行技术往往以储能电站收益最大化为目标函数，设定储能生命周期为固定的常数或者用多项式函数拟合储能的生命周期。这些储能电站优化运行技术主要有以下几点不足：(1)沿用车用动力电池的报废标准计算并网储能电站寿命终点，现有锂离子动力电池报废的标准为电池容量下降到额定容量的70％-80％，此时的功率密度、安全性已经不满足电动汽车应对多样性路况的要求，但仍然适用于对功率密度要求不高、运行环境相对友好的并网储能电站。因此，原有的报废标准并不适用，需要探索适用于储能调峰电站的电池报废标准；(2)使用的锂离子电池寿命模型难以嵌入优化运行决策模型。因此，需要发明一种新的考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法。本发明计及锂离子电池的寿命及老化过程，提出了适用于储能调峰电站的优化运行方法，以使储能生命周期内总调峰能力最大化，促进储能在电力系统调峰调频及可再生能源消纳方面的应用。

本发明提出一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据锂离子电池寿命终点，进行实验获取锂离子电池寿命原始数据；具体步骤如下

1-1)根据储能调峰电站的锂离子电池型号，选取相同型号的锂离子电池；在环境温度、充放电速率、充放电时间间隔相同的情况下，利用N组电池同步进行以下实验：

对每组电池选取不同的放电深度d，每组电池以恒定的放电深度d进行电池循环实验，记录每组电池放电深度d及每次循环的充电效率

和放电效率

通过下式计算电池及连接逆变器的总充电效率和总放电效率η^cha、η^dis：

其中，

为逆变器充电效率，

为逆变器放电效率；

1-2)对步骤1-1)的结果进行判定：若总充电效率和总放电效率满足式(2)，则判断该组电池到达寿命终点，并记录下此时电池的循环次数即为该组电池寿命期内最大循环次数

否则继续该组电池的循环实验，直到得到每组电池的放电深度与对应的寿命期内最大循环次数，获取锂离子电池寿命原始数据完毕；

其中，P为谷时刻充入电池中的电量，π^p、π^v分别为电网峰时电价和谷时电价，CST为储能调峰电站固定运行成本；

2)确立锂离子电池循环寿命模型；具体步骤如下

2-1)根据步骤1)得到的锂离子电池寿命原始数据，利用最小二乘法对式(3)的幂函数进行拟合，得到锂离子电池循环寿命模型参数N₀、k，其中N₀代表放电深度为1时电池的最大循环次数，k决定放电深度对最大充放电次数的影响程度；

其中，

表示储能调峰电站以放电深度d充放电的最大次数；

2-2)根据式(3)，进行n^d次放电深度为d的循环后，锂离子电池寿命损耗率g(n^d,d)为：

当损耗率之和为1时锂离子电池报废；

3)构建考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型，该模型由目标函数和约束条件构成，具体如下：

3-1)确定储能调峰电站优化运行模型的目标函数；

储能调峰电站优化运行模型的目标函数为最大化储能调峰电站寿命期内总调峰量；

储能调峰电站的日内调峰量PR^day为：

其中P_i为储能调峰电站第i次充电的能量；

则储能调峰电站寿命期内总调峰量PR^total为：

PR^total＝min(T_float,T_cycle)×PR^day (6)

其中，T_float为锂离子电池的浮充寿命，T_cycle为锂离子电池的循环寿命

3-2)确定储能调峰电站优化运行模型的约束条件；具体如下：

储能放电深度与储能出力关联约束：

其中，d_i为储能调峰电站第i次充放电的放电深度，C为储能容量；

储能放电深度限制约束：

0≤d_i≤1 (8)

根据式(4)，储能每天的损耗为

则得到储能循环寿命约束：

其中，

表示储能调峰电站每天以放电深度d_i充放电的次数；

储能充放电效率及储能容量约束：

C＝k^cC₀ (11)

其中，

C₀分别为锂离子电池出厂时的放电效率，充电效率，初始容量；

分别为逆变器的放电效率、充电效率；k^dis、k^cha、k^c分别为储能放电效率、充电效率、初始容量的折扣系数；

4)对步骤3)建立的模型求解，得到储能调峰电站P_i和储能调峰电站运行寿命T＝min(T_float,T_cycle)的最优解，得到储能调峰电站优化运行方案。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明克服了并网储能电站中电池报废标准过高、储能寿命模型难以嵌入优化模型或难以求解的不足，建立了适用于储能调峰电站的锂离子电池寿命终点计算方法和锂离子电池寿命模型，并提出了考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型及其求解方法，有利于在储能的生命周期内最大化对电力系统的调峰作用。

本发明提出的锂离子电池寿命终点计算方法及锂离子电池寿命模型，具有一定的通用性，能够嵌入其他考虑储能的电力系统优化运行模型并快速求解，比如能够应用于考虑储能的电力系统经济调度、机组组合、电源电网优化规划、电力市场仿真模拟，最大限度地发挥储能对于电力系统的调峰调频、促进可再生能能源消纳、缓解电网阻塞及需求侧响应的作用。

附图说明

图1为本发明涉及的锂离子电池电站并网结构图。

图2为江苏电网负荷峰谷平时段及充放电示意图。

具体实施方式

本发明提出一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，包括以下步骤：

1)根据锂离子电池寿命终点，进行实验获取锂离子电池寿命原始数据；具体步骤如下

1-1)根据储能调峰电站的锂离子电池型号，选取相同型号的锂离子电池；在环境温度、充放电速率、充放电时间间隔相同的情况下，利用多组电池(可根据精度要求取值20组及以上)同步进行以下实验：不同组电池选取不同的放电深度d(放电深度定义为电池每次循环放出的能量与总容量的比值，取值为0-1之间)，每组电池以恒定的放电深度d进行电池循环实验。记录每组电池放电深度d及每次循环的充电效率

和放电效率

通过下式计算电池及连接逆变器的总充电效率和总放电效率η^cha、η^dis：

其中，

为逆变器充电效率，

为逆变器放电效率，均为固定值，可查阅逆变器铭牌和参考手册。

1-2)对步骤1-1)的结果进行判定：若总充电效率和总放电效率满足式(2)，则判断该组电池到达寿命终点，并记录下此时电池的循环次数即为该组电池寿命期内最大循环次数

否则继续该组电池的循环实验，直到得到每组电池的放电深度与对应的寿命期内最大循环次数，获取锂离子电池寿命原始数据完毕。

其中，P为谷时刻充入电池中的电量，π^p、π^v分别为电网峰时电价和谷时电价，CST为储能调峰电站固定运行成本。上式表明当电池及逆变装置的充放电效率不足以支撑储能峰谷套利时储能电池应当报废。

图1为本发明涉及的锂离子电池电站并网结构图。图1中给出了并网储能电站与逆变器、变压器的连接关系：储能电站(锂离子电池电站)输出直流电，通过连接的逆变器并入实际交流电网。

2)确立锂离子电池循环寿命模型；

锂离子电池的寿命由浮充寿命(float life)和循环寿命(cycle life)两者中的较小值确定。浮充寿命受储能循环次数的影响较小，可以认为是固定值。循环寿命主要与锂离子电池的放电深度(DOD，depth ofdischarge)有关。具体步骤如下

2-1)根据步骤1)实验得到的锂离子电池寿命原始数据：放电深度为d和寿命期内最大循环次数

利用最小二乘法对式(3)的幂函数进行拟合，得到锂离子电池循环寿命模型参数N₀、k，其中N₀代表放电深度为1时电池的最大循环次数，k决定放电深度对最大充放电次数的影响程度。

其中，

表示储能调峰电站以放电深度d充放电的最大次数；

2-2)根据式(3)的模型可得，进行n^d次放电深度为d的循环后，锂离子电池寿命损耗率g(n^d,d)为：

当损耗率之和为1时锂离子电池报废。

3)构建考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型，该模型由目标函数和约束条件构成，具体如下：

3-1)确定储能调峰电站优化运行模型的目标函数；

为了最大化储能调峰电站在生命期内为电网调峰的作用，储能调峰电站优化运行模型的目标函数为最大化储能调峰电站寿命期内总调峰量。

储能调峰电站的日内调峰量PR^day为：

其中P_i为储能调峰电站第i次充电的能量(锂离子电池自放电率很小，因此忽略自放电率)。式(5)等式右边括号里第一项为负荷高峰时的充电量，第二项为负荷低谷时向电网的放电量。

则目标函数储能调峰电站寿命期内总调峰量PR^total为：

PR^total＝min(T_float,T_cycle)×PR^day (6)

其中，T_float为锂离子电池的浮充寿命(天)，为固定常数；T_cycle为锂离子电池的循环寿命(天)。

3-2)确定储能调峰电站优化运行模型的约束条件；具体如下：

储能放电深度与储能出力关联约束：

其中，d_i为储能调峰电站第i次充放电的放电深度，C为储能容量。

储能放电深度限制约束：

0≤d_i≤1 (8)

根据式(4)，储能每天的损耗为

则得到储能循环寿命约束：

其中，

表示储能调峰电站每天以放电深度d_i充放电的次数。

储能充放电效率及储能容量约束：

C＝k^cC₀ (11)

其中，

C₀分别为锂离子电池出厂时的放电效率，充电效率，初始容量；

分别为逆变器的放电效率、充电效率；k^dis、k^cha、k^c分别为储能放电效率、充电效率、初始容量的折扣系数。折扣系数可以选取生命周期初始阶段和寿命终止阶段的平均值，或者以月或年为单位选取递减值。

本发明考虑的是储能调峰电站，调峰电站只在负荷高峰时充电，负荷低谷时放电，每天充放电的时间及次数由实际电网的峰谷平时段决定。例如，图2为江苏电网负荷峰谷平时段及充放电示意图。峰时段为负荷高峰，谷时时段为负荷低估，因此储能在一天内需要进行两次调峰充放电，分别为：

充电1：在0-8时谷时充电，在8-12时峰时放电，提高谷时负荷，降低峰时负荷，起到降低峰谷差的调峰作用；

充电2：在12-17时平时充电，在17-21是峰时放电，提高平时负荷，降低峰时负荷，起到调峰作用。

4)对步骤3)建立的模型求解；

内嵌锂离子寿命模型的储能调峰电站优化运行模型求解全过程如下：

收集逆变器运行效率、电网负荷峰谷平时段及峰谷平电价数据；

利用商业软件CPLEX或遗传算法求解步骤3)考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型，得到储能调峰电站P_i和储能调峰电站运行寿命T＝min(T_float,T_cycle)的最优解，得到储能调峰电站优化运行方案。

Claims (1)

1.一种考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据锂离子电池寿命终点，进行实验获取锂离子电池寿命原始数据；具体步骤如下

1-1)根据储能调峰电站的锂离子电池型号，选取相同型号的锂离子电池；在环境温度、充放电速率、充放电时间间隔相同的情况下，利用N组电池同步进行以下实验：

对每组电池选取不同的放电深度d，每组电池以恒定的放电深度d进行电池循环实验，记录每组电池放电深度d及每次循环的充电效率

和放电效率

通过下式计算电池及连接逆变器的总充电效率和总放电效率η^cha、η^dis：

其中，

为逆变器充电效率，

为逆变器放电效率；

1-2)对步骤1-1)的结果进行判定：若总充电效率和总放电效率满足式(2)，则判断该组电池到达寿命终点，并记录下此时电池的循环次数即为该组电池寿命期内最大循环次数

否则继续该组电池的循环实验，直到得到每组电池的放电深度与对应的寿命期内最大循环次数，获取锂离子电池寿命原始数据完毕；

其中，P为谷时刻充入电池中的电量，π^p、π^v分别为电网峰时电价和谷时电价，CST为储能调峰电站固定运行成本；

2)确立锂离子电池循环寿命模型；具体步骤如下

2-1)根据步骤1)得到的锂离子电池寿命原始数据，利用最小二乘法对式(3)的幂函数进行拟合，得到锂离子电池循环寿命模型参数N₀、k，其中N₀代表放电深度为1时电池的最大循环次数，k决定放电深度对最大充放电次数的影响程度；

其中，

表示储能调峰电站以放电深度d充放电的最大次数；

2-2)根据式(3)，进行n^d次放电深度为d的循环后，锂离子电池寿命损耗率g(n^d,d)为：

当损耗率之和为1时锂离子电池报废；

3)构建考虑锂离子电池寿命的储能调峰电站优化运行模型，该模型由目标函数和约束条件构成，具体如下：

3-1)确定储能调峰电站优化运行模型的目标函数；

储能调峰电站优化运行模型的目标函数为最大化储能调峰电站寿命期内总调峰量；

储能调峰电站的日内调峰量PR^day为：

其中P_i为储能调峰电站第i次充电的能量；

则储能调峰电站寿命期内总调峰量PR^total为：

PR^total＝min(T_float,T_cycle)×PR^day (6)

其中，T_float为锂离子电池的浮充寿命，T_cycle为锂离子电池的循环寿命

3-2)确定储能调峰电站优化运行模型的约束条件；具体如下：

储能放电深度与储能出力关联约束：

其中，d_i为储能调峰电站第i次充放电的放电深度，C为储能容量；

储能放电深度限制约束：

0≤d_i≤1 (8)

根据式(4)，储能每天的损耗为

则得到储能循环寿命约束：

其中，

表示储能调峰电站每天以放电深度d_i充放电的次数；

储能充放电效率及储能容量约束：

C＝k^cC₀ (11)

其中，

C₀分别为锂离子电池出厂时的放电效率，充电效率，初始容量；

分别为逆变器的放电效率、充电效率；k^dis、k^cha、k^c分别为储能放电效率、充电效率、初始容量的折扣系数；

4)对步骤3)建立的模型求解，得到储能调峰电站P_i和储能调峰电站运行寿命T＝min(T_float,T_cycle)的最优解，得到储能调峰电站优化运行方案。

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