風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中鋰電池壽命評(píng)估

李軍徽，馮 爽，崔新振，嚴(yán)干貴，高 凱，李鴻博

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012;2．國網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林長(zhǎng)春130021;3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110000; 4．國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，吉林長(zhǎng)春130022)

風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中鋰電池壽命評(píng)估

李軍徽1，馮 爽2，崔新振1，嚴(yán)干貴1，高 凱3，李鴻博4

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012;2．國網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林長(zhǎng)春130021;3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110000; 4．國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，吉林長(zhǎng)春130022)

利用電池儲(chǔ)能構(gòu)建大規(guī)模風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，改善風(fēng)電的波動(dòng)性，成為目前研究的熱點(diǎn)。然而在此運(yùn)行方式下，電池處于頻繁的充放電運(yùn)行狀態(tài)，為了優(yōu)化電池的控制并提高其使用壽命，如何對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估十分重要。本文以鋰電池為研究對(duì)象，分析其實(shí)驗(yàn)條件下的壽命特性，考慮不規(guī)則充放電循環(huán)深度和充放電次數(shù)的影響，構(gòu)建了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行方式下鋰電池的壽命評(píng)估方法，并設(shè)計(jì)了電池儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)控制策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)?；趯?shí)測(cè)風(fēng)電數(shù)據(jù)，對(duì)此控制策略下風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和鋰電池的壽命進(jìn)行評(píng)估。

風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng);電池壽命;充放電循環(huán)深度;控制策略

1 引言

風(fēng)能作為清潔的可再生能源，其大規(guī)模開發(fā)和利用為應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境危機(jī)開辟了新的途徑［1］。但由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性和不可準(zhǔn)確測(cè)性，其輸出很難保持穩(wěn)定，隨著風(fēng)電在電源結(jié)構(gòu)中比例不斷增大，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成不利影響，甚至威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)制約了風(fēng)電自身的發(fā)展。提升源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能已經(jīng)成為風(fēng)電等新可再生能源并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［2］。從電源角度出發(fā)，一種有效的解決方案就是在風(fēng)電場(chǎng)引入規(guī)?；碾姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，利用先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)改善風(fēng)電的波動(dòng)特性，從而提高風(fēng)電的可調(diào)度性［3］。

已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的電池的控制策略和容量配置進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［4］給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)配合的綜合控制策略，但沒有考慮電池實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，容易導(dǎo)致過充、過放。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于實(shí)測(cè)電池荷電狀態(tài)修正儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率的方法，從一定程度上提高了電池壽命。文獻(xiàn)［6］選取一天的風(fēng)電輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以儲(chǔ)能成本和平滑后輸出效益最大來對(duì)儲(chǔ)能的容量進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)［7］基于風(fēng)速預(yù)測(cè)對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行配置，提高電網(wǎng)依據(jù)風(fēng)功率預(yù)測(cè)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電調(diào)度的可信性。而文獻(xiàn)［8］則是通過分析儲(chǔ)能大容量需求產(chǎn)生的原因，提出一種對(duì)預(yù)測(cè)功率進(jìn)行修正，以進(jìn)一步減小電池容量需求的方法。

然而上述研究中并未考慮或直接考慮電池的使用壽命，由于儲(chǔ)能裝置成本費(fèi)用昂貴，考慮其壽命具有重要意義，因此需建立相應(yīng)的電池壽命評(píng)估方法，為優(yōu)化電池的控制并提高其使用壽命奠定基礎(chǔ)。但是，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下電池運(yùn)行狀態(tài)不同的是，應(yīng)用在風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電方式下，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充放電頻繁交替的不規(guī)則循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件下的壽命特性對(duì)其壽命衰減進(jìn)行評(píng)估。

電池的壽命主要受到溫度、充放電等因素的影響。為了延長(zhǎng)電池的壽命，通常利用溫控系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此本文不計(jì)溫度影響，主要考慮不規(guī)則循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下充放電循環(huán)深度和充放電次數(shù)的影響，構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行方式下電池壽命評(píng)估方法。本文設(shè)計(jì)了利用儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)控制策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于實(shí)測(cè)風(fēng)電數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出性能和電池壽命特性進(jìn)行分析。

2 風(fēng)儲(chǔ)運(yùn)行下鋰電池壽命評(píng)估方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件下鋰電池壽命特性分析

電池的放電深度(DOD)指電池放電量與實(shí)際容量的比值，相應(yīng)的電池的充電深度(DOC)即為電池充電量與實(shí)際容量的比值。在此基礎(chǔ)上，定義電池的充放電循環(huán)深度，設(shè)電池的初始荷電狀態(tài)為SOC1，對(duì)電池進(jìn)行充電，使其荷電狀態(tài)上升至SOC2，然后對(duì)電池進(jìn)行放電，至荷電狀態(tài)降到SOC1時(shí)停止放電，即電池以相同充電深度和放電深度工作一次，電池對(duì)應(yīng)的充放電循環(huán)深度ΔSOC則為:ΔSOC =|SOC1－SOC2|。

以鋰電池為研究對(duì)象，文獻(xiàn)［9］在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)鋰電池在不同充放電循環(huán)深度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出了鋰電池的最大充放電循環(huán)次數(shù)，其關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可知，電池在不同的充放電循環(huán)深度下的最大充放電次數(shù)不同。

圖1 不同ΔSOC時(shí)最大充放電循環(huán)次數(shù)Fig．1 Curve of different ΔSOC and maximum number of charging and discharging

對(duì)所得到的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，得到電池運(yùn)行在某一充放電循環(huán)深度與相應(yīng)循環(huán)深度對(duì)應(yīng)的最大充放電循環(huán)次數(shù)的關(guān)系函數(shù)，從而可對(duì)任意充放電循環(huán)深度下的充放電次數(shù)進(jìn)行求解。

電池在不同的充放電循環(huán)深度下所吸收或釋放的總電量也不同。電池在充放電深度x時(shí)的電池整個(gè)壽命周期的總吞吐電量Eb為:

參考國內(nèi)大規(guī)模儲(chǔ)能示范工程容量參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)選取額定容量為10MW·h時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算可得到電池的電量如圖2所示。

圖2 不同ΔSOC時(shí)吸收(釋放)總電量Fig．2 Throughput of maximum electricity at different ΔSOC

電池使用壽命可用標(biāo)準(zhǔn)充放電狀態(tài)下吞吐的總電量來表征，即以100%的深度對(duì)電池完全充放電，當(dāng)電池到達(dá)壽命極限時(shí)，此時(shí)電池吞吐的總電量［10］。基于以上分析，可將不同充電、放電深度下電池吞吐的電量等效為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電量，計(jì)算等效的總吞吐電量，建立電池的壽命衰減函數(shù)，對(duì)風(fēng)儲(chǔ)運(yùn)行方式下電池壽命進(jìn)行評(píng)估。

2.2 鋰電池充放電深度和電量統(tǒng)計(jì)方法

為建立電池壽命衰減函數(shù)，需對(duì)風(fēng)儲(chǔ)運(yùn)行下電池不規(guī)則的充放電深度以及對(duì)應(yīng)的充放電電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具體計(jì)算步驟如下。

(1)確定電池的充放電功率Pb(采樣間隔為Ts)，充放電工作時(shí)間t，電池的額定容量EN，電池的充放電效率ηc、ηd。

(2)首先判斷電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率值Pb(1)，如果Pb(1)＞0，電池開始執(zhí)行充電任務(wù)，依據(jù)式(2)計(jì)算電池的充電電量，直到Pb(i)＜0即電池轉(zhuǎn)到放電狀態(tài)，此過程中電池的充電電量為Ec，充電深度為DOC，且DOC=Ec/EN，當(dāng)下一次電池由放電轉(zhuǎn)為充電時(shí)，重復(fù)此過程，計(jì)算下一次充電過程對(duì)應(yīng)的充電電量和充電深度，并將每次計(jì)算得到的Ec和DOC存儲(chǔ)到數(shù)組中。

(3)如果Pb(1)＜0，電池開始執(zhí)行放電任務(wù)，依據(jù)式(2)計(jì)算電池的放電電量，直到Pb(i)＞0即電池轉(zhuǎn)到充電狀態(tài)，此過程中電池的放電電量為Ed，放電深度為DOD，且DOD=Ed/EN。當(dāng)下一次電池由充電轉(zhuǎn)為放電時(shí)，重復(fù)此過程，計(jì)算下一次放電過程對(duì)應(yīng)的放電電量和放電深度，并將每次計(jì)算得到的Ed和DOD存儲(chǔ)到數(shù)組中。

2.3 鋰電池壽命衰減函數(shù)建立

根據(jù)不同充放電深度下吞吐的電量值，定義等效系數(shù)a(x)，則:

設(shè)電池共充放電n次，充放電深度分別為x1，…，xk，…，xn，則根據(jù)等效系數(shù)式(3)，可得到此次充放電過程電池等效吞吐的總電量為:

式中，ek為第k次充放電電池吞吐的電量。

定義電池的壽命衰減程度為L(zhǎng)s，則:

根據(jù)分析可知，Eb(n)越大，Ls越大，等效吞吐的總電量越大，電池壽命衰減程度越大。

3 平抑風(fēng)電功率波動(dòng)控制策略

風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可從多方面提高風(fēng)電運(yùn)行性能，減小風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。當(dāng)選取不同的上層控制目標(biāo)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式不同，控制策略也不同［11］。本文選取平抑風(fēng)電功率波動(dòng)方式設(shè)計(jì)控制策略。

利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑分鐘級(jí)的風(fēng)電功率波動(dòng)，采用基于低通濾波原理的風(fēng)電功率平抑控制策略［12］，對(duì)風(fēng)電功率中的高頻分量進(jìn)行平抑，則儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為:

式中，Pw(t)為t時(shí)刻平抑前風(fēng)電功率;Pw1(t－Δt) 為(t－Δt)時(shí)刻平抑后的風(fēng)電功率;τ為濾波時(shí)間常數(shù);τ=1/(2πfc)，fc為截止頻率。

為了評(píng)價(jià)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率平抑效果，建立平抑后風(fēng)電功率每分鐘最大波動(dòng)量的評(píng)價(jià)指標(biāo):

式中，k為常數(shù)，根據(jù)采樣時(shí)間間隔選取。

4 算例分析

基于額定容量為49.3MW的某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)，采樣間隔Ts=10s，選取鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率均為0.9，對(duì)第3節(jié)所述控制策略下風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和鋰電池的壽命進(jìn)行評(píng)估。

當(dāng)截止頻率為1/3600Hz時(shí)，配置5MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，平抑前后風(fēng)電功率曲線如圖3所示，經(jīng)計(jì)算得到，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的分鐘最大波動(dòng)量為0.58MW，與平抑前風(fēng)電場(chǎng)輸出功率分鐘最大波動(dòng)量3.75MW相比，很大程度上改善了風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)。

圖3 平抑前后風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率Fig．3 Original and smoothed output power of wind farm

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率曲線如圖4所示，電池充放電動(dòng)作切換十分頻繁。為了計(jì)算電池壽命衰減程度，對(duì)每次充電、放電的電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5和圖6所示。

圖4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率Fig．4 Output power of battery

分別選取儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為1～6MW·h，得到分鐘級(jí)最大波動(dòng)量ΔPmax和電池壽命衰減程度Ls，如表1所示。由表1可知，當(dāng)配置儲(chǔ)能容量較小時(shí)，分鐘級(jí)最大風(fēng)電功率波動(dòng)量較大，電池壽命衰減程度較小，隨著容量的增大，最大波動(dòng)量減小，此時(shí)需要電池頻繁動(dòng)作，壽命衰減程度增大。

圖5 電池每次充電能量曲線Fig．5 Battery energy of each charging process

圖6 電池每次放電能量曲線Fig．6 Battery energy of each discharging process

表1 不同儲(chǔ)能容量時(shí)的ΔPmax和LsTab．1 ΔPmaxand Lsat different battery energy storages

對(duì)不同截止頻率下的分鐘級(jí)最大風(fēng)電功率波動(dòng)量和電池壽命衰減程度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同截止頻率時(shí)的ΔPmax和LsTab．2 ΔPmaxand Lsat different cut-off frequencies

由表2可知，隨著截止頻率的減小，ΔPmax減小，因而，電池動(dòng)作次數(shù)增多，壽命衰減程度增大。

5 結(jié)論

本文以鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，在對(duì)其充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，主要考慮不規(guī)則循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下充放電循環(huán)深度和充放電次數(shù)的影響，構(gòu)建了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行方式下電池儲(chǔ)能的壽命衰減評(píng)估方法。算例分析結(jié)果表明，不同的運(yùn)行條件下，風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性和電池衰減程度不同，這為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置和優(yōu)化控制研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］張麗英，葉廷路，辛耀中，等 (Zhang Liying，Ye Tinglu，Xin Yaozhong，et al．)．大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題及措施(Problems and measures of power grid accommodating large scale wind power)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2010，30(25): 1-9．

［2］Hadi Banakar，Chang ling Luo，Boon Teck Ooi．Impacts of wind power minute-to-minute variations on power system operation［J］．IEEE Transaction on Power Systems，2008，23(1):151-160．

［3］Abdorreza Rabiee，Hossein Khorramdel，Jamshid Aghaei．A review of energy storage systems in microgrids with wind turbines［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews．2013，18(1):316-326．

［4］童欣，郝劍波，張坤 (Tong Xin，Hao Jianbo，Zhang Kun)．鋰電池儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用(Application of lithium battery energy storage in the wind power system)［J］．電力科學(xué)與工程(Electric Power Science and Engineering)，2013，29(2):5-10．

［5］謝俊文，陸繼明，毛承雄，等(Xie Junwen，Lu Jiming，Mao Chengxiong，et al．)．基于變平滑時(shí)間常數(shù)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制方法 (Optimal control of battery energy storage system based on variable smoothing time constant)［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化 (Automation of Electric Power Systems)，2013，37(1):96-101．

［6］王成山，于波，肖峻，等 (Wang Chengshan，Yu Bo，Xiao Jun，et al．)．平滑可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出波動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化方法(Sizing of energy storage systems for output smoothing of renewable energy systems) ［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) (Proceedings of the CSEE)，2012，32(16):1-7．

［7］畢大強(qiáng)，楊歆玉，吳正平 (Bi Daqiang，Yang Xinyu，Wu Zhengping)．基于風(fēng)速預(yù)測(cè)與儲(chǔ)能的可調(diào)度風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率控制 (Wind speed forecasting and energy storage based power control of grid-connected wind farm) ［J］．電工電能新技術(shù) (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(1):1-4．

［8］柯聯(lián)錦，潘文霞，朱建紅 (Ke Lianjin，Pan Wenxia，Zhu Jianhong)．一種基于風(fēng)功率預(yù)測(cè)修正的儲(chǔ)能電池容量需求分析(Analysis of capacity requirements of battery energy storage based on forecasted wind power correction)［J］．電工電能新技術(shù) (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(3): 57-61．

［9］Lunz B，Walz Hsauer D U．Optimizing vehicle-to-grid charging strategies using genetic algorithms under the consideration of battery aging［A］．Proceedings of 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference［C］．2011.1-7．

［10］羅偉林，張立強(qiáng)，呂超，等 (Luo Weilin，Zhang Liqiang，Lv Chao，et al．)．鋰離子電池壽命預(yù)測(cè)國外研究現(xiàn)狀綜述 (Review on foreign status of life prediction of lithiumion batteries)［J］．電源學(xué)報(bào) (Journal of Power Supply)，2013，45(1):140-144．

［11］劉波，郭家寶，袁智強(qiáng)，等(Liu Bo，Guo Jiabao，Yuan Zhiqiang，et al．)．風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度策略研究(Research on scheduling strategy of wind-PV-ES hybrid power system)［J］．華東電力 (East China Electric Power)，2010，38(12):1897-1899．

［12］嚴(yán)干貴，朱星旭，李軍徽，等 (Yan Gangui，Zhu Xingxu，Li Junhui，et al．)．內(nèi)蘊(yùn)運(yùn)行壽命測(cè)算的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)(Control strategy design for hybrid energy storage system with intrinsic operation life measurement and calculation)［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2013，37 (1):110-114．

Lifetime evaluation of battery energy storage system in wind-ES hybrid power system

LI Jun-hui1，F(xiàn)ENG Shuang2，CUI Xin-zhen1，YAN Gan-gui1，GAO Kai3，LI Hong-bo4
(1．School of Electric Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;2．Changchun Electric Power Supply Company，State Grid Jilin Electric Power Company，Changchun 130021，China; 3．State Grid Liaoning Province Electric Power Company，Shenyang 110000，China; 4．State Grid Jilin Electric Power Training Center，Changchun 130022，China)

Using battery energy storage to build a large-scale wind-energy storage(Wind-ES)hybrid power system has become the focus of current research to mitigate the fluctuation of wind power．However，battery system is running in complex charge-discharge state when used in Wind-ES hybrid power system scenario．In order to optimize battery operation mode and elongate its lifetime，to evaluate its lifetime is important．In this paper，lithium battery energy storage is used as the study object，its lifetime characteristics under experimental conditions are analyzed．Considering the impact of the charge-discharge depth and number of irregular charge-discharge cycles，a lifetime evaluation method is developed under Wind-ES conditions．Based on the wind power data，the lifetime evaluation method is used to analyze battery characteristics under the designed operation control strategy for Wind-ES．The result provides theoretical reference for configuration of the battery energy storage in engineering application．

wind-ES hybrid power system;battery lifetime;charge-discharge cycle depth;control strategy

TM76

A

1003-3076(2015)10-0034-05

2014-09-29

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB228201)、國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 (合同號(hào): SGLNSY00FZJS1500191)、吉林市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201464038)

李軍徽(1976-)，男，陜西籍，副教授，博士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電運(yùn)行控制、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用等;馮 爽(1990-)，女，吉林籍，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)。