面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的多類型儲(chǔ)能集成控制策略及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
作者：邢超 1 肖家杰 2李培強(qiáng) 2 奚鑫澤 1毛志宇 3郭祺 2涂春鳴 2
單位：1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院； 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院； 3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院
引用：邢超, 肖家杰, 李培強(qiáng), 等. 面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的多類型儲(chǔ)能集成控制策略及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(10): 3265-3274.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0430
摘 要 針對(duì)電網(wǎng)二次調(diào)頻場(chǎng)景，提出了延長(zhǎng)使用壽命的電池儲(chǔ)能集成控制策略并對(duì)多類型儲(chǔ)能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，以提高調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性。首先，基于區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)控制搭建電池儲(chǔ)能-常規(guī)機(jī)組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻模型，發(fā)揮儲(chǔ)能頻率快速響應(yīng)特性。隨后，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分為充放電不同特性的兩部分進(jìn)行集成，并提出獨(dú)立跟蹤調(diào)頻功率策略，減小調(diào)頻過(guò)程中頻繁充放電對(duì)電池壽命的影響以延長(zhǎng)使用壽命。最后，擬合出多類型電池壽命曲線，并構(gòu)建基于雨流計(jì)數(shù)法的電池儲(chǔ)能壽命評(píng)估模型和全壽命周期成本模型，對(duì)比分析多類型電池儲(chǔ)能集成控制下的經(jīng)濟(jì)性?；趯?shí)際負(fù)荷擾動(dòng)的算例表明：所提集成控制策略可以有效延長(zhǎng)調(diào)頻場(chǎng)景下電池儲(chǔ)能使用壽命，采用鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池進(jìn)行集成控制時(shí)，使用壽命分別延長(zhǎng)了數(shù)倍；壽命周期成本顯著降低。
關(guān)鍵詞 二次調(diào)頻；雙電池集成控制；雨流計(jì)數(shù)法；全壽命周期；使用壽命
為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”號(hào)召，可再生能源近年來(lái)發(fā)展迅速，顯著削弱了電網(wǎng)慣量支撐能力。此外，可再生能源輸出隨機(jī)波動(dòng)性也給電網(wǎng)調(diào)頻帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外機(jī)械損耗和碳排放，且頻率響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)，難以勝任新型電力系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)。而儲(chǔ)能的發(fā)展為此提供了技術(shù)支撐，其快速響應(yīng)能力可較好緩解可再生能源并網(wǎng)帶來(lái)的調(diào)頻壓力，但目前儲(chǔ)能種類較多且價(jià)格和出力特性各異，因此，選擇合適的電池類型和集成控制方式以減小調(diào)頻過(guò)程中壽命損耗并提高經(jīng)濟(jì)性成為研究熱點(diǎn)。
目前已有學(xué)者在該領(lǐng)域做了研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)電網(wǎng)二次調(diào)頻ACE信號(hào)進(jìn)行分解，由儲(chǔ)能承擔(dān)高頻功率，低頻功率則由常規(guī)機(jī)組承擔(dān)；文獻(xiàn)[7]提出計(jì)及電池儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的自適應(yīng)調(diào)頻控制策略，并引入模糊控制和回歸函數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電池儲(chǔ)能出力；文獻(xiàn)[8]分析了常規(guī)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)，為了充分發(fā)揮儲(chǔ)能精確、快速響應(yīng)特性，將儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在常規(guī)機(jī)組死區(qū)內(nèi)來(lái)約束其出力；文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了常規(guī)火電機(jī)組實(shí)時(shí)出力增量預(yù)測(cè)模型，并提出火電-飛輪儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)頻控制策略，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷擾動(dòng)工況下飛輪儲(chǔ)能自適應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組出力；但以上研究均通過(guò)減小電池儲(chǔ)能出力來(lái)改善其壽命，無(wú)法兼顧調(diào)頻效果。對(duì)電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，影響壽命的主要因素包括循環(huán)次數(shù)和放電深度(depth of discharge，DOD)。為了減小頻繁充放電切換對(duì)電池壽命的影響，雙電池儲(chǔ)能模式應(yīng)運(yùn)而生，在配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定及平抑風(fēng)電波動(dòng)等場(chǎng)景已有研究，結(jié)果顯示該模式可以減少電池儲(chǔ)能等效循環(huán)次數(shù)，然而，雙電池儲(chǔ)能模式在調(diào)頻場(chǎng)景下鮮有研究。此外，考慮到電池儲(chǔ)能種類繁多且成本和運(yùn)行特性差異較大，因此，在調(diào)頻場(chǎng)景下選用合適的電池類型可以提高經(jīng)濟(jì)性。
綜上所述，目前研究中均已優(yōu)化儲(chǔ)能出力以改善其壽命，無(wú)法兼顧調(diào)頻效果。且多類型電池特性和經(jīng)濟(jì)性各異，尚需結(jié)合調(diào)頻場(chǎng)景特性和電池儲(chǔ)能控制模式，確定合適電池類型以提升經(jīng)濟(jì)性。對(duì)此，本工作提出了電網(wǎng)二次調(diào)頻場(chǎng)景下的雙電池儲(chǔ)能集成控制策略，并對(duì)多類型電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析與評(píng)估。首先搭建了基于ACE控制的電池儲(chǔ)能-常規(guī)機(jī)組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻模型，充分發(fā)揮儲(chǔ)能頻率快速響應(yīng)特性。然后將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分不同充放電特性的兩部分進(jìn)行集成控制，獨(dú)立跟蹤調(diào)頻功率以延長(zhǎng)使用壽命，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合多類型電池壽命曲線，構(gòu)建基于雨流計(jì)數(shù)法的電池儲(chǔ)能壽命評(píng)估模型和壽命周期成本模型，評(píng)估多類型電池儲(chǔ)能調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性。最后基于實(shí)際負(fù)荷擾動(dòng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提策略有效性及分析了多類型電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性。
1 電池儲(chǔ)能-常規(guī)機(jī)組二次調(diào)頻模型
1.1 常規(guī)火電機(jī)組等效調(diào)頻模型
本工作采用受外界影響較小且容量較大的火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻，參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，需要綜合考慮延時(shí)系數(shù)、爬坡率、功率及容量的約束，由調(diào)速器和汽輪機(jī)將系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為常規(guī)機(jī)組的有功出力，其等效調(diào)頻模型的傳遞函數(shù)表示為：
式中，Tg為調(diào)速器時(shí)間常數(shù)；Trh、Thp和Tch分別為再熱器時(shí)間常數(shù)、再熱器增益和汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)。
1.2 電池儲(chǔ)能等效調(diào)頻模型
電池儲(chǔ)能響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的速度快、精度高，參與調(diào)頻時(shí)通常采用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行等效，其傳遞函數(shù)表示為：
式中，Tb為電池儲(chǔ)能時(shí)間常數(shù)。
為了反映電池儲(chǔ)能任一時(shí)刻調(diào)頻余量，引入荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行表征，以k時(shí)刻為例，表示為：
式中，?t為一個(gè)功率指令采樣周期；P(k)為k時(shí)刻電池儲(chǔ)能的功率指令；SOC(k)為第k個(gè)采樣點(diǎn)。
1.3 電池儲(chǔ)能輔助常規(guī)火電機(jī)組二次調(diào)頻模型
參與電網(wǎng)二次調(diào)頻時(shí)，本工作采用自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)模式，在火電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡功率信號(hào)Ace(s)由電池儲(chǔ)能和火電調(diào)頻機(jī)組共同承擔(dān)，并且按照一定原則進(jìn)行分配，其控制模型如下：
式中，β為頻率偏差系數(shù)；Δf(s)為系統(tǒng)頻率偏差；ΔPg(s)為火電調(diào)頻機(jī)組承擔(dān)的ACE信號(hào)；ΔPb(s)為電池儲(chǔ)能承擔(dān)的ACE信號(hào)；a為電池儲(chǔ)能ACE分配系數(shù)，1-a為火電機(jī)組ACE分配系數(shù)，根據(jù)電池儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組調(diào)頻容量確定。
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時(shí)，為使電池儲(chǔ)能快速響應(yīng)ACE信號(hào)，本工作僅對(duì)火電機(jī)組采用PI控制，使其參與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻，電池儲(chǔ)能僅參與二次調(diào)頻，火電機(jī)組和電池儲(chǔ)能的響應(yīng)功率Pg(s)、Pb(s)表示為：
式中，Kp、Ki為PI控制參數(shù)；Kg為火電機(jī)組一次調(diào)頻單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)。
根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷擾動(dòng)Pl、火電調(diào)頻機(jī)組響應(yīng)功率Pg和電池儲(chǔ)能響應(yīng)功率Pb，可得到電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率偏差如式(9)，代入式(7)和式(8)可得式(10)。區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻框圖如圖1。
圖1 電池儲(chǔ)能輔助常規(guī)機(jī)組參與區(qū)域系統(tǒng)二次調(diào)頻模型
式中，D、M分別為負(fù)荷阻尼系數(shù)與火電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
2 面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的電池儲(chǔ)能集成控制策略
負(fù)荷擾動(dòng)通常具有隨機(jī)性，使頻率在參考頻率上下波動(dòng)，電池儲(chǔ)能參與調(diào)頻時(shí)需頻繁充放電切換，進(jìn)而增加其等效循環(huán)次數(shù)，對(duì)壽命影響較大。因此，為了減小該影響，提出了面向二次調(diào)頻的雙電池儲(chǔ)能集成控制策略，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分為不同充放電特性的兩部分，分別獨(dú)立承擔(dān)充放電調(diào)頻任務(wù)，當(dāng)某電池儲(chǔ)能組SOC達(dá)到設(shè)定限值時(shí)，切換兩電池儲(chǔ)能組充放電模式，具體過(guò)程如下。
步驟1：確定電池儲(chǔ)能運(yùn)行SOC范圍?？筛鶕?jù)生產(chǎn)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)及儲(chǔ)能壽命衰減方法，以該模式下壽命延長(zhǎng)效果最優(yōu)得到。本工作記最佳放電深度為DOD，則電池儲(chǔ)能運(yùn)行SOC邊界可表示為：
式中，SOCmax為電池儲(chǔ)能運(yùn)行SOC上界；SOCmin為電池儲(chǔ)能運(yùn)行SOC下界。
步驟2：確定充放電電池儲(chǔ)能跟蹤功率。當(dāng)由式(8)確定的Pb(s)>0時(shí)，由放電儲(chǔ)能組執(zhí)行，充電儲(chǔ)能組備用；反之，當(dāng)Pb(s)<0時(shí)，由充電儲(chǔ)能組執(zhí)行，放電儲(chǔ)能組備用。此外，考慮電池儲(chǔ)能組額定功率和SOC約束，以k時(shí)刻為例，充/放電電池儲(chǔ)能組功率可表示為：
式中，Pch(k)、Pdi(k)為k時(shí)刻電池儲(chǔ)能充電、放電功率；Pbn為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率，Sbn為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量，因運(yùn)行過(guò)程中獨(dú)立跟蹤功率指令，因此兩電池儲(chǔ)能組充放電功率和容量均為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的一半；η為電池儲(chǔ)能組工作效率。
步驟3：兩電池儲(chǔ)能組充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)充電儲(chǔ)能組SOC達(dá)SOCmax或放電儲(chǔ)能組SOC達(dá)SOCmin時(shí)，轉(zhuǎn)換兩電池儲(chǔ)能組充放電狀態(tài)，進(jìn)入下一充放電周期。且當(dāng)充/放電儲(chǔ)能組因額定功率或SOC約束不能完成本次功率指令時(shí)，由放/充電儲(chǔ)能組補(bǔ)償剩余部分，具體如下。
（1）充電儲(chǔ)能組先達(dá)SOCmax且未完成本次充電功率指令，此時(shí)放電儲(chǔ)能組補(bǔ)償功率和SOC更新表示為：
（2）放電儲(chǔ)能組先達(dá)SOCmin且未完成本次放電功率指令，此時(shí)充電儲(chǔ)能組補(bǔ)償功率和SOC更新表示為：
3 多類型電池儲(chǔ)能壽命測(cè)算及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型
為了評(píng)估多類型電池儲(chǔ)能二次調(diào)頻場(chǎng)景下應(yīng)用雙電池集成模式的經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)各類型電池儲(chǔ)能特性分別建立壽命評(píng)估模型及全壽命周期成本模型。
3.1 多類型電池儲(chǔ)能壽命評(píng)估模型
對(duì)于電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，放電深度和循環(huán)次數(shù)是影響運(yùn)行壽命的主要因素，且循環(huán)次數(shù)與DOD呈函數(shù)關(guān)系。根據(jù)多類型電池儲(chǔ)能(鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池)工程測(cè)試所得DOD和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，見表1，采用五階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。DOD-N函數(shù)關(guān)系如式(19)，擬合的多項(xiàng)式系數(shù)和曲線如表2和圖2。
表1 不同DOD下循環(huán)次數(shù)N
表2 擬合多項(xiàng)式系數(shù)
圖2 電池循環(huán)次數(shù)與放電深度的關(guān)系
由于電池儲(chǔ)能參與二次調(diào)頻過(guò)程中DOD是實(shí)時(shí)變化的，為與測(cè)試數(shù)據(jù)形式相統(tǒng)一，進(jìn)行有效對(duì)比以獲得實(shí)際運(yùn)行壽命，首先采用雨流記數(shù)法統(tǒng)計(jì)不同DOD下循環(huán)次數(shù)，并利用等效循環(huán)壽命法和DOD-N關(guān)系曲線將不同DOD下循環(huán)次數(shù)折算到DOD=1下循環(huán)次數(shù)并求和，然后與DOD=1下測(cè)試循環(huán)次數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得到電池儲(chǔ)能實(shí)際運(yùn)行壽命Tnb為：
式中，N1為DOD=1下的循環(huán)次數(shù)；Nz為不同DOD下折算后的循環(huán)次數(shù)。
超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等功率型池儲(chǔ)能受DOD影響較小，影響其壽命的主要因素為充放電次數(shù)，且功率型儲(chǔ)能能量成本高，因此不適于采用雙儲(chǔ)能運(yùn)行模式，故后續(xù)對(duì)比中僅考慮單一功率型儲(chǔ)能。根據(jù)其實(shí)際的日充放電次數(shù)估算其使用壽命，設(shè)一年運(yùn)行t天，其實(shí)際運(yùn)行壽命Tgb為：
式中，Ngmax為功率型儲(chǔ)能壽命周期最大充放電次數(shù)；Ngrreal為功率型儲(chǔ)能日實(shí)際充放電次數(shù)。
3.2 基于全壽命周期成本的電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型
全壽命周期成本模型是指儲(chǔ)能系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi)，所產(chǎn)生的費(fèi)用總和，包括：投資成本、置換成本、輔助設(shè)備成本、運(yùn)行維護(hù)成本、報(bào)廢處理成本和回收殘值。本工作利用費(fèi)用現(xiàn)值法，假設(shè)電池儲(chǔ)能的總使用周期為T年，基準(zhǔn)折現(xiàn)率為I，模型的具體內(nèi)容包括電池儲(chǔ)能容量配置模型和電池儲(chǔ)能全壽命周期成本評(píng)估模型。
3.2.1 電池儲(chǔ)能容量配置模型
電池儲(chǔ)能功率配置原則為運(yùn)行周期內(nèi)滿足最大功率指令需求，表示為：
式中，k0為起始時(shí)刻；ki、kj分別為運(yùn)行周期內(nèi)的功率最大和最小時(shí)刻。
電池儲(chǔ)能容量配置原則為運(yùn)行周期內(nèi)避免其運(yùn)行于過(guò)充過(guò)放，可根據(jù)電池儲(chǔ)能的累積能量曲線求得，表示為：
式中，E0為電池儲(chǔ)能初始能量；E(k)為k時(shí)刻電池儲(chǔ)能累積能量。
3.2.2 全壽命周期成本評(píng)估模型
（1）儲(chǔ)能投資成本
式中，Cbpinv為儲(chǔ)能單位功率投資成本；Cbsinv為儲(chǔ)能單位容量投資成本。
（2）儲(chǔ)能置換成本
式中，Cbpre為儲(chǔ)能單位功率置換成本；m為T年內(nèi)儲(chǔ)能置換次數(shù)；(P/F,I,L)為一次支付現(xiàn)金系數(shù)。
（3）輔助設(shè)備成本
式中，Cbpbop為儲(chǔ)能單位功率輔助成本；Csbop為儲(chǔ)能單位容量輔助成本。
（4）電池儲(chǔ)能運(yùn)行維護(hù)成本
式中，Cbpom為儲(chǔ)能單位功率運(yùn)維成本；Cbsom為儲(chǔ)能單位電量運(yùn)維成本；Wb(k)為儲(chǔ)能年充放電量；(P/A,I,T)為等額分付現(xiàn)值系數(shù)。
（5）報(bào)廢處理成本
式中，Cbpscr為儲(chǔ)能單位功率報(bào)廢處理成本；Cbsscr為儲(chǔ)能單位容量報(bào)廢處理成本。
（6）回收殘值
式中，γbres為儲(chǔ)能回收殘值率。
綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總成本如式(33)。
本工作提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)參與二次調(diào)頻全壽命周期成本評(píng)估流程如圖3所示。
圖3 電池儲(chǔ)能參與二次調(diào)頻的模型與全壽命周期成本評(píng)估過(guò)程
4 仿真分析
基于圖3的區(qū)域電網(wǎng)二次調(diào)頻模型進(jìn)行仿真分析，常規(guī)機(jī)組調(diào)頻備用容量為40 MW，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置為40 MW/30 MWh，即雙電池集成控制時(shí)兩電池均為20 MW/15 MWh。DOD設(shè)為0.8，SOC初始值為0.5，其余參數(shù)見表3，均以100 MW為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)幺化。以某區(qū)域電網(wǎng)連續(xù)24 h負(fù)荷擾動(dòng)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采樣間隔為1 min，負(fù)荷擾動(dòng)曲線如圖4所示。
表3 仿真參數(shù)
圖4 24 h負(fù)荷擾動(dòng)
4.1 儲(chǔ)能輔助常規(guī)調(diào)頻機(jī)組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻仿真分析
首先對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻效益進(jìn)行驗(yàn)證。電網(wǎng)頻率變化、儲(chǔ)能出力及單儲(chǔ)能SOC曲線如圖5～圖7所示。
圖5 系統(tǒng)頻率變化
圖6 儲(chǔ)能出力
圖7 單儲(chǔ)能SOC變化
圖5為無(wú)儲(chǔ)能和有儲(chǔ)能參與調(diào)頻時(shí)電網(wǎng)頻率變化。分析可知，儲(chǔ)能參與調(diào)頻時(shí)比無(wú)儲(chǔ)能時(shí)調(diào)頻效果更好，其原因在于儲(chǔ)能相較于常規(guī)火電調(diào)頻機(jī)組，具備較快的頻率變化響應(yīng)能力，可快速抑制頻率跌落。圖6和圖7為儲(chǔ)能調(diào)頻功率和單儲(chǔ)能跟蹤功率指令時(shí)SOC。當(dāng)以本工作容量配置模型進(jìn)行配置時(shí)，儲(chǔ)能可跟蹤調(diào)頻指令以補(bǔ)償系統(tǒng)不平衡功率，且能夠滿足SOC運(yùn)行約束。
從數(shù)據(jù)角度分析見表4，儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)最大正向頻率偏差為0.0182 Hz，最小反向頻率偏差為-0.0224 Hz，頻率偏差絕對(duì)值平均值為0.0041 Hz，相較于無(wú)電池儲(chǔ)能，調(diào)頻指標(biāo)分別提升了45.97%、46.93%和42.35%。
表4 無(wú)儲(chǔ)能和有儲(chǔ)能下的調(diào)頻指標(biāo)
4.2 雙電池儲(chǔ)能集成控制策略仿真分析
由第2節(jié)分析可知，對(duì)于電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，雙電池集成控制可減小頻繁充放電對(duì)電池壽命的影響。本工作對(duì)3種常見的電池儲(chǔ)能(鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池)采用雙電池集成控制以跟蹤調(diào)頻功率指令，并與3種功率型儲(chǔ)能(超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能)調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性作對(duì)比分析。雙電池儲(chǔ)能出力、SOC曲線、充放電狀態(tài)切換標(biāo)志如圖8～圖10所示，根據(jù)壽命評(píng)估模型統(tǒng)計(jì)的等效循環(huán)次數(shù)及循環(huán)壽命見表5、表6。
圖8 兩電池儲(chǔ)能組的有功出力曲線
圖9 兩電池儲(chǔ)能組的SOC變化曲線
圖10 充放電狀態(tài)切換標(biāo)志位
表5 3種能量型電池儲(chǔ)能的循環(huán)次數(shù)
表6 3種能量型電池儲(chǔ)能的使用壽命
由圖8～圖10可知，當(dāng)A電池儲(chǔ)能放電補(bǔ)償負(fù)向負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，B電池儲(chǔ)能充電補(bǔ)償正向負(fù)荷擾動(dòng)，在A/B電池儲(chǔ)能達(dá)到SOC邊界時(shí)，A電池儲(chǔ)能切換為充電模式，B電池儲(chǔ)能切換為放電模式，避免了頻繁充放電切換，且滿足每組電池的功率約束和可用充放電容量約束。同時(shí)，兩電池組之間充放電狀態(tài)的切換可使得電池能接近最優(yōu)DOD運(yùn)行(如0～300、600～1200 min等時(shí)段)，進(jìn)而充分利用其循環(huán)壽命，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。
從數(shù)據(jù)角度進(jìn)行分析見表5和表6，采用雙電池集成控制模式時(shí)，3種電池儲(chǔ)能等效循環(huán)次數(shù)均小于單電池控制，鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池的等效循環(huán)次數(shù)分別減少了76.6%、80.1%、25.1%；等效使用壽命分別延長(zhǎng)了4.27、5.06和1.35倍，且雙電池集成控制模式下，鋰電池平均使用壽命明顯優(yōu)于鉛酸電池和鎳氫電池，為846.4 d。
4.3 基于雙電池集成控制的多類型儲(chǔ)能調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
首先根據(jù)式(21)計(jì)算功率型儲(chǔ)能運(yùn)行壽命，見表7。為了減小置換次數(shù)向上取整帶來(lái)的成本誤差，形成有效對(duì)比，本工作以10年為壽命周期。計(jì)算的多類型儲(chǔ)能置換次數(shù)如圖11所示。分析可知，功率型儲(chǔ)能因壽命較長(zhǎng)，其置換次數(shù)要小于電池儲(chǔ)能。相較單電池控制，采用雙電池集成控制時(shí)可以明顯減少電池儲(chǔ)能置換次數(shù)。
表7 3種功率型電池儲(chǔ)能的等效使用壽命
圖11 多類型儲(chǔ)能置換次數(shù)
從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行對(duì)比，各類型儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表8，基于3.2節(jié)儲(chǔ)能全壽命周期成本模型，可得到單電池控制和雙電池集成控制下鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池，單電池控制下超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的調(diào)頻成本，見表9。
表8 多類型電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)
表9 多類型電池儲(chǔ)能的成本對(duì)比
由表9可知，雙電池集成控制時(shí)各類型電池的調(diào)頻成本均小于單電池控制，分析其原因在于雙電池功率和容量初始投資成本與單電池相同，但雙電池集成控制下各類型電池置換次數(shù)顯著減少，使全壽命周期成本評(píng)估下置換成本和報(bào)廢成本減小。由于各類型電池儲(chǔ)能成本不一，雙電池集成控制下鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池壽命周期調(diào)頻成本和分別為8.088×108元、3.727×108元和7.170×108元，較單電池分別減少了48.1%、70.3%和19.2%，且其調(diào)頻成本均優(yōu)于功率型儲(chǔ)能。此外，雙電池集成控制模式下，采用鉛酸電池的調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性最佳，其成本為3.727×108元。
5 結(jié)論
針對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)二次調(diào)頻場(chǎng)景，提出一種雙電池儲(chǔ)能集成控制策略，并構(gòu)建壽命評(píng)估和壽命周期成本模型對(duì)多類型電池儲(chǔ)能調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)算例分析得出以下結(jié)論。
（1）所提雙電池儲(chǔ)能集成控制策略使得電池能夠運(yùn)行于最佳放電深度，有效減小了電池壽命損耗，顯著延長(zhǎng)其使用壽命，相較單電池控制，鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池的使用壽命分別延長(zhǎng)了數(shù)倍。
（2）建立儲(chǔ)能全壽命周期成本模型統(tǒng)一從經(jīng)濟(jì)層面對(duì)多類型儲(chǔ)能調(diào)頻適應(yīng)性進(jìn)行了有效對(duì)比。采用單儲(chǔ)能調(diào)頻時(shí)，超級(jí)電容調(diào)頻成本最低，其調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性最好。采用雙電池集成控制時(shí)，相較單電池控制，鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池在全壽命周期內(nèi)成本顯著降低，且鉛酸電池調(diào)頻成本最低，其調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性最佳。
