目前雖已有較多對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能運(yùn)行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的微觀(guān)狀態(tài)建模，或直接以人為經(jīng)驗(yàn)建模，繁簡(jiǎn)不一，不適用于電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能的建模；此外，大多數(shù)建模方法僅適用于某種特定的儲(chǔ)能技術(shù)，不利于電力系統(tǒng)對(duì)多種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的統(tǒng)一建模與調(diào)度控制。

01研究背景

隨著電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能的大規(guī)模安裝與運(yùn)行，電化學(xué)儲(chǔ)能的運(yùn)行效率和壽命衰減特性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性的影響日益增大。

目前雖已有較多對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能運(yùn)行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的微觀(guān)狀態(tài)建模，或直接以人為經(jīng)驗(yàn)建模，繁簡(jiǎn)不一，不適用于電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能的建模；此外，大多數(shù)建模方法僅適用于某種特定的儲(chǔ)能技術(shù)，不利于電力系統(tǒng)對(duì)多種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的統(tǒng)一建模與調(diào)度控制。

因此，本文對(duì)鋰離子電池、超級(jí)電容和全釩液流電池的運(yùn)行效率與壽命衰減的建模方法進(jìn)行概覽與綜述，并從電網(wǎng)側(cè)的角度對(duì)各個(gè)建模方法進(jìn)行分析與總結(jié)，希望能為電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制中的電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能建模研究提供建議。

02鋰離子電池建模方法評(píng)述

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法往往研究鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)電阻和極化電阻的損耗。目前少數(shù)對(duì)運(yùn)行效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用會(huì)研究鋰離子儲(chǔ)能效率的變化，如高性能電動(dòng)汽車(chē)、艦船儲(chǔ)能等，該類(lèi)應(yīng)用的運(yùn)行效率建模方法需獲知儲(chǔ)能內(nèi)部精確的物理化學(xué)動(dòng)態(tài)信息，不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電力電子變換器和輔助系統(tǒng)的功率損耗一般也需要通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)量來(lái)建模，同樣不太適用于電力系統(tǒng)的調(diào)度與控制。

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法往往通過(guò)研究溫度、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(SOC)、充電和放電深度(DOD)和放置時(shí)間這4個(gè)方面的影響因素實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一般可忽略溫度變化對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響。儲(chǔ)能充電和DOD的壽命衰減建模方法可大致分為兩大類(lèi)，一類(lèi)研究電池充放電的每個(gè)循環(huán)過(guò)程，另一類(lèi)研究電池在每一個(gè)時(shí)段的能量吞吐量?？紤]儲(chǔ)能SOC的壽命衰減建模方法較少，往往通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)表達(dá)式擬合。也有的壽命衰減建模方法直接以循環(huán)次數(shù)和SOC運(yùn)行范圍對(duì)儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行約束，在舍棄最優(yōu)性的同時(shí)為優(yōu)化計(jì)算帶來(lái)了便捷。

03超級(jí)電容建模方法評(píng)述

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行效率的建模方法一般通過(guò)建立超級(jí)電容的等效電路模型實(shí)現(xiàn)，在等效電路模型中可以考慮超級(jí)電容的泄漏電阻、一階電路和暫態(tài)電路等等。對(duì)于電力系統(tǒng)中的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般考慮泄漏電阻和一階電路即可。對(duì)于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的自放電行為，現(xiàn)有的建模方法一般通過(guò)建立超級(jí)電容的開(kāi)路電壓指數(shù)衰減表達(dá)式實(shí)現(xiàn)。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命衰減的建模方法主要考慮電壓和溫度的影響，絕大多數(shù)壽命衰減建模方法根據(jù)阿倫尼烏斯表達(dá)式將溫度的影響建模為指數(shù)形式。當(dāng)考慮電壓對(duì)壽命衰減的影響時(shí)，建模方法可分為多項(xiàng)式形式建模和指數(shù)形式建模，其中，指數(shù)形式的壽命衰減建模方法在絕大多數(shù)情況下比多項(xiàng)式形式的壽命衰減建模方法更加精確。

04全釩液流電池建模方法評(píng)述

全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率建模方法一般通過(guò)研究電池內(nèi)部的交換泵實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的自放電行為建模為自放電電阻，均不涉及液流電池內(nèi)部復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程?，F(xiàn)有的運(yùn)行效率建模方法絕大多數(shù)將液流電池的運(yùn)行效率建模為關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)電氣量（如儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC、外接負(fù)荷等等）的表達(dá)式，適用于與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制方面的模型進(jìn)行集成。

由于沒(méi)有顯著影響全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的因素，對(duì)液流電池儲(chǔ)能壽命衰減的建模方法的研究較少，現(xiàn)有的建模方法一般依據(jù)循環(huán)次數(shù)或充放電電量簡(jiǎn)單考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命衰減。

05電化學(xué)儲(chǔ)能建模方法研究展望

5.1 存在的問(wèn)題

1）當(dāng)前建模方法大多以?xún)?chǔ)能單體為研究對(duì)象，建立的是儲(chǔ)能單體的壽命衰減模型，不適用于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體壽命評(píng)估。

2）當(dāng)前建模方法大多以?xún)?chǔ)能側(cè)的電化學(xué)變量建模，不利于從電力系統(tǒng)的角度對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)建模。而其余的建模方法大多根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單地限定電化學(xué)儲(chǔ)能的運(yùn)行范圍，不利于充分挖掘儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制中的經(jīng)濟(jì)效益。

3）當(dāng)前建模方法建立的電化學(xué)儲(chǔ)能模型涉及各類(lèi)非線(xiàn)性運(yùn)算，因此模型運(yùn)算較為復(fù)雜、計(jì)算難度大，不利于電力系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行與控制。

4）現(xiàn)有的建模方法大多依據(jù)某種電化學(xué)儲(chǔ)能的特性提出，因此只適用于該種電化學(xué)儲(chǔ)能，使得不同電化學(xué)儲(chǔ)能的建模方法大不相同。

5.2 研究展望

1）研究以?xún)?chǔ)能電網(wǎng)側(cè)電氣量為對(duì)象的電化學(xué)儲(chǔ)能建模方法。此處的儲(chǔ)能電網(wǎng)側(cè)電氣量是指從電網(wǎng)側(cè)可測(cè)量得到的儲(chǔ)能電氣量，例如可通過(guò)在電網(wǎng)側(cè)安裝傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率，并通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算求得儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC、充電和DOD等儲(chǔ)能電氣量。在此基礎(chǔ)上研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)SOC、儲(chǔ)能充電和DOD、充放電功率等儲(chǔ)能電網(wǎng)側(cè)電氣量與儲(chǔ)能內(nèi)部動(dòng)態(tài)過(guò)程的關(guān)系，從而進(jìn)行建模。

2）研究降低計(jì)算復(fù)雜度的電化學(xué)儲(chǔ)能建模方法?，F(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能模型為非線(xiàn)性模型，將為優(yōu)化求解帶來(lái)巨大的計(jì)算復(fù)雜度，不利于實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行和評(píng)估。因此，未來(lái)可能需要研究能保持在一定精度范圍內(nèi)的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能線(xiàn)性模型的建立方法。

3）研究適用于多種類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)的通用建模方法。不同電化學(xué)儲(chǔ)能的建模方法不盡相同，現(xiàn)有的建模方法大多只適用于該種儲(chǔ)能技術(shù)，未來(lái)可能需要研究適用于各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)的通用建模方法，協(xié)助電力系統(tǒng)集中統(tǒng)一地調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

06結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋰離子電池、超級(jí)電容和全釩液流電池這3種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行效率建模方法和壽命衰減建模方法進(jìn)行了綜述，總結(jié)了當(dāng)前這3種儲(chǔ)能技術(shù)建模方法的特點(diǎn)。同時(shí)，本文總結(jié)了當(dāng)前電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能建模方法以電池單體為研究對(duì)象、以?xún)?chǔ)能側(cè)電化學(xué)變量建模、模型計(jì)算復(fù)雜度高、不同技術(shù)模型不統(tǒng)一的問(wèn)題，并展望了電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能建模方法未來(lái)可能的研究方向。

引文信息

賀鴻杰, 張寧, 杜爾順, 等. 電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能運(yùn)行效率及壽命衰減建模方法綜述 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.

HE Hongjie, ZHANG Ning, DU Ershun, et al. Review on Modeling Method for Operation Efficiency and Lifespan Decay of Large-scale Electrochemical Energy Storage on Power Grid Side [J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(12): 193-207. DOI: 10.7500/ AEPS20190820005.