李軍徽，馮 爽，崔新振，嚴干貴，高 凱，李鴻博

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012;2．國網吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春130021;3．國網遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110000; 4．國網吉林省電力有限公司培訓中心，吉林長春130022)

風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)中鋰電池壽命評估

李軍徽1，馮 爽2，崔新振1，嚴干貴1，高 凱3，李鴻博4

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012;2．國網吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春130021;3．國網遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110000; 4．國網吉林省電力有限公司培訓中心，吉林長春130022)

利用電池儲能構建大規(guī)模風儲聯合并網發(fā)電系統(tǒng)，改善風電的波動性，成為目前研究的熱點。然而在此運行方式下，電池處于頻繁的充放電運行狀態(tài)，為了優(yōu)化電池的控制并提高其使用壽命，如何對其壽命進行評估十分重要。本文以鋰電池為研究對象，分析其實驗條件下的壽命特性，考慮不規(guī)則充放電循環(huán)深度和充放電次數的影響，構建了風儲聯合運行方式下鋰電池的壽命評估方法，并設計了電池儲能平抑風電功率波動控制策略和評價指標?；趯崪y風電數據，對此控制策略下風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)的運行性能和鋰電池的壽命進行評估。

風儲聯合發(fā)電系統(tǒng);電池壽命;充放電循環(huán)深度;控制策略

1 引言

風能作為清潔的可再生能源，其大規(guī)模開發(fā)和利用為應對能源與環(huán)境危機開辟了新的途徑［1］。但由于風能具有隨機性、間歇性和不可準確測性，其輸出很難保持穩(wěn)定，隨著風電在電源結構中比例不斷增大，大規(guī)模風電并網對電網造成不利影響，甚至威脅著電力系統(tǒng)的安全運行，同時制約了風電自身的發(fā)展。提升源網協(xié)調性能已經成為風電等新可再生能源并網發(fā)電領域研究的熱點［2］。從電源角度出發(fā)，一種有效的解決方案就是在風電場引入規(guī)?；碾姵貎δ芟到y(tǒng)，構建風儲聯合運行系統(tǒng)，利用先進的儲能技術改善風電的波動特性，從而提高風電的可調度性［3］。

已有相關文獻對風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)中的電池的控制策略和容量配置進行研究。文獻［4］給出了儲能系統(tǒng)與風電場配合的綜合控制策略，但沒有考慮電池實時運行狀態(tài)，容易導致過充、過放。文獻［5］提出了一種基于實測電池荷電狀態(tài)修正儲能系統(tǒng)參考功率的方法，從一定程度上提高了電池壽命。文獻［6］選取一天的風電輸出數據進行研究，以儲能成本和平滑后輸出效益最大來對儲能的容量進行規(guī)劃。文獻［7］基于風速預測對儲能進行配置，提高電網依據風功率預測進行風電場發(fā)電調度的可信性。而文獻［8］則是通過分析儲能大容量需求產生的原因，提出一種對預測功率進行修正，以進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，由于儲能裝置成本費用昂貴，考慮其壽命具有重要意義，因此需建立相應的電池壽命評估方法，為優(yōu)化電池的控制并提高其使用壽命奠定基礎。但是，與標準實驗條件下電池運行狀態(tài)不同的是，應用在風儲聯合發(fā)電方式下，電池儲能系統(tǒng)處于充放電頻繁交替的不規(guī)則循環(huán)運行狀態(tài)，無法根據實驗條件下的壽命特性對其壽命衰減進行評估。

電池的壽命主要受到溫度、充放電等因素的影響。為了延長電池的壽命，通常利用溫控系統(tǒng)對室內溫度進行調節(jié)，因此本文不計溫度影響，主要考慮不規(guī)則循環(huán)運行狀態(tài)下充放電循環(huán)深度和充放電次數的影響，構建風儲聯合運行方式下電池壽命評估方法。本文設計了利用儲能平抑風電功率波動控制策略和評價指標，基于實測風電數據對風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)的輸出性能和電池壽命特性進行分析。

2 風儲運行下鋰電池壽命評估方法

2.1 實驗條件下鋰電池壽命特性分析

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

以鋰電池為研究對象，文獻［9］在實驗條件下，對鋰電池在不同充放電循環(huán)深度下進行實驗測試，得出了鋰電池的最大充放電循環(huán)次數，其關系曲線如圖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不同。

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

對所得到的實際運行數據進行函數擬合，得到電池運行在某一充放電循環(huán)深度與相應循環(huán)深度對應的最大充放電循環(huán)次數的關系函數，從而可對任意充放電循環(huán)深度下的充放電次數進行求解。

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時的電池整個壽命周期的總吞吐電量Eb為:

參考國內大規(guī)模儲能示范工程容量參數設計，當選取額定容量為10MW·h時，根據式(1)計算可得到電池的電量如圖2所示。

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

電池使用壽命可用標準充放電狀態(tài)下吞吐的總電量來表征，即以100%的深度對電池完全充放電，當電池到達壽命極限時，此時電池吞吐的總電量［10］?；谝陨戏治觯蓪⒉煌潆?、放電深度下電池吞吐的電量等效為標準狀態(tài)下的電量，計算等效的總吞吐電量，建立電池的壽命衰減函數，對風儲運行方式下電池壽命進行評估。

2.2 鋰電池充放電深度和電量統(tǒng)計方法

為建立電池壽命衰減函數，需對風儲運行下電池不規(guī)則的充放電深度以及對應的充放電電量進行統(tǒng)計。具體計算步驟如下。

(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，依據式(2)計算電池的充電電量，直到Pb(i)＜0即電池轉到放電狀態(tài)，此過程中電池的充電電量為Ec，充電深度為DOC，且DOC=Ec/EN，當下一次電池由放電轉為充電時，重復此過程，計算下一次充電過程對應的充電電量和充電深度，并將每次計算得到的Ec和DOC存儲到數組中。

(3)如果Pb(1)＜0，電池開始執(zhí)行放電任務，依據式(2)計算電池的放電電量，直到Pb(i)＞0即電池轉到充電狀態(tài)，此過程中電池的放電電量為Ed，放電深度為DOD，且DOD=Ed/EN。當下一次電池由充電轉為放電時，重復此過程，計算下一次放電過程對應的放電電量和放電深度，并將每次計算得到的Ed和DOD存儲到數組中。

2.3 鋰電池壽命衰減函數建立

根據不同充放電深度下吞吐的電量值，定義等效系數a(x)，則:

設電池共充放電n次，充放電深度分別為x1，…，xk，…，xn，則根據等效系數式(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Ls，則:

根據分析可知，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 平抑風電功率波動控制策略

風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)可從多方面提高風電運行性能，減小風電并網對電網的影響。當選取不同的上層控制目標，系統(tǒng)的運行方式不同，控制策略也不同［11］。本文選取平抑風電功率波動方式設計控制策略。

利用電池儲能系統(tǒng)平抑分鐘級的風電功率波動，采用基于低通濾波原理的風電功率平抑控制策略［12］，對風電功率中的高頻分量進行平抑，則儲能系統(tǒng)的功率為:

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

為了評價電池儲能系統(tǒng)對風電功率平抑效果，建立平抑后風電功率每分鐘最大波動量的評價指標:

式中，k為常數，根據采樣時間間隔選取。

4 算例分析

基于額定容量為49.3MW的某風電場實測風電功率數據，采樣間隔Ts=10s，選取鋰電池儲能系統(tǒng)的充放電效率均為0.9，對第3節(jié)所述控制策略下風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)的運行性能和鋰電池的壽命進行評估。

當截止頻率為1/3600Hz時，配置5MW·h的儲能系統(tǒng)，平抑前后風電功率曲線如圖3所示，經計算得到，電池儲能系統(tǒng)平抑后的風電場輸出功率的分鐘最大波動量為0.58MW，與平抑前風電場輸出功率分鐘最大波動量3.75MW相比，很大程度上改善了風電場的功率波動。

圖3 平抑前后風電場的輸出功率Fig．3 Original and smoothed output power of wind farm

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

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

分別選取儲能系統(tǒng)的容量為1～6MW·h，得到分鐘級最大波動量ΔPmax和電池壽命衰減程度Ls，如表1所示。由表1可知，當配置儲能容量較小時，分鐘級最大風電功率波動量較大，電池壽命衰減程度較小，隨著容量的增大，最大波動量減小，此時需要電池頻繁動作，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 不同儲能容量時的ΔPmax和LsTab．1 ΔPmaxand Lsat different battery energy storages

對不同截止頻率下的分鐘級最大風電功率波動量和電池壽命衰減程度進行計算，結果如表2所示。

表2 不同截止頻率時的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，電池動作次數增多，壽命衰減程度增大。

5 結論

本文以鋰電池儲能系統(tǒng)為研究對象，在對其充放電實驗數據分析基礎上，主要考慮不規(guī)則循環(huán)運行狀態(tài)下充放電循環(huán)深度和充放電次數的影響，構建了風儲聯合運行方式下電池儲能的壽命衰減評估方法。算例分析結果表明，不同的運行條件下，風儲聯合發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性和電池衰減程度不同，這為儲能系統(tǒng)容量配置和優(yōu)化控制研究奠定了基礎。

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

LI Jun-hui1，FENG 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

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB228201)、國家電網公司科技項目 (合同號: SGLNSY00FZJS1500191)、吉林市科技發(fā)展計劃項目(201464038)

李軍徽(1976-)，男，陜西籍，副教授，博士，研究方向為新能源發(fā)電運行控制、大規(guī)模儲能技術應用等;馮 爽(1990-)，女，吉林籍，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行控制技術。