电网侧大规模电化学储能运行效率及寿命衰减建模方法综述

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-04-14 09:20 热度：

　　摘要：电化学储能在电力系统中扮演着重要的角色，近期对电网侧大规模电化学储能参与电力系统调度运行及控制的研究层出不穷。电化学储能的运行效率和寿命衰减特性受到储能充放电速率、充放电深度和运行温度的非线性影响，这些影响在现有的电网侧电化学储能研究中考虑的并不全面。文中介绍了锂离子电池、超级电容和全钒液流电池 3 种电化学储能系统的原理与特点，综述并归纳了这 3 种电化学储能系统运行效率的建模方法和寿命衰减的建模方法。最后，提出了电网侧大规模电化学储能系统运行效率和寿命衰减建模方法有待进一步考虑的问题，并对未来的研究方向进行了展望。

　　关键词：电化学储能;运行效率;寿命衰减;荷电状态;放电深度

　　0 引言

　　随着现代电力系统快速发展，未来电力系统高度不确定性和稳定性等问题将日益突出[1]。电网侧大规模电化学储能系统由于其可灵活配置、易运行维护等特点在电力系统中应用广泛[2]。电化学储能是指通过发生可逆的化学反应来储存或者释放电能的储能技术[3]。电网侧大规模电化学储能系统能快速响应调频信号[4]，减少负荷峰谷差[5]，缓解电网阻塞[6]，保证电力系统运行的可靠性与经济性。同时电化学储能系统能有效促进可再生能源消纳，是实现高比例可再生能源电力系统的重要手段[7]。此外，在电力系统调度运行中综合使用多种电化学储能技术能充分发挥不同储能技术的互补性，实现电力系统经济效益的最大化[8]。

　　为促进电网侧大规模电化学储能的发展，世界各国制定了一系列的支持政策：美国联邦能源监管局通过制定相关法案承认了储能系统参与自动发电控制(AGC)调频服务市场的合法性并解决了其获取合理投资收益的问题，从而支持大规模储能参与电力市场辅助调频服务[9];美国能源部也于 2009 年启动电力行业基础设施投资建设计划，其中包括用 0.97 亿美元资助 11 个总容量为 62.31 MW 的电化学储能示范项目[10];中国于 2014 年 11 月发布《能源发展战略行动计划(2014—2020 年)》[11]，首次将储能列入 9 个重点创新领域之一，要求科学安排储能配套能力以切实解决弃风、弃水、弃光问题;2017 年 10 月中国又发布《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》[12];日本于 2014 年 5 月起多次实施针对锂离子电池储能系统的补贴计划，以促进电化学储能发展[13]。正由于上述政策的支持，全球范围内电网侧大规模电化学储能蓬勃发展：根据美国能源部能源资讯局的数据，截至 2018 年，美国全国共运行 708 MW/867 MW·h 的大规模电化学储能[14];在 2018 年 7 月，中国江苏镇江 101 MW/202 MW·h 的电网侧电化学储能电站也正式并网投运[15];日本也在国内建成多个用于频率偏移补偿的锂离子电池电站。

　　随着电网侧电化学储能的大规模安装与运行，电化学储能的运行效率和寿命衰减特性对电力系统运行可靠性、经济性的影响日益增大。现有研究发现 ，电 化 学 储 能 充 放 电 速 率 、充 电 和 放 电 深 度(DOD)和运行温度对其运行效率以及寿命衰减会有非线性影响，对于某些电化学储能，储能荷电状态(SOC)也是影响其运行效率和寿命衰减的重要因素[16]。但当前电力系统中常用的电化学储能运行模型和控制模型形式较为简单，一般只考虑储能装置充放电功率的上下限约束，储能装置初始储存能量的约束，储能装置储存能量的上下限约束和储能装置储存能量的时序变化约束[17-27]，其中文献[17- 27]中电化学储能系统运行模型均没有考虑电化学储能系统运行效率随储能运行工况的变化而变化。寿命衰减建模方面，文献[17-24]中并未考虑储能运行过程中的寿命衰减，文献[25]将储能的寿命折损成本建模为关于储能充电功率的二次多项式;文献[26]将储能的寿命折损成本建模为与储能充放电电量成正比的表达式。文献[27]将储能的寿命折损成本建模为与储能的充放电电量和充放电功率加和项成正比的表达式。但上述考虑寿命衰减的储能运行模型只是简单地将储能的寿命衰减建模为关于储能充放电电量或者充放电功率的多项式，因此当前的电化学储能模型无法很好地考虑储能的运行效率和寿命衰减及其随储能运行工况的变化。同时目前虽已有较多对电化学储能运行效率和寿命衰减建模方法的研究，但这些方法大多以储能系统内部的微观状态建模[28-30]，或直接以人为经验建模[31-32]，繁简不一，不适用于电网侧电化学储能的建模;此外，大 多 数 建 模 方 法 仅 适 用 于 某 种 特 定 的 储 能 技术[33-35]，不利于电力系统对多种电化学储能技术的统一建模与调度控制。因此，本文对各类电化学储能技术的运行效率与寿命衰减的建模方法进行概览与综述，并从电网侧的角度对各个建模方法进行分析与总结，希望能为电力系统调度运行与控制中的电网侧大规模电化学储能建模研究提供建议。

　　1 电化学储能技术成熟度

　　技术成熟度是选择储能系统的首要考虑因素。成熟的储能技术往往拥有丰富的运行规程与运行经验，从而可保证储能系统的稳定运行，为电力系统的各类服务提供支撑。同时，成熟的储能技术往往具有落地的成本优势，在参与电力系统调度运行时投资成本与运行成本均较低，可保证电力系统调度运行的经济性。相比于其他储能技术，由于电化学储能具有能量密度大、转换效率高、建设周期短、站址适应性强等优点，因此电化学储能的应用较为广泛，技术也已经较为成熟[36]。同时，由于电网侧储能、电动汽车等应用需求的拉动，电化学储能器件的市场 规 模 在 前 几 年 以 接 近 20%~30% 的 增 长 率 提高[37]。与此同时，每一种电化学储能技术通过材料 、结 构 设 计 、制 造 能 力 的 提 高 也 都 在 不 断 地 进步[37]。根据内部化学物质的不同，电化学储能可以分为锂离子电池、电化学超级电容、液流电池、钠硫电池和铅酸电池等。目前世界各地都兴建了电网侧大规模电化学储能系统[38-41]，其中美国建有的电化学储能系统较多，在电化学储能技术上处于领先地位;由于中国近期国家政策方针的支持，中国的电化学储能技术也取得了十足的发展。正因为国内外能源行业对电化学储能技术的高度重视，使得电化学储能技术得到了极大的进步，典型电化学储能技术的参数如表 1 所示[42]。

　　目前由于电化学储能系统容量占电力系统总装机容量的比例较低、发挥作用有限，因此电力系统运行模型往往不考虑电化学储能在不同工况下的运行特性：例如将电化学储能系统的运行效率建模为常数[43-44]，认为不同运行条件造成的储能寿命衰减程度相同[45]等等，由此建立的储能运行模型也较为简单。而在可预见的未来，电化学储能系统必将成为电力系统的核心支撑设备，精细化考虑电化学储能技术的运行特性势在必行。因此，本文将对锂离子电池、超级电容和全钒液流电池这 3 种目前应用前景较为广阔的电化学储能技术的运行效率和寿命衰减建模方法进行综述。

　　需要指出的是，电网侧电化学储能系统一般由多个电化学储能单元组成，在某些情况下，系统内部各个电化学储能单元的运行工况会由于各个储能单元参数的差异而不同，各个储能单元运行工况的不同将导致整个系统性能的恶化。为解决该问题，目前电网侧电化学储能系统往往配备有电池管理系统(battery management system，BMS)来 实 时 监 测 储能状态，并完成保护、充放电控制和均衡等多项功能[46]。此外，目前也有研究提出动态可重构电池技术来消除各储能单元之间的差异性对储能系统整体性能的影响[47]。鉴于上述技术与装置，本文后续将不再考虑电化学储能系统中各个储能单元的差异性及其对系统运行效率和寿命衰减的影响。同时相比于其他应用场景下的电化学储能，电网侧电化学储能的建模方法更需要关注电网侧电气量，并将电网侧电气量作为储能模型的表征参量。而作为电化学储能系统的基本组成单元，储能单体的寿命衰减和运行效率的建模机理与储能系统本质相近，但不同的是储能单体模型基于单体内部的电化学变量建立，而电化学储能系统模型基于系统外特性与电网侧电气量建立。

　　2 锂离子电池

　　2. 1 技术原理

　　锂离子电池的充放电依赖于 Li+ 在 2 个电极之间往返嵌入和脱嵌。目前锂离子电池的正极和负极可使用多种材料，而应用较为广泛的是磷酸铁锂电池、三元锂离子电池(镍钴锰及镍钴铝)和钛酸锂电池。其中磷酸铁锂电池主要优点为安全性高、绿色友好，同时原材料来源广泛，但其能量密度较低。三元锂离子电池的主要优点为比能量高和循环性能好，但其安全性差、对环境不友好，同时制备原材料贫乏[48]。钛酸锂电池的主要优点为安全性高和循环寿命长，但其能量密度较低，同时在使用过程中存在产气的问题[49-50]。电力系统对大规模储能的特性需求为安全性高、可量产和环境友好，而温度控制系统的存在使电力系统对储能温度特性的需求较低，同时电力系统中较为充足的空间使电力系统对储能能量密度特性的需求也较低，故磷酸铁锂电池十分适用于大规模参与电力系统的调度运行与控制。

　　综上所述，锂离子电池具有循环稳定、比能量/ 比功率高等优点，是目前电化学储能技术中应用领域较为广泛、应用前景较为广阔的一种储能形式。

　　2. 2 运行效率建模方法

　　锂离子电池运行过程中的功率损耗主要源于电池内电阻的热损耗和极化损耗[51]。锂离子电池单体的循环效率一般在 84%~97% 之间[52]，当考虑锂离子电池配套的电力电子变换器时，锂离子电池系统的效率为 70%~80%[52-53]。目前也有较多关于高效率锂离子电池电力电子变换器和高效率控制算法的研究，可将锂离子电池系统的效率提升至 95%~ 98%[54-55]。在实际运行过程中，锂离子电池的效率会随着电池温度、电池 SOC 和电池充放电功率大小的变化而变化[56]。文献[57]通过对锂离子电池的充放电行为的实验探究得到了锂离子电池的动态充放电特征，从而推导出锂离子电池充电和放电时极化电阻的表达式。文献[58]提出了一种根据锂离子电池充放电动态特征计算电池内电阻的方法，进而通过内电阻计算电池热功率损耗，该方法同样适用于镍氢电池。文献[59]提出了基于物理特性的磷酸铁锂电池非线性运行模型，虽然该模型可用于储能的运行优化，但首先需要对电池内部热力学过程、电荷传导和电荷转移等动态过程进行精确建模。文献[60]对锂离子电池内部的电化学过程进行建模，从而可以计算电池的运行效率，但在模型构建过程中需要准确的电化学过程数据。

　　文献[53]通过实际测量待机模式和运行模式下的各个模块的功率损耗，从而算出锂离子电池储能系统中监测与控制系统的功率损耗。从上述综述可知，锂离子储能系统运行效率的建模方法往往通过研究锂离子储能系统的内电阻和极化电阻的损耗来实现。虽然目前有较多研究锂离子电池运行效率随工况变化的文献，但锂离子电池在正常运行时的运行效率变化较小，大约在 10%，所以只有少数对运行效率有严格要求的应用才研究锂离子储能效率的变化，如高性能电动汽车、舰船储能等，同时该类应用的运行效率建模方法需获知锂离子储能内部精确的物理化学动态信息，不太适用于电力系统的调度运行与控制。同时锂离子储能系统中电力电子变换器和辅助系统的功率损耗一般也需要通过储能系统内部的运行状态量来建模，同样不太适用于电力系统的调度运行与控制。

　　2. 3 寿命衰减建模方法

　　电极与电池内部活性物质发生化学反应是目前公认的造成锂离子电池不可逆老化的主要原因之一。在锂离子电池内部，其正电极上的氧化反应和负电极上的还原反应都有可能发生，若两者同时发生，则电池将发生不可逆老化[64]。此外，在实际运行过程中，锂离子在电池固态电极上持续地脱落与嵌入也将使锂离子电池发生不可逆老化。故锂离子电池在充放电过程和闲置过程中都将会发生老化，通常将充放电过程的老化和闲置过程的老化分别称为循环老化和日历老化[65]。一般认为，当锂离子电池的能量容量下降为额定能量容量的 80% 时，锂离子电池将无法正常使用，处于完全老化阶段[66]。

　　一般认为锂离子电池的日历老化过程与环境温度、电池平均 SOC 和放置时间有关，大多数研究也从这些方面对日历老化进行建模。文献[67]通过实验证明了锂离子电池的日历老化与环境温度及电池运行电压有关，并建立了指数型的日历老化模型。文献[68]对以往锂离子电池的日历老化实验进行了综述，并提出了根据锂离子电池内部活性物质估计电池最大寿命的方法。文献[69]认为在环境温度保持不变时，锂离子电池的日历老化程度恒定，并在多种储能参与电力市场的调度运行模型中考虑了恒定的日历老化过程与变化的循环老化过程。文献[70]根据锂离子电池日历老化实验的结果，建立了不同工况下适用于磷酸铁锂电池和三元锂电池的日历老化模型，

　　3 超级电容

　　3. 1 技术原理

　　根据工作原理，超级电容可划分为双电层电容器和电化学电容器，其中双电层电容器依靠电容活性材料表面形成的双电层结构实现电荷存储。而电化学电容器通过活性物质表面的氧化还原反应储存能量[78]。与双电层电容器相比，电化学电容器可以提供更高的比电容和能量密度，但其倍率性能和循环性能较差[79]。与其他电化学储能技术相比，超级电容具有循环寿命长、充放电速率快、高低温性能好、能量管理简单、环境友好等优点，但是应用于长期、大容量储能场合时，存在能量密度低、端电压波动范围大和串联均压等问题[80]。目前碳电极双层电 容 器 和 金 属 电 化 学 电 容 器 在 电 力 系 统 中 均 有应用。

　　在运行效率方面，超级电容的能量损耗主要来自电容内部电阻的耗散功率[81-84]，这一点与锂离子电池的能量损耗来源类似。在寿命衰减方面，超级电容的衰老机制也分为日历衰老和循环衰老[85-86]，并且超级电容的寿命衰减程度也会随着超级电容运行工况的变化而变化，例如其寿命衰减程度会随着超级电容工作电压的变化而变化[87]，超级电容的寿命衰减特性也和锂离子电池的寿命衰减特性类似。因此，本文按照文献[88]所述将超级电容归为电化学储能，并对其运行效率和寿命衰减的建模方法进行综述。

　　3. 2 运行效率建模方法

　　超级电容器的效率一般不低于 90%，高效率的超级电容器甚至能够达到 98%[81]。由于超级电容主要为电力系统提供功率支撑，因此研究其运行效率随工况的变化十分关键。文献[81]通过实验发现，超级电容的法拉第分解反应将影响超级电容的效率，即超级电容的效率将随着运行电压的升高而升高，但该文献未提出解析的表达式，只能通过数据拟合的方式得到超级电容效率。文献[82]基于超级电容的泄漏电阻模型研究了超级电容在充放电过程中的能量损失，研究发现超级电容的能量损失正比于暂态过度时间与超级电容工作电压。据此，该文献提出了指数型的能量损失模型。文献[83]提出了考虑泄漏电流和电极表面电荷重分配的超级电容模型，相比于只考虑超级电容串并联电阻的模型，该模型能够精确地考虑超级电容能量损耗随温度、电压等参数的变化，但由于该模型较复杂，只适用于考虑极短时期内的运行状态。

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　　虽然超级电容在瞬时充放电过程中的运行效率很高，但超级电容在长期放置时存在不可忽视的自放电行为[89]。超级电容的自放电行为一般由多种因素造成，例如电容内部电荷的重新分布、漏电阻损耗等等[90]。由于超级电容的能量密度较低，因此研究其自放电损耗也十分关键。目前主要通过研究超级电容的开路电压来对超级电容的自放电行为建模[91-93]。文献[91]通过公式推导，得出超级电容的开路电压。

　　3. 3 寿命衰减建模方法

　　多孔活性炭电极的劣化和电解液不可逆分解是超级电容寿命衰减的两大主要原因，电极劣化一般由电极表面的氧化反应及其产生的杂质造成。电解液分解伴随着电容内部的氧化还原反应产生，同时产生杂质造成电容进一步老化[85]。超级电容的老化也可分为日历衰老和循环衰老[86]，但由于影响超级电容循环衰老的因素与影响日历衰老的因素均为环境温度与工作电压，因此大多数文献将 2 种衰老合并研究[87-88，94-100]。一般认为，当超级电容的能量容量下降为额定能量容量的 80% 时或者等效串联电阻增大为初始电阻值的 2 倍时，超级电容将无法正常使用，处于完全老化阶段[94]。

　　当考虑温度对超级电容寿命的影响时，大多数文献采用阿伦尼乌斯关系式[86，95-96]，也有部分文献使用艾林公式[97]。但在艾林公式中，温度与电压对超级电容寿命的影响耦合。文献[86]介绍了阿伦尼乌斯定律，提出了通过迭代取值求解阿伦尼乌斯表达式中活化能量与时间常数的方法，同时根据电容寿命正比于逆反应速率的假设提出了超级电容的寿命。

　　4 全钒液流电池

　　4. 1 技术原理

　　全钒液流电池是以全钒离子电解液作为正负极的二次电池，一个全钒液流电池系统主要包括电池堆体、全钒离子电解液、电解液储存罐、离子交换泵和液压管。工作时全钒液流电池通过离子交换泵将电解液从储存罐中泵入电池堆体内，电解液流经石墨电极发生反应后再流入电解液储存罐中。

　　4. 2 运行效率建模方法

　　全钒液流电池的效率最高可达 90%，但目前多数电力系统调度运行与控制的研究将全钒液流电池的效率视为常数，取值范围为 70%~90%[103-104]。全钒液流电池效率也随电池运行工况的变化而变化，文献[105]指出全钒液流电池运行过程中的功率损耗近似等于离子交换泵消耗的功率，并对离子交换泵消耗的功率进行建模。——论文作者：贺鸿杰 1 ，张 宁 1 ，杜尔顺 1 ，葛 毅 2 ，康重庆 1

文章名称：电网侧大规模电化学储能运行效率及寿命衰减建模方法综述

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