大型负荷侧退役电池储能构想

Lv.14

越努力越幸福

　　摘要：近年来，随着电动汽车的快速发展，将不可避免地产生大量退役电池。构想一种以电动汽车退役磷酸铁锂电池为储能单元，将多个储能单元构成大型负荷内部储能系统，通过此储能系统提高大型工业负荷供电的可靠性、优质性和经济性。首先，对大型工业负荷接网特性进行分析；其次，对退役磷酸铁锂电池的特性和储能系统优化配置进一步研究，提出利用峰谷电价差储能；最后，通过储能系统的灵活控制提升大型负荷供电的可靠性和优质性，达到大型工业负荷电能需求和退役电池再利用问题的统一。

　　近年来，我国经济稳步发展，经济增长的重要来源是大型工业负荷。这些大型工业负荷对企业生产的连续性和安全性有很高的要求，增加储能系统可以提高供电可靠性和电能质量。研究发现，新能源汽车对动力蓄电池的性能有特殊要求。当电池总容量降低到出厂容量的80%以下（剩余最大充电电量小于80%额定值的电池必须退役）时，将很难满足车辆的功率需求，但剩余的功率仍能满足其他性能要求较低的应用领域。对退役磷酸铁锂电池进行储能利用，既可以保证大型工业负荷供电可靠性，又能发挥退役电池循环利用的特性，以保证电网运行稳定及经济性。本文以车载退役磷酸铁锂电池为研究对象，在分析退役磷酸铁锂电池的工作特性及经济性的基础上，将其作为大型工业负荷储能系统的储能元件，利用峰谷电价差充电来节约成本，保证供电可靠性和电能质量，辅助用户侧的需求响应，并利用峰谷分时电价，调节用电需求。

　　大型工业负荷安稳特性

　　本文主要研究负荷变化幅度大的大型工业负荷，图1为此类工业日负荷曲线。

　　图1某工业日负荷曲线

　　这些大型工业负荷是对可靠性要求最高的一级负荷，其配电系统有自身的特点：除了建立自己的小型电厂外，为了保持自身电网频率和电压的稳定，还与外部电网进行电力交换。这增加了大型工业配电网络的复杂性和出现电能质量问题的概率。对于此类工业，仅仅自建发电厂不能达到生产的要求，还需同时配置储能系统，从而确保大型负荷与大电网之间供电的连续性和可靠的电能质量。因此，如何优化大型负荷工业供电电源结构，降低一次能源消耗，保证供电优质可靠，成为值得关注的研究课题。

　　退役电池工作特性

　　经研究发现，新能源汽车对其装配的动力电池的性能要求比较特殊，当车身装配电池总电量衰减到出厂电量的80%以下时，将很难满足车辆的动力需求，但剩余的动力仍能满足其他低性能要求的应用领域。如果将退役动力蓄电池应用于大型工业负荷配电网，就可以保证大型工业负荷供电可靠性、经济性、电网稳定性、退役电池环保性和电能质量优质性。目前，国际上退役电池（主要以磷酸铁锂电池为主体）的作用主要体现在以下方面：

　　1）增强后备电源的可调度性。储能系统可以和新能源发电技术相互配合，加强后备电源的调度控制。

　　2）提高系统稳定性。电网瞬时功率平衡是通过全象限柔性调节能力实现的，保证大型负荷供电稳定性和电能质量。

　　3）辅助实现用户侧需求响应。用户侧引入储能系统后，可根据峰谷分时电价，调节用电需求，减少用户电费的支出。

　　2.1

　　退役电池等效模型

　　考虑电池内部的非线性特性，以电动汽车中广泛应用的磷酸铁锂电池为例，采用等效电路模型分析储能元件的充放电特性，具体等效模型如图2所示。

　　图2磷酸铁锂电池等效模型

　　磷酸铁锂电池的电压U与储能单元容量E的关系为

　　式中，α为磷酸铁锂电池单体n的指数区域内的最大值；N为储能系统包含的电池数量；i为储能充放电电流；Um为充满电压；U1 为指数区域电压极限值；Uh为标称电压最大值；E1 为储能单元容量极限值；Eh为标称容量最大值。

　　由式（1）和（2）可知，退役磷酸铁锂电池的电压U与储能单元容量E及磷酸铁锂电池单体n的指数区域内的最大值α有关。

　　2.2

　　磷酸铁锂电池的优缺点

　　2.2.1磷酸铁锂电池的优点

　　1）市场占有率高，新能源汽车已成为常态化。磷酸铁锂电池受其成本下降及综合性能提升的影响，在电力系统的发输配用各个环节中被广泛应用。

　　2）经济性好。从一次性投资成本、循环寿命、安全性观点来说，磷酸铁锂电池无疑是储能领域综合特性最为优异的锂离子电池。

　　3）磷酸铁锂电池动热稳定性较高，循环寿命较长，是国内电力储能系统的热门及应用最多的锂离子电池。

　　2.2.2磷酸铁锂电池的缺点

　　锂是一种容易爆炸的化学特性活泼的金属。在生产、运输和使用过程中，电池电芯的内外部电路短路、环境温度过高、外部机械力和过度充电的突然变化可能导致事故。退役动力磷酸铁锂电池的质量直接影响储能利用的安全性。退役动力锂电池在回收、拆解、加工过程中，若操作不当，也极易起火爆炸。若将质量不好的退役动力锂电池继续用于大型负荷储能，整个大型负荷乃至电力系统将面临巨大的安全风险。因此，退役动力磷酸铁锂电池的安全性是至关重要的。

　　2.3

　　退役磷酸铁锂电池的安全控制措施

　　1）加强对磷酸铁锂电池的安全检测、退役动力电池充放电次数与剩余电量（衰减度）的测试及安全裕度设置。

　　图3的实验对象是某品牌电动汽车上拆卸的退役磷酸铁锂电池，对其基本参数进行了分析与检测。根据图3所示的退役电池充放电往复试验检测结果可知，车载退役磷酸铁锂电池（含80%电量)与100%电量时相比，退役电池电量并没有因充放电次数增加而快速下降。

　　图3退役动力电池充放电次数与剩余电量（衰减度）的关系

　　现定义磷酸铁锂电池实际电量与标准电量之比为剩余电量率（衰减度）。磷酸铁锂电池实际可用电量随着充放电循环往复地进行而逐渐降低，剩余电量率随充放电次数的变化基本符合线性关系，其关系如下所示：

　　式中，R2为线性相关系数。

　　根据动力电池的衰减度，设定梯次利用储能系统剩余电量安全裕度为

　　式中，ηt为即时退役电池寿命损耗；SOCmax 、SOCmin为退役电池剩余电量的上下限。

　　2）加强对磷酸铁锂电池寿命的周期监测。利用电池生命周期来建立一个庞大的数据信息跟踪平台，为二次利用评估提供了基础。

　　储能系统运行指标配置

　　由储能单元（退役磷酸铁锂电池构成）和变流器共同组成的储能系统的优化指标如下：

　　1）储能系统费用F1最小。

　　变流器与储能电池的费用分别与额定功率P和额定容量W相关。

　　式中，d为贴现率；y1为储能系统使用年限；FP 、FW分别为储能系统单位功率投资成本和单位容量投资成本；P、W分别为储能系统配置的额定功率和额定容量。

　　2）储能系统峰谷套利收入F2最大。

　　储能系统应用于用户侧，削峰填谷的收入体现为储能系统峰谷套利收入，即在高电价时放电，在低电价时充电所获收益。

　　式中，Pt为t时刻的有功功率。

　　3）变电设备扩容支出F3最小。

　　随着负荷的增长，当原有变电设备容量不能满足负荷需求时，须将原有变电设备进行扩容，该项措施可降低用户配电设施的扩容支出。

　　式中，S为原变电设备容量；Ff为单位容量扩容支出；Z为扩容比例；y2为扩容后变电设备使用年限。

　　储能系统配置的不等式约束如下：

　　式中，S1、E1分别为储能系统规划的总功率与总容量；储能安装系数δ=0或δ=1，当δ=1时表示安装储能系统，当δ=0时表示不安装储能系统。

　　根据式（7）~（9），建立的优化目标为

　　储能系统运行指标分配具体步骤如下：

　　步骤1：根据选定的大型工业负荷，设置调度周期T=24 h，输入系统基准电压和基准功率初值；

　　步骤2：建立退役磷酸铁锂电池储能系统优化配置的非线性模型，以式（13）为优化目标建立优化函数，综合考虑式（5）和式（6）的储能系统安全运行的等式约束，以及式（10）~（12）的储能系统配置的不等式约束；

　　步骤3：将步骤2中的模型利用凸规划转化为可以高效求解的二阶凸锥规划模型；

　　步骤4：对步骤3得到的二阶凸规划模型使用CPLEX工具进行求解；

　　步骤5：输出储能系统优化结果；

　　步骤6：根据步骤5的优化结果求式（13）。

　　电价特点及负荷侧储能政策

　　本文构想的退役磷酸铁锂电池储能系统可以通过峰谷电价差实现大型负荷的经济性，供电的可靠性，以及良好的电能质量。用户可以在高峰时段使用低谷时储存的电能，从而降低大型工业负荷用户的生产成本，实现经济性和供电可靠性。峰谷电价的大力实施，为实现储能系统提供了相当大的空间。某地区分时电价政策情况如图4所示。

　　图4某地区10 kV用户分时电价政策

　　据国家电网数据显示，全国用电量主要省份的峰谷差价在0.4元/（kW·h）～0.9元/（kW·h）之间，特别是用电量排名前两位的江苏和广东，峰谷差价均高于0.8元/（kW·h）。这为用户利用峰谷差价储存能源提供了相当大的空间。

　　此外，当电网电能足够企业使用时，自建的小型发电厂也可以为储能系统提供一定的能量来源。相关政策可分为两类：一是在电力改革项目中，坚决推进和完善峰谷电价和季节电价定价机制；二是通过开放用户侧市场来鼓励用户参与储能调峰。

　　算例分析

　　以某区域内的大型工业负荷为例进行分析，给出储能系统整体的配置方案，对用户侧配置储能系统进行优化配置分析，以常规储能系统为参考对象，对比在以下3种目的下的成本竞争力。

　　用户侧配置储能系统最主要的目的：

　　1）退役磷酸铁锂电池储能系统在谷时刻充电，在峰时刻和平时刻释放电能；

　　2）通过快速的有功/无功控制，有效平抑负荷的波动；

　　3）可作为系统的备用电源。

　　表1是关于图1的某大型工业负荷基本参数，峰时和平时段电量使用较多。

　　表2为本文配置的用户侧退役磷酸铁锂电池储能系统基本参数，配置的储能系统功率为18.895MW，充电时长为5 h的退役磷酸铁锂电池储能系统，充电时段为00：00~08:00，电价参照图4中00：00~8:00（谷时）时的电价。根据式（5）和式（6）设置其安全放电深度为20%~80%，根据图4的峰谷、平时段电价及图1的某大型工业负荷可得峰谷套利收益。

　　表3是用户侧配置储能系统实现削峰填谷、平抑负荷和作为备用电源的收益。由表3（当电量保持率为1.0时为普通储能系统）可以看出，对退役磷酸铁锂电池储能系统来说，电量保持率在0.6~0.8时，3种作用的利用费用价值均低于常规储能系统，说明退役磷酸铁锂电池储能系统比常规储能系统有优势。但据表中的数据可知，对退役电池储能系统来说，作为备用电源的利用价值优势没有削峰填谷和平抑负荷的价值高。