CN111934312A - 一种基于风险防御的梯次利用重构储能系统容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风险防御的梯次利用重构储能系统容量配置方法，首先，考虑退役动力电池模组具有初始容量不一致特性，在其重构储能系统梯次利用过程中设置动态安全裕度，有效降低电池寿命损耗；其次，综合考虑重构储能系统梯次利用周期成本及动态供需平衡特性优化储能配置；最后，根据被配置对象需求，采用均衡控制确定各个电池模组充放电特性，验证所配置容量是否满足被配置对象的需求。此设计方法可以有效降低退役动力电池梯次利用寿命损耗，实现资源合理优化配置，增加环境收益。

Description

一种基于风险防御的梯次利用重构储能系统容量配置方法

技术领域

本发明涉及退役动力电池梯次利用技术领域，具体涉及一种基于风险防 御的退役动力电池梯次利用重构储能系统容量配置方法。

背景技术

随着汽车产业结构的调整，电动汽车逐渐替代传统的燃油汽车。当电动 汽车行驶一定行程后，动力电池性能逐渐下降，当电池剩余容量为标称容量 70％～80％之间时，动力电池将从电动汽车上退役下来，可梯次利用于电力系 统、备用电源等领域。将退役动力电池进行梯次利用可有效提高其剩余寿命 周期价值，降低退役动力电池拆解所造成的环境污染与资源浪费。

动力电池退役规模逐渐加大，若将其重构成储能系统应用于电力系统中， 有效地节约储能系统的初始投资成本。但退役动力电池存在初始容量不一 致、剩余寿命短、运行安全风险高等问题。如何有效地发挥退役动力电池优 势，降低初始容量不一致对梯次利用重构储能系统的影响，合理地实现储能 系统容量配置是目前亟待解决主要问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于风险防御的退役动力电池梯次利 用重构储能系统容量配置方法，充分考虑退役动力电池初始容量不一致对储 能配置的影响，提出基于风险防御的梯次利用储能容量配置方法，充分发挥 退役动力电池成本优势，提高退役动力电池利用效率，减少资源浪费。

根据电力系统的配置需求，提出退役动力电池梯次利用重构储能系统容 量配置方法：考虑重构储能系统的风险类型，设置储能系统的动态安全裕度， 建立储能系统的校正模型，实现储能系统的合理配置。

一种基于风险防御的退役动力电池梯次利用重构储能系统容量配置方法 所包含的步骤如下：

第一步，确定梯次利用重构储能系统的各个单体电池健康状态(State ofHealth,SOH)；

根据单体电池寿命衰减特性建立SOH评估模型为：

式中，△α_{b_i}(t)为t-1到t时刻单体电池寿命衰减程度，α_{b_i}(t)为电池寿命衰 减程度，l_{b_i}(t)为第i个储能电池t时刻寿命衰减值，P_{b_i}(t)为第i个储能电池t 时刻功率输出，SOC_{b_i} ^max为第i个储能电池SOC最大值，T为充放电时间，D_i，t为第i个储能电池t时刻充放电深度，退役动力电池取值范围为[0，0.8]，L_{loss_δ，Di}为不同充放电深度D_i对应的寿命损耗。

第二步：根据各个单体电池剩余容量及SOH，确定重构储能系统SOC 充放电裕度[X％，Y％]，[X％，Y％]∈[20％，80％]；预估被配置对象在极端 场景下对储能系统功率需求，充分考虑退役动力电池寿命损耗特性，预设梯 次利用重构储能系统的动态安全裕度(X％-x％)+(y％-Y％)，x％为动态安全裕 度下限，y％为动态安全裕度上限；

第三步：缩小退役动力电池充放电裕度[x％，y％]，充放电裕度边界值为：

式中，ΔP_x(t)为被配置对象功率需求；β为功率转换系数，N_Di为充放电 次数。

第四步：以重构储能系统梯次利用过程中周期成本最小为目标建立容量 配置优化模型；

4-1：以重构储能系统过充、过放产生的寿命损耗成本最小为优化目标。

考虑重构储能系统是否存在过充及过放现象，估算其对寿命损耗的影 响，折算为成本函数，具体表达式为：

式中，χ_Di，t为充放电深度D_i，t时的成本系数，ΔC_{b_i}(t)为容量偏差值，C_{Di_δ}(t)，C_{Di_ε}(t-1)为不同时刻及充放电深度下的容量值，I为配置储能单元个数。

4-2：以能量损失成本最小为目标。

若重构储能系统初始配置存在偏差，导致分布式能源利用率下降，折算 为成本函数，具体表达式为：

式中，A,B,C分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源的总个 数，P_{WT_as},P_{PV_bs},P_{OV_cs}分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源对 应的功率输出，S为重构储能系统对应被配置对象总个数，max为被配置对 象中分布式电源输出功率最大值，minP_{b_i}(t)为重构储能系统最差功率输出平 均值，Z_t为分时电价，r银行的利率；J为储能系统的使用年限。

4-3：以购电成本最小为目标。

如重构储能系统初始配置存在偏差，导致向电网购电，折算为成本函数， 具体表达式为：

式中，P_{load_s}(t)为负荷需求值。

第五步：考虑供需平衡对重构储能系统容量配置优化。

在用电高峰期或发电量预测不准确时，被配置对象中重构储能系统存在 不能完全满足负荷供电需求的情况，考虑失电情况折算为成本函数，具体表 达式为：

式中，

为负荷损失对应成本系数，ΔP_{Q_s}(t)为第s个被配置对象缺 负荷量，P_{s_d}(t)负荷需求。

第六步：在对梯次利用重构储能系统进行容量配置时，选取的优化目标 为梯次利用储能系统寿命周期成本、考虑供需平衡的失电成本，多目标优化 的目标函数为：

f＝min[ξ₁(ω₁f_{1_1}+ω₂f_{1_2}+ω₃f_{1_3})+ξ₂f₂] (7)

式中，ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁,ξ₂为权重系数，且满足ω₁+ω₂+ω₃＝1,ξ₁+ξ₂＝1。

在优化过程中，考虑梯次利用寿命周期成本各个目标之间的优先级、供 需平衡对应失电成本的优先级，根据需求设置参数ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁和ξ₂的值进 行容量配置。

第七步：根据被配置对象需求，确定每个单体电池均衡控制所对应的功 率需求；

为了有效地提高重构储能系统在梯次利用过程中的运行寿命，根据公式 (2)设置动态安全裕度，正常运行场景下，得到每个单体电池SOC充放电 裕度为[X％-x％,y％-Y％]，进而得到电池输出功率P_{b_i}(t)，计算重构储能系统 需提供功率输出

基于均衡控制计算每个单体电池的输出占比τ_i为

本发明的优点与积极效果如下：

(1)在对梯次利用重构储能系统容量配置时，充分考虑电池模块剩余容 量、SOC及SOH关联特性，有效地管控退役动力电池梯次利用过程中的健 康度。设置动态安全裕度，目的是为了避免配置后重构储能系统梯次利用时， 由于调控不准确导致过充、过放现象，影响系统运行寿命，有效地降低配置 对象对备用容量需求。

(2)重构储能系统梯次利用优势在于初始投资成本低、环境收益高，因 此本发明中充分考虑梯次利用储能系统寿命周期成本问题，建立过充过放、 容量不匹配与梯次利用储能系统寿命周期成本关系模型，以此为目标对重构 储能系统进行容量配置，充分发挥其成本优势，实现大规模退役动力电池梯 次利用。

附图说明

图1：梯次利用重构储能系统动态安全裕度设定示意图。

图2：梯次利用重构储能系统配置流程图。

图3：梯次利用重构储能系统动态安全裕度示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

第一步，确定梯次利用重构储能系统的各个单体电池健康状态(State ofHealth,SOH)，建立剩余容量、荷电状态(State of Charge,SOC)及SOH关 联特性；

1-1：SOC与功率输出的关联特性为：

式中，P_{b_i}(t)为第i个储能电池t时刻功率输出，SOC_{b_i}(t)、SOC_{b_i}(t+1) 为第i个储能电池t时刻及t+1时刻的荷电状态，C_{b_ie}为剩余容量。

1-2：t时刻ESS的寿命衰减数学模型为：

式中，△α_{b_i}(t)为t-1到t时刻单体电池寿命衰减程度，α_{b_i}(t)为寿命衰减程 度，l_{b_i}(t)为第i个储能电池t时刻寿命衰减值，SOC_{b_i} ^max为第i个储能电池SOC 最大值。

1-3：根据单体电池寿命衰减特性建立SOH评估模型为：

式中，T为充放电时间，D_i，t为第i个储能电池t时刻充放电深度，退役动 力电池取值范围为[0，0.8]，L_{loss_δ,Di}为不同充放电深度D_i对应的寿命损耗。

第二步：根据各个单体电池剩余容量及SOH，确定重构储能系统SOC 充放电裕度[X％，Y％]，[X％，Y％]∈[20％，80％]；

第三步：根据退役动力电池运行数据，模拟电池寿命损耗特性，预估配 置对象极端场景对储能系统功率需求，充分考虑退役动力电池寿命损耗特 性，预设梯次利用重构储能系统的动态安全裕度为(X％-x％)+(y％-Y％)；

式中，ΔP_x(t)为被配置对象功率需求；β为功率转换系数，N_Di为充放电 次数。

第四步：缩小退役动力电池充放电裕度[x％，y％]，充放电裕度设定值为：

第五步：以重构储能系统梯次利用过程中周期成本最小为目标建立容量 配置优化模型；

5-1：以重构储能系统过充、过放产生的寿命损耗成本最小为优化目标

考虑重构储能系统是否存在过充及过放现象，估算其对寿命损耗的影 响，折算为成本函数，具体表达式为

式中，χ_Di，t为充放电深度D_i，t时的成本系数，ΔC_{b_i}(t)为容量偏差值，C_{Di_δ}(t)，C_{Di_ε}(t-1)为不同时刻及充放电深度下的容量值。

5-2：以能量损失成本最小为目标

若重构储能系统初始配置存在偏差，导致分布式能源利用率下降，折算 为成本函数，具体表达式为

式中，A,B,C分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源的总个 数，P_{WT_as},P_{PV_bs},P_{OV_cs}分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源对 应的功率输出，S为重构储能系统对应被配置对象总个数，max为被配置对 象中分布式电源输出功率最大值，minP_{b_i}(t)为重构储能系统最差功率输出平 均值，Z_t为分时电价，r银行利率；J为储能系统使用年限。

5-3：以购电成本最小为目标

如重构储能系统初始配置存在偏差，导致向电网购电，折算为成本函数， 具体表达式为：

式中，P_{load_s}(t)为负荷需求值。

第六步：考虑供需平衡对重构储能系统容量配置优化；

在用电高峰期或发电预测不准确时，被配置对象中重构储能系统存在不 能完全满足负荷供电需求的情况，考虑失电情况折算为成本函数，具体表达 式为：

式中，

为负荷损失对应成本系数，ΔP_{Q_s}(t)为第s个被配置对象缺 负荷量，P_{s_d}(t)负荷需求。

第七步：在对梯次利用重构储能进行容量配置时，选取的优化目标为梯 次利用寿命周期成本、考虑供需平衡的失电成本，多目标优化的目标函数为

f＝min[ξ₁(ω₁f_{1_1}+ω₂f_{1_2}+ω₃f_{1_3})+ξ₂f₂] (18)

式中，ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁,ξ₂为权重系数，且满足ω₁+ω₂+ω₃＝1,ξ₁+ξ₂＝1。

在优化过程中，考虑梯次利用寿命周期成本各个目标之间的优先级、供 需平衡对应失电成本的优先级，根据需求设置参数ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁和ξ₂的值进 行容量配置。

第八步：根据被配置对象需求，确定每个单体电池均衡控制所对应的功 率需求；

为了有效地提高重构储能系统在梯次利用过程中的运行寿命，根据公式 (13)设置动态安全裕度，正常运行场景下，得到每个单体，电池SOC充 放电裕度为(X％-x％)+(y％-Y％)，进而得到P_{b_i}(t)，计算重构储能系统需提供 功率输出

基于均衡控制计算每个单体电池的输出占比τ_i为：

在优化配置过程中考虑约束条件主要为

1)提高重构储能系统使用的寿命，要求单体电池SOC不越限；

minSOC_{b_i}<SOC_{b_i}(t)≤maxSOC_{b_i} (20)

3)当对分布式电源出力、负预测预测不准确时，重构储能系统需满足 被配置对象最低功率需求；

P_{b_i}(t)≥minΔP_x(t) (21)

特定情况下梯次利用重构储能系统动态安全裕度图，在用电高峰期时， 预留的安全裕度较大，在用电平时或低谷时期预留的安全裕度较小。根据配 置对象在极端场景下得出预留安全裕度评估结果，具体如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于风险防御的梯次利用重构储能系统容量配置方法，其特征在于所包含的步骤如下：

第一步：确定梯次利用重构储能系统各个单体电池健康状态(State Of Health,SOH)；

根据单体电池寿命衰减特性建立电池SOH评估模型为：

式中，△α_{b_i}(t)为t-1到t时刻单体电池寿命衰减程度，α_{b_i}(t)为寿命衰减程度，l_{b_i}(t)为第i个储能电池t时刻寿命衰减值，P_{b_i}(t)为第i个储能电池t时刻功率输出，SOC_{b_i} ^max为第i个储能电池SOC最大值，T为充放电时间，D_i，t为第i个储能电池t时刻充放电深度，退役动力电池取值范围为[0，0.8]，L_Di，t为不同充放电深度D_i对应的寿命损耗。

第二步：根据各个单体电池剩余容量及SOH，确定重构储能系统SOC充放电裕度[X％，Y％]，X％为SOC上限值，Y％为SOC下限值，初始[X％，Y％]∈[20％，80％]；预估被配置对象极端场景下对储能系统功率需求，充分考虑退役动力电池寿命损耗特性，预设梯次利用重构储能系统的动态安全裕度(x％-X％)+(Y％-y％)，x％为动态安全裕度下限，y％为动态安全裕度上限；

第三步：缩小退役动力电池充放电裕度[x％，y％]，充放电裕度边界值为：

式中，ΔP_x(t)为被配置对象功率需求；β为功率转换系数，N_Di为充放电次数。

第四步：以重构储能系统的梯次利用周期成本最小为目标建立容量配置优化模型；

4-1：以重构储能系统过充、过放产生的寿命损耗成本最小为优化目标。

考虑重构储能系统是否存在过充及过放现象，估算其对寿命损耗的影响，折算为成本函数，具体表达式为：

式中，χ_Di，t为充放电深度D_i，t时的成本系数，ΔC_{b_i}(t)为容量偏差值，C_{Di_δ}(t),C_{Di_ε}(t-1)为不同时刻及充放电深度下的容量值，I为配置储能单元个数。

4-2：以能量损失成本最小为目标。

若重构储能系统初始配置存在偏差，导致分布式能源利用率下降，折算为成本函数，具体表达式为：

其中，A,B,C分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源的总个数，P_{WT_as},P_{PV_bs},P_{OV_cs}分别为风力发电机组，光伏发电及其他分布式电源的功率输出，S为重构储能系统对应被配置对象总个数，max为被配置对象中分布式电源输出功率最大值，minP_{b_i}(t)为重构储能系统最差功率输出平均值，Z_t为分时电价，r银行的利率；J为储能系统的使用年限。

4-3：以购电成本最小为目标。

如重构储能系统初始配置存在偏差，导致向电网购电，折算为成本函数，具体表达式为：

式中，P_{load_s}(t)为负荷需求值。

第五步：考虑供需平衡对重构储能系统容量配置优化；

在用电高峰期或发电量预测不准确情况下，被配置对象中重构储能系统存在不能完全满足负荷供电需求时，考虑失电情况折算为成本函数，具体表达式为：

式中，

为负荷损失对应成本系数，ΔP_{Q_s}(t)为第s个被配置对象缺负荷量，P_{s_d}(t)负荷需求。

第六步：在对梯次利用重构储能系统进行容量配置时，选取的优化目标为梯次利用储能系统寿命周期成本、考虑供需平衡的失电成本，多目标优化的目标函数为：

f＝min[ξ₁(ω₁f_{1_1}+ω₂f_{1_2}+ω₃f_{1_3})+ξ₂f₂] (7)

式中，ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁,ξ₂为权重系数，且满足ω₁+ω₂+ω₃＝1,ξ₁+ξ₂＝1。

在优化过程中，考虑梯次利用寿命周期成本各个目标之间的优先级、供需平衡对应失电成本的优先级，根据需求设置参数ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁和ξ₂的值进行容量配置。

第七步：根据被配置对象需求，确定每个单体电池均衡控制所对应的功率需求：

为了有效地提高重构储能系统在梯次利用过程中的运行寿命，根据公式(2)设置动态安全裕度，正常运行场景下，得到每个单体电池SOC充放电裕度为[X％-x％,y％-Y％]，进而得到单体电池输出功率P_{b_i}(t)，计算重构储能系统需提供功率输出

基于均衡控制计算每个单体电池的输出占比τ_i为：

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