電池儲能平抑可再生能源電源出力波動研究

湯益奎

【摘要】：隨著社會的發展進步以及生態環境保護的需求，可再生清潔型能源備受關注，且其需求量呈現明顯的升高態勢，由此推動了新型電池儲能技術的高速發展。電池儲能電站（BESS）作為新型電池儲能技術的產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，構建新型BESS評價模型體系，以此為重點進行相關研究分析。

【關鍵詞】：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中的應用比重也在不斷的增加，在電網的運行中也是如此，由此也推動了電池儲能技術的迅猛發展，這種新型的電池儲能技術有著不同的介質，常見的有鈉硫電池、鋰電池以及液流電池這三種介質。實驗研究表明，雖然不同的介質在BESS中有著不少的相似之處，但是總體來說不同介質在參數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性能以及成本，來對實際運行中BESS選用何種類型的介質進行更深層次的研究分析。受到儲能技術高成本的影響，其尚無法在短時間內取代傳統技術，實現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能量要求低、符合高功率要求場景的選取。

1.1.1平抑目標的數學模型建立

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的數學模型，

上式平抑目標的數學模型所描述的是新型電池儲能技術在單位成本內的平抑效果。總體分析，平抑效果的判定主要依賴于單位成本BESS在限定時間內對于發電計劃外不平衡電量的下降控制幅度。結果就是下降越多的時候也就表明這種介質的平抑效果越好，可參見平抑目標數學模型的分子部分。

1.1.2電池儲能電站的相關成本分析

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備的折舊、技術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、三是輔助設備的成本，并且我們可以得知，BESS的額定容量正相關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于設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的荷電狀態以及充放電倍數可明顯制約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的BESS

放電倍數一方面與荷電的狀態有關，另一方面也跟放電時間的長短有關，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，但是在現實情況中，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，它的充放電倍數也能一直維持不變，也就是一個固定常數。

2.2.3以鈉硫電池作為介質的BESS

以鈉硫電池作為介質的BESS同樣具有比較高的放電倍數，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的BESS具備高充電倍率的功能特點，但是在實際的場合應用中并不能得到體現。

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的一種約束，用數理公式表示如下：

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系，且與BESS放電以及出力情況相結合。本次研究對BESS單位時間荷電狀態進行限制分析的同時，也對BESS的平均荷電狀態進行了限制，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BESS動態性能。

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量相等的情況下，以鐵鋰為介質的BESS對于可再生能源電力出力波動的平抑效果要優于以釩流電池或是以鈉硫電池為介質的BESS，之所以會是這個結果，主要是因為以鐵鋰電池為介質的BESS雖然額定功率比較小，但是它充放電的倍數要遠高于以釩流電池或是鈉硫電池作為介質的BESS，因此，總體來說以鐵鋰電池作為介質的BESS更容易實現可再生能源電源出力波動的平抑。

結語

綜上所述，在電力系統對于借助大規模的電池儲能技術平抑可再生能源電源的波動功率需求日益迫切的當下，加強對于電池儲能技術的相關研究有著十分重要的促進意義。本文從電池儲能技術的介質選用入手，分析了三種不同介質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中的穩定運用提供一點借鑒意義。

【參考文獻】

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