王天寧，王曉文，張 強

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 電網(wǎng)技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110006）

近年來，我國經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，經(jīng)濟增長的重要來源是大型工業(yè)負(fù)荷。這些大型工業(yè)負(fù)荷對企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性有很高的要求，增加儲能系統(tǒng)可以提高供電可靠性和電能質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，新能源汽車對動力蓄電池的性能有特殊要求。當(dāng)電池總?cè)萘拷档偷匠鰪S容量的80%以下（剩余最大充電電量小于80%額定值的電池必須退役）時，將很難滿足車輛的功率需求，但剩余的功率仍能滿足其他性能要求較低的應(yīng)用領(lǐng)域［1-2］。對退役磷酸鐵鋰電池進行儲能利用，既可以保證大型工業(yè)負(fù)荷供電可靠性，又能發(fā)揮退役電池循環(huán)利用的特性，以保證電網(wǎng)運行穩(wěn)定及經(jīng)濟性［3］。本文以車載退役磷酸鐵鋰電池為研究對象，在分析退役磷酸鐵鋰電池的工作特性及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，將其作為大型工業(yè)負(fù)荷儲能系統(tǒng)的儲能元件，利用峰谷電價差充電來節(jié)約成本，保證供電可靠性和電能質(zhì)量，輔助用戶側(cè)的需求響應(yīng)，并利用峰谷分時電價，調(diào)節(jié)用電需求。

1 大型工業(yè)負(fù)荷安穩(wěn)特性

本文主要研究負(fù)荷變化幅度大的大型工業(yè)負(fù)荷，圖1為此類工業(yè)日負(fù)荷曲線。

圖1 某工業(yè)日負(fù)荷曲線

這些大型工業(yè)負(fù)荷是對可靠性要求最高的一級負(fù)荷，其配電系統(tǒng)有自身的特點：除了建立自己的小型電廠外，為了保持自身電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定，還與外部電網(wǎng)進行電力交換。這增加了大型工業(yè)配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和出現(xiàn)電能質(zhì)量問題的概率。對于此類工業(yè)，僅僅自建發(fā)電廠不能達(dá)到生產(chǎn)的要求，還需同時配置儲能系統(tǒng)，從而確保大型負(fù)荷與大電網(wǎng)之間供電的連續(xù)性和可靠的電能質(zhì)量。因此，如何優(yōu)化大型負(fù)荷工業(yè)供電電源結(jié)構(gòu)，降低一次能源消耗，保證供電優(yōu)質(zhì)可靠，成為值得關(guān)注的研究課題。

2 退役電池工作特性

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，新能源汽車對其裝配的動力電池的性能要求比較特殊，當(dāng)車身裝配電池總電量衰減到出廠電量的80%以下時，將很難滿足車輛的動力需求，但剩余的動力仍能滿足其他低性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域。如果將退役動力蓄電池應(yīng)用于大型工業(yè)負(fù)荷配電網(wǎng)，就可以保證大型工業(yè)負(fù)荷供電可靠性、經(jīng)濟性、電網(wǎng)穩(wěn)定性、退役電池環(huán)保性和電能質(zhì)量優(yōu)質(zhì)性。目前，國際上退役電池（主要以磷酸鐵鋰電池為主體）的作用主要體現(xiàn)在以下方面：

1）增強后備電源的可調(diào)度性。儲能系統(tǒng)可以和新能源發(fā)電技術(shù)相互配合，加強后備電源的調(diào)度控制［4］。

2）提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電網(wǎng)瞬時功率平衡是通過全象限柔性調(diào)節(jié)能力實現(xiàn)的，保證大型負(fù)荷供電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量［5］。

3）輔助實現(xiàn)用戶側(cè)需求響應(yīng)。用戶側(cè)引入儲能系統(tǒng)后，可根據(jù)峰谷分時電價，調(diào)節(jié)用電需求，減少用戶電費的支出。

2.1 退役電池等效模型

考慮電池內(nèi)部的非線性特性，以電動汽車中廣泛應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池為例，采用等效電路模型分析儲能元件的充放電特性［6］，具體等效模型如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池等效模型

磷酸鐵鋰電池的電壓U與儲能單元容量E的關(guān)系為

式中，α為磷酸鐵鋰電池單體n的指數(shù)區(qū)域內(nèi)的最大值；N為儲能系統(tǒng)包含的電池數(shù)量；i為儲能充放電電流；Um為充滿電壓；U1為指數(shù)區(qū)域電壓極限值；Uh為標(biāo)稱電壓最大值；E1為儲能單元容量極限值；Eh為標(biāo)稱容量最大值。

由式（1）和（2）可知，退役磷酸鐵鋰電池的電壓U與儲能單元容量E及磷酸鐵鋰電池單體n的指數(shù)區(qū)域內(nèi)的最大值α有關(guān)。

2.2 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點

2.2.1 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點

1）市場占有率高，新能源汽車已成為常態(tài)化。磷酸鐵鋰電池受其成本下降及綜合性能提升的影響，在電力系統(tǒng)的發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)中被廣泛應(yīng)用［7］。

2）經(jīng)濟性好。從一次性投資成本、循環(huán)壽命、安全性觀點來說，磷酸鐵鋰電池?zé)o疑是儲能領(lǐng)域綜合特性最為優(yōu)異的鋰離子電池。

3）磷酸鐵鋰電池動熱穩(wěn)定性較高，循環(huán)壽命較長，是國內(nèi)電力儲能系統(tǒng)的熱門及應(yīng)用最多的鋰離子電池。

2.2.2 磷酸鐵鋰電池的缺點

鋰是一種容易爆炸的化學(xué)特性活潑的金屬。在生產(chǎn)、運輸和使用過程中，電池電芯的內(nèi)外部電路短路、環(huán)境溫度過高、外部機械力和過度充電的突然變化可能導(dǎo)致事故。退役動力磷酸鐵鋰電池的質(zhì)量直接影響儲能利用的安全性。退役動力鋰電池在回收、拆解、加工過程中，若操作不當(dāng)，也極易起火爆炸。若將質(zhì)量不好的退役動力鋰電池繼續(xù)用于大型負(fù)荷儲能，整個大型負(fù)荷乃至電力系統(tǒng)將面臨巨大的安全風(fēng)險。因此，退役動力磷酸鐵鋰電池的安全性是至關(guān)重要的。

2.3 退役磷酸鐵鋰電池的安全控制措施

1）加強對磷酸鐵鋰電池的安全檢測、退役動力電池充放電次數(shù)與剩余電量（衰減度）的測試及安全裕度設(shè)置。

圖3 的實驗對象是某品牌電動汽車上拆卸的退役磷酸鐵鋰電池，對其基本參數(shù)進行了分析與檢測。根據(jù)圖3 所示的退役電池充放電往復(fù)試驗檢測結(jié)果可知，車載退役磷酸鐵鋰電池（含80%電量)與100%電量時相比，退役電池電量并沒有因充放電次數(shù)增加而快速下降。

圖3 退役動力電池充放電次數(shù)與剩余電量（衰減度）的關(guān)系

現(xiàn)定義磷酸鐵鋰電池實際電量與標(biāo)準(zhǔn)電量之比為剩余電量率（衰減度）。磷酸鐵鋰電池實際可用電量隨著充放電循環(huán)往復(fù)地進行而逐漸降低，剩余電量率隨充放電次數(shù)的變化基本符合線性關(guān)系，其關(guān)系如下所示：

式中，R2為線性相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)動力電池的衰減度，設(shè)定梯次利用儲能系統(tǒng)剩余電量安全裕度為

式中，ηt為即時退役電池壽命損耗；SOCmax、SOCmin為退役電池剩余電量的上下限。

2）加強對磷酸鐵鋰電池壽命的周期監(jiān)測。利用電池生命周期來建立一個龐大的數(shù)據(jù)信息跟蹤平臺，為二次利用評估提供了基礎(chǔ)［8］。

3 儲能系統(tǒng)運行指標(biāo)配置

由儲能單元（退役磷酸鐵鋰電池構(gòu)成）和變流器共同組成的儲能系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)如下：

1）儲能系統(tǒng)費用F1最小。

變流器與儲能電池的費用分別與額定功率P和額定容量W相關(guān)。

式中，d為貼現(xiàn)率；y1為儲能系統(tǒng)使用年限；FP、FW分別為儲能系統(tǒng)單位功率投資成本和單位容量投資成本；P、W分別為儲能系統(tǒng)配置的額定功率和額定容量。

2）儲能系統(tǒng)峰谷套利收入F2最大。

儲能系統(tǒng)應(yīng)用于用戶側(cè)，削峰填谷的收入體現(xiàn)為儲能系統(tǒng)峰谷套利收入，即在高電價時放電，在低電價時充電所獲收益。

式中，Pt為t時刻的有功功率。

3）變電設(shè)備擴容支出F3最小。

隨著負(fù)荷的增長，當(dāng)原有變電設(shè)備容量不能滿足負(fù)荷需求時，須將原有變電設(shè)備進行擴容，該項措施可降低用戶配電設(shè)施的擴容支出。

式中，S為原變電設(shè)備容量；Ff為單位容量擴容支出；Z為擴容比例；y2為擴容后變電設(shè)備使用年限。

儲能系統(tǒng)配置的不等式約束如下：

式中，S1、E1分別為儲能系統(tǒng)規(guī)劃的總功率與總?cè)萘浚粌δ馨惭b系數(shù)δ=0 或δ=1，當(dāng)δ=1 時表示安裝儲能系統(tǒng)，當(dāng)δ=0時表示不安裝儲能系統(tǒng)。

根據(jù)式（7）～（9），建立的優(yōu)化目標(biāo)為

儲能系統(tǒng)運行指標(biāo)分配具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)選定的大型工業(yè)負(fù)荷，設(shè)置調(diào)度周期T=24 h，輸入系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)功率初值；

步驟2：建立退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置的非線性模型，以式（13）為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化函數(shù)，綜合考慮式（5）和式（6）的儲能系統(tǒng)安全運行的等式約束，以及式（10）～（12）的儲能系統(tǒng)配置的不等式約束；

步驟3：將步驟2 中的模型利用凸規(guī)劃轉(zhuǎn)化為可以高效求解的二階凸錐規(guī)劃模型；

步驟4：對步驟3 得到的二階凸規(guī)劃模型使用CPLEX工具進行求解；

步驟5：輸出儲能系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果；

步驟6：根據(jù)步驟5的優(yōu)化結(jié)果求式（13）。

4 電價特點及負(fù)荷側(cè)儲能政策

本文構(gòu)想的退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)可以通過峰谷電價差實現(xiàn)大型負(fù)荷的經(jīng)濟性，供電的可靠性，以及良好的電能質(zhì)量。用戶可以在高峰時段使用低谷時儲存的電能，從而降低大型工業(yè)負(fù)荷用戶的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)經(jīng)濟性和供電可靠性［9］。峰谷電價的大力實施，為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)提供了相當(dāng)大的空間。某地區(qū)分時電價政策情況如圖4所示。

圖4 某地區(qū)10 kV用戶分時電價政策

據(jù)國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，全國用電量主要省份的峰谷差價在0.4 元/（kW·h）～0.9 元/（kW·h）之間，特別是用電量排名前兩位的江蘇和廣東，峰谷差價均高于0.8 元/（kW·h）。這為用戶利用峰谷差價儲存能源提供了相當(dāng)大的空間。

此外，當(dāng)電網(wǎng)電能足夠企業(yè)使用時，自建的小型發(fā)電廠也可以為儲能系統(tǒng)提供一定的能量來源。相關(guān)政策可分為兩類：一是在電力改革項目中，堅決推進和完善峰谷電價和季節(jié)電價定價機制；二是通過開放用戶側(cè)市場來鼓勵用戶參與儲能調(diào)峰。

5 算例分析

以某區(qū)域內(nèi)的大型工業(yè)負(fù)荷為例進行分析，給出儲能系統(tǒng)整體的配置方案，對用戶側(cè)配置儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化配置分析，以常規(guī)儲能系統(tǒng)為參考對象，對比在以下3 種目的下的成本競爭力。

用戶側(cè)配置儲能系統(tǒng)最主要的目的：

1）退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)在谷時刻充電，在峰時刻和平時刻釋放電能；

2）通過快速的有功/無功控制，有效平抑負(fù)荷的波動；

3）可作為系統(tǒng)的備用電源。

表1 是關(guān)于圖1 的某大型工業(yè)負(fù)荷基本參數(shù)，峰時和平時段電量使用較多。

表1 某大型工業(yè)負(fù)荷基本參數(shù)

表2 為本文配置的用戶側(cè)退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)基本參數(shù)，配置的儲能系統(tǒng)功率為18.895 MW，充電時長為5 h 的退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，充電時段為00：00～08:00，電價參照圖4 中00：00～8:00（谷時）時的電價。根據(jù)式（5）和式（6）設(shè)置其安全放電深度為20%～80%，根據(jù)圖4 的峰谷、平時段電價及圖1 的某大型工業(yè)負(fù)荷可得峰谷套利收益。

表2 配置儲能系統(tǒng)基本參數(shù)

表3 是用戶側(cè)配置儲能系統(tǒng)實現(xiàn)削峰填谷、平抑負(fù)荷和作為備用電源的收益。由表3（當(dāng)電量保持率為1.0時為普通儲能系統(tǒng)）可以看出，對退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)來說，電量保持率在0.6～0.8時，3種作用的利用費用價值均低于常規(guī)儲能系統(tǒng)，說明退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)比常規(guī)儲能系統(tǒng)有優(yōu)勢。但據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知，對退役電池儲能系統(tǒng)來說，作為備用電源的利用價值優(yōu)勢沒有削峰填谷和平抑負(fù)荷的價值高。

表3 退役磷酸鐵鋰電池儲能利用費用價值 元/(kW·h)

圖5 是由優(yōu)化步驟計算所得的加裝退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化前后的負(fù)荷曲線及儲能系統(tǒng)充放電曲線。

圖5 大型工業(yè)負(fù)荷儲能系統(tǒng)配置前后曲線

6 結(jié)論

本文從大型工業(yè)負(fù)荷、退役電池及儲能系統(tǒng)3個方面總結(jié)了電動汽車退役磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)搭建在大型負(fù)荷上的重大意義，并得出以下結(jié)論：

1）對于大型工業(yè)負(fù)荷，配置合理容量的儲能系統(tǒng)可同時發(fā)揮后備電源、平抑負(fù)荷和削峰填谷的作用。

2）針對電動汽車退役磷酸鐵鋰電池充當(dāng)儲能系統(tǒng)元件問題，構(gòu)建非線性等效模型，分析其充放電特性，并采用數(shù)學(xué)方法對退役磷酸鐵鋰電池充放電循環(huán)測試所得數(shù)據(jù)進行線性擬合。結(jié)果表明，退役磷酸鐵鋰電池殘余電量率與充放電次數(shù)之間近似呈線性關(guān)系，也表明其作為儲能元件利用的可能性，其安全性也能得以保證。

3）電池儲能系統(tǒng)與其他發(fā)電機組不同，是電能循環(huán)流動的電力設(shè)施，可以通過化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化快速實現(xiàn)用電低谷時從電網(wǎng)和自建發(fā)電廠充電，用電高峰時向大型工業(yè)負(fù)荷放電。通過儲能系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)運行指標(biāo)配置優(yōu)化，再次證明儲能系統(tǒng)削峰填谷、平抑負(fù)荷和充當(dāng)備用電源的經(jīng)濟性。