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        梯次利用電池在儲能電站中應(yīng)用的可行性分析

        2020-09-11 09:13:32
        山西電力 2020年4期
        關(guān)鍵詞:梯次生命周期電站

        于 童

        (上海電力設(shè)計院有限公司,上海20025)

        0 引言

        當前,我國新能源和儲能技術(shù)發(fā)展迅猛,為減少機動車污染物排放量,大力推動電動汽車的發(fā)展,電動汽車數(shù)量快速增長。為保障電動汽車的續(xù)駛里程和安全運行,電動汽車電池退運的條件設(shè)定在低于80%的容量。據(jù)相關(guān)部門預(yù)測,到2020年底,動力電池退役數(shù)量將達到20萬t,2024年前后動力電池退役數(shù)量將達到34萬t,累計將達到116萬t[1-2]。

        現(xiàn)階段儲能電池的技術(shù)性能顯示,退運電池中剩余80%的容量至少還可工作數(shù)年,仍具有一定的利用價值[3-5]。將退運電池應(yīng)用到電力儲能,實現(xiàn)電池的梯次利用,可以最大化地利用資源,減少環(huán)境污染。目前,在退運電池的梯次利用上,國內(nèi)外學者多偏重于理論研究,工程應(yīng)用方面的研究較少。如文獻[6]分析了梯次利用電池儲能系統(tǒng)建設(shè)和運維成本、延緩配電網(wǎng)升級改造收益、降低網(wǎng)損收益及移峰填谷等方面的經(jīng)濟價值;文獻[7]研究了基于退役動力梯次利用于光伏充電站的容量配置問題;文獻[8]對梯次利用電池儲能電站經(jīng)濟性評估方法進行了相關(guān)研究?;诖?,本文對梯次利用電池在儲能電站中應(yīng)用的可行性進行研究。

        1 梯次利用電池的技術(shù)可行性分析

        退運電池應(yīng)用于儲能電站的可行性主要從2個方面來進行判斷,一是梯次利用電池是否能安全地利用;二是該電池的梯次利用是否具有經(jīng)濟價值。現(xiàn)階段的研究主要是,通過對退運電池的狀態(tài)診斷,評估其容量、內(nèi)阻等性能參數(shù),預(yù)測其衰減趨勢;通過篩選重組減少一致性差異的影響;通過配置相應(yīng)的保護措施,同時進行科學的充放電控制管理,實現(xiàn)退運電池的安全梯次利用。目前,國內(nèi)已開展多個梯次利用電池儲能電站的先期探索,涵蓋了新能源發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)多個應(yīng)用領(lǐng)域,驗證了其應(yīng)用的安全性。

        2 梯次利用電池的經(jīng)濟可行性分析

        2.1 儲能電站全壽命周期成本分析

        對于電化學儲能電站工程,其全生命周期過程包括建設(shè)階段、運行階段和報廢階段。本文將梯次利用電池儲能電站的全壽命周期成本分為投資成本、財務(wù)成本、運維成本、充電成本和回收殘值5個部分,具體情況見圖1。

        圖1儲能電站全生命周期成本構(gòu)成

        在投資成本上,相比于新電池,梯次利用電池應(yīng)用于儲能電站,增加了篩選配組的成本。在充電成本上,由于梯次利用電池的剩余容量較小,導致其實際可用容量低于新電池。另外,由于梯次利用電池的一致性較差,為避免過度放電時的電壓波動,需要降低其放電深度。因此,實際運行的充電成本也將增加。在運維成本上,相比于新電池,梯次利用電池在運維技術(shù)和安全保障方面的要求更高,相應(yīng)的成本也將增加。

        2.2 儲能電站電池系統(tǒng)度電成本模型

        儲能電站度電成本是儲能電站全生命周期總投資與壽命期總發(fā)電量的比值??紤]到梯次利用電池應(yīng)用于儲能電站與常規(guī)儲能電站的成本差異主要來源于電池系統(tǒng),故本文主要分析儲能電站電池系統(tǒng)的度電成本。考慮電池的運行特性和壽命特征,本文建立的儲能電站電池系統(tǒng)的度電成本計算模型如下

        式中,LC為儲能電池系統(tǒng)的度電成本,元/(kW·h);k為儲能電池系統(tǒng)的容量配置裕度;E為儲能電站額定容量,kW·h;C(i)為第i項儲能電池系統(tǒng)的成本,元/(kW·h);e(t)為第t次循環(huán)儲能系統(tǒng)的放電量,kW·h;DOD為儲能電池系統(tǒng)的放電深度;λ為儲能電池系統(tǒng)的衰減率。

        2.3 算例分析

        設(shè)定梯次利用電池的容量已衰退為新電池額定容量的80%,電池重新配組時存在90%的篩選率,將健康狀態(tài)不符合要求的部分電池篩除。電池壽命終止邊界可用容量為額定容量的55%。鋰電池衰減考慮2階段線性衰減特性,鉛炭電池為全生命周期線性衰減特性,3種電池的各項指標設(shè)定見表1。

        表1 3種電池指標對比表

        通過本文建立的儲能電站電池系統(tǒng)度電成本模型進行計算,得到的3種電池全生命周期放電量和度電成本見圖2,其中直方圖代表全生命周期放電量、折線代表度電成本。

        由圖2可知,在全生命周期放電量指標上,新鋰電池放電量最高,約為3 446 kW·h;鉛炭電池次之,約為1 396 kW·h;梯次利用電池最低,約為1 199 kW·h。在度電成本指標上,新磷酸鐵鋰電池最低,約為0.36元/(kW·h),鉛炭電池次之,約為0.59元/(kW·h),而梯次利用磷酸鐵鋰電池最高,約為0.82元/(kW·h)。

        圖2 3種電池全生命周期放電量與度電成本對比

        2.4 敏感性分析

        梯次利用電池度電成本的影響因素主要包括篩選成本、購置成本和運維成本,通過對影響電池儲能度電成本的3種因素敏感性分析可知,購置成本是最敏感的因素,其次是篩選成組成本,運維成本對梯次利用電池儲能度電成本的影響較小。當梯次利用電池的購置成本下降40%時,其度電成本與鉛炭電池的度電水平持平;當梯次利用電池的購置成本下降80%時,其度電成本與新鋰電池的度電成本基本持平。因此,為降低梯次利用電池儲能的度電成本,應(yīng)盡可能地降低購置成本和篩選成組成本。

        3 結(jié)論與建議

        通過上文分析,梯次利用電池應(yīng)用于儲能電站在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的,只是電池購置成本是影響梯次利用電池度電成本的主要因素。因此,將退運電池梯次利用于儲能電站時,結(jié)合梯次利用電池的性能特點,提出以下幾點建議。

        a)系統(tǒng)集成設(shè)計方面,建議采用組串式多變流器并聯(lián)集成的系統(tǒng)方案,將不同來源的電池設(shè)計為獨立的單元,配以小功率的儲能變流器,形成基本的儲能單元,再將多個儲能基本單元集成在一起形成儲能系統(tǒng),最大化地發(fā)揮梯次利用電池的能力。

        b)充放電管理方面,建議一方面控制梯次利用電池的放電倍率在0.2C以下;另一方面根據(jù)退運電池的實際情況對容量和放電深度進行調(diào)整,避免過度放電產(chǎn)生的電壓波動,影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

        c)應(yīng)用方向方面,為保證梯次利用電池應(yīng)用于儲能電站的安全性,建議現(xiàn)階段退運電池的梯次利用以小型化的分布式儲能為主要應(yīng)用方向。

        d)經(jīng)濟成本方面,梯次利用電池的高回收成本是阻礙其發(fā)揮經(jīng)濟效益的主要因素,因此必須不斷降低其狀態(tài)評估、分選重組、系統(tǒng)集成等過程的成本,提升在經(jīng)濟性上的競爭力。

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