電池儲能平抑可再生能源電源出力波動研究

湯益奎

【摘要】：隨著社會的發(fā)展進步以及生態(tài)環(huán)境保護的需求，可再生清潔型能源備受關(guān)注，且其需求量呈現(xiàn)明顯的升高態(tài)勢，由此推動了新型電池儲能技術(shù)的高速發(fā)展。電池儲能電站（BESS）作為新型電池儲能技術(shù)的產(chǎn)物在這一過程中具有十分重要的研究意義。本文考慮電池制作成本以及電池自身性能前提下，構(gòu)建新型BESS評價模型體系，以此為重點進行相關(guān)研究分析。

【關(guān)鍵詞】：電池儲能；平抑；可再生能源電源；出力波動

1 新型BESS綜合評價模型體系的建立

1.1新型BESS綜合評價模型體系的建立

人們對于可再生能源需求日益旺盛的同時，可再生能源在各行各業(yè)中的應(yīng)用比重也在不斷的增加，在電網(wǎng)的運行中也是如此，由此也推動了電池儲能技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種新型的電池儲能技術(shù)有著不同的介質(zhì)，常見的有鈉硫電池、鋰電池以及液流電池這三種介質(zhì)。實驗研究表明，雖然不同的介質(zhì)在BESS中有著不少的相似之處，但是總體來說不同介質(zhì)在參數(shù)以及一些特性也會存在差別，因此需要建立一個新型的BESS綜合評價模型體系，針對新型電池的相關(guān)性能以及成本，來對實際運行中BESS選用何種類型的介質(zhì)進行更深層次的研究分析。受到儲能技術(shù)高成本的影響，其尚無法在短時間內(nèi)取代傳統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)蓄能抽水電站的削峰填谷功能。因此，本次研究在選取實驗場景時，傾向于對電池儲能介質(zhì)能量要求低、符合高功率要求場景的選取。

1.1.1平抑目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型建立

新型BESS綜合評價模型體系的建立首先是建立一個平抑目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，

上式平抑目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型所描述的是新型電池儲能技術(shù)在單位成本內(nèi)的平抑效果?？傮w分析，平抑效果的判定主要依賴于單位成本BESS在限定時間內(nèi)對于發(fā)電計劃外不平衡電量的下降控制幅度。結(jié)果就是下降越多的時候也就表明這種介質(zhì)的平抑效果越好，可參見平抑目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的分子部分。

1.1.2電池儲能電站的相關(guān)成本分析

本文研究中所采用的BESS研究成本是一次性的投資費用，這個一次性的投資費用則是基于電池儲能電站的研究時間比較短，并且電網(wǎng)的運行以及維護在以此性的投資費用中所占的比例很小，同時不考慮通貨膨脹的影響以及設(shè)備的折舊、技術(shù)的更新等因素帶來的成本上的變大或是變小。在本文的研究中，電池儲能電站的一次性的投資費用相關(guān)成本主要有這么幾方面，一是能量成本、二是功率成本、三是輔助設(shè)備的成本，并且我們可以得知，BESS的額定容量正相關(guān)于一次性投資費用中的能量成本，BESS中的最大輸出功率正相關(guān)于設(shè)備成本以及功率成本。

2.2電池儲能電站的充放電功率約束

電池儲能電站的充電電功率約束指的是，BESS的荷電狀態(tài)以及充放電倍數(shù)可明顯制約BESS的充放電功率值。此外，BESS每一時刻都只能夠呈現(xiàn)出放電、充電以及浮充這三種形式中的一種。下面將就三種不同介質(zhì)下的電池儲能電站充放電功率約束進行分析探索：

2.2.1以釩流電池作為介質(zhì)的BESS

放電倍數(shù)一方面與荷電的狀態(tài)有關(guān)，另一方面也跟放電時間的長短有關(guān)，有一點需要注意的是，雖然按照常理來說釩流電池具有1.6倍的最大充電倍數(shù)，但是在現(xiàn)實情況中，釩流電池BESS具有額定充電功率1.2倍到2.0倍的額定放電功率，所以從這方面來看，以釩流電池作為介質(zhì)的BESS并不具備高倍率的放電能力。

2.2.2以鐵鋰電池作為介質(zhì)的BESS

鐵鋰電池BESS具有極高的放電功率，能夠在瞬間釋放完全部的容量，也就是幾秒鐘的時間長短，除此之外，這種以帖鋰電池作為介質(zhì)的BESS在充放電方面都不會受到額外的限制，并且如果在容量允許的條件下，它的充放電倍數(shù)也能一直維持不變，也就是一個固定常數(shù)。

2.2.3以鈉硫電池作為介質(zhì)的BESS

以鈉硫電池作為介質(zhì)的BESS同樣具有比較高的放電倍數(shù)，但鈉硫電池BESS具有反向充放電過程，BESS充電中屬于降溫過程，而放電過程是一個不斷升溫的過程，因此雖然從理論的角度來說這種以鈉硫電池作為介質(zhì)的BESS具備高充電倍率的功能特點，但是在實際的場合應(yīng)用中并不能得到體現(xiàn)。

2.3電池儲能電站的電量約束

電池儲能電站的電量約束也是對于電池儲能電站荷電狀態(tài)的一種約束，用數(shù)理公式表示如下：

從上式可以表明，BESS的電量約束在前后時間段中的一種遞推關(guān)系，且與BESS放電以及出力情況相結(jié)合。本次研究對BESS單位時間荷電狀態(tài)進行限制分析的同時，也對BESS的平均荷電狀態(tài)進行了限制，用以確保BESS的持久運行【10】。有一點需要注意的是，BESS電量約束的平均值必須大于或是等于運行的初始值，才能夠在一定意義上保障無論研究時間段選取的長短有多少，在這個選取時間段結(jié)束之后，剩余電量的充足性限制了充電行為，或者剩余電量過少，限制放電，進而影響B(tài)ESS動態(tài)性能。

3、 新型BESS模型體系的算例分析

通過對所建立的新型BESS模型體系的綜合算例分析在本文中得出，在成本相差不大并且數(shù)量相等的情況下，以鐵鋰為介質(zhì)的BESS對于可再生能源電力出力波動的平抑效果要優(yōu)于以釩流電池或是以鈉硫電池為介質(zhì)的BESS，之所以會是這個結(jié)果，主要是因為以鐵鋰電池為介質(zhì)的BESS雖然額定功率比較小，但是它充放電的倍數(shù)要遠高于以釩流電池或是鈉硫電池作為介質(zhì)的BESS，因此，總體來說以鐵鋰電池作為介質(zhì)的BESS更容易實現(xiàn)可再生能源電源出力波動的平抑。

結(jié)語

綜上所述，在電力系統(tǒng)對于借助大規(guī)模的電池儲能技術(shù)平抑可再生能源電源的波動功率需求日益迫切的當(dāng)下，加強對于電池儲能技術(shù)的相關(guān)研究有著十分重要的促進意義。本文從電池儲能技術(shù)的介質(zhì)選用入手，分析了三種不同介質(zhì)的儲能電池對于可再生能源電源出力波動的平抑效果，來進一步探索了如何建了一個更加完善有效的新型BESS綜合評價的模型體系，希望能夠通過本文的研究，能夠為今后可再生能源電源在電網(wǎng)中的穩(wěn)定運用提供一點借鑒意義。

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