计及储能寿命特性与健康状态的多站融合光伏储能优化配置

郑瑞春，王焕忠，李钦豪，伍伟慧

(广东南海电力设计院工程有限公司，广东 佛山 528200)

随着我国能源产业逐步向清洁低碳方向转型以及数字化技术的快速发展，数据中心、5G通信基站、分布式发电及储能等产业蓬勃发展[1-2]。为充分利用城市土地资源，电网公司提出“多站融合”的建设运营模式，即联合共建变电站、分布式光伏电站、储能站、边缘数据中心、5G通信基站等多类型站点[3]，一方面变电站、光伏电站和储能站能为数据中心和通信基站提供电能供应和备用电源服务，另一方面数据中心和通信基站能提升电站及其周边用户的数据运算与通信能力[4]，实现资源的集约化开发和站间功能的高度融合互补。

储能电站在多站融合场景中具有多重作用：①平抑光伏电站的出力波动，提高电能质量；②调节电力负荷，起到削峰填谷的作用；③为数据中心和通信基站提供不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)服务[5-6]。储能电站的配置与运行策略是多站融合的重要研究方向。文献[1]分析了多站间的功能融合点，提出了光伏站、储能站、通信基站、数据中心和电动汽车充电站融合场景下，各站的容量配置与协调运行策略；文献[7]研究了多站融合场景下各站点的实用化规划配置方法；文献[3]提出了储能站辅助电网调峰的运行控制策略，进而建立多站融合储能站容量优化配置模型。上述研究未考虑储能健康状态和寿命特性对储能站优化配置及运行策略的影响。储能电池循环寿命和健康状态受充放电深度及倍率、循环次数等影响很大，这些因素与储能的容量配置及运行策略密切相关，并直接影响储能站的使用寿命及经济效益。文献[8-10]均考虑了储能电池寿命特性对其优化配置的影响：文献[8]采用折减系数法计算储能电站的剩余循环次数，研究了多站融合中储能电站的优化运行策略；文献[9]采用累计折算寿命法计算电池的循环次数，研究多站融合中储能站的容量设计与运行策略；为提高电池寿命的预测精度，文献[10]采用雨流计数法估算电池剩余寿命，研究商业园区储能站的优化运行策略。上述文献考虑了储能电池寿命对其容量配置的影响，但未计及电池的健康状态对储能电站运行策略及全寿命周期经济效益的影响。文献[11]计及电池健康状态，提出了一种微电网源荷储协同配置方法。

为全面计及电池健康状态和寿命特性对储能电站配置运行的影响，针对多站融合的复杂场景，本文分析多站融合的运行模式，基于雨流计数法建立电池循环寿命和健康状态的变化模型，以光伏储能(以下简称“光储”)系统全寿命周期内的经济效益为优化目标，构建多站融合光储系统优化配置模型，并通过算例分析验证所提配置模型的有效性。

1 多站融合运行模式分析

多站融合是指利用变电站的空余场地或规划用地，统筹规划建设数据中心站、储能电站、分布式光伏电站、5G通信基站，依托变电站的站址空间、电力供应等资源优势，融合建设数据中心站与5G通信基站为变电站及其周边产业提供更为经济可靠的信息化服务，融合建设分布式光伏电站和储能电站为数据中心及通信基站提供清洁低碳的电能供应及UPS服务，进而提升经济社会效益。多站融合的典型运营模式如图1所示。

图1 多站融合典型运营模式Fig.1 Typical operation mode of multi-station integration

在图1所示的多站融合运营模式下，分布式光伏电站接入变电站，为储能电站、数据中心站、5G通信基站提供电能，实现分布式光伏最大化就地消纳。数据中心站和通信基站提供多站融合系统数据计算和通信服务。储能电站一方面可平抑光伏电站的出力波动，另一方面可以在电价谷时段充电、电价峰时段放电以获取利润。此外，在多站融合模式下，储能电站还可为数据中心站和通信基站提供UPS服务。将储能电站的部分容量固定划分给UPS，既可满足数据中心和通信基站的UPS需求，同时能够降低储能电池运行过程中的充放电深度，提高储能电池的循环寿命，减缓电池容量衰减，提高经济效益。此外，还能避免传统UPS电池长期处于浮充状态，实际健康状态难以获取的问题[1]。

2 储能电站寿命特性与健康状态

锂电池安全性高、绿色环保，广泛应用于电网储能站[12-14]。健康状态是表征电池剩余容量与初始容量的比值。健康状态及电池使用寿命均与运行温度、充放电深度、充放电倍率、循环次数等因素密切相关[15-16]。由于储能电站一般都具备有效的温度控制手段，且充放电倍率处于合理区间[10,17]，因此本文仅考虑充放电深度及循环次数对电池健康状态及使用寿命的影响。

多站融合场景下，电池充放电过程复杂，为精细化考虑储能电池充放电行为对其健康状态及剩余寿命的影响，本文采用疲劳分析中常用的雨流计数法[18-19]来计算电池的充放电深度。

2.1 基于雨流计数法的充放电深度计算

雨流计数法适用于对应变-时间之间的非线性关系进行计算，采用雨流计数法计算储能电池充放电深度的基本原理[20]如下：

a)将电池荷电状态(state of charge，SOC)随时间变化的曲线顺时针旋转90°，雨流计数从起点及每个极值的内边开始；

b)雨流流至峰值处竖直下滴，直至滴到比开始时最大值(或最小值)更正的最大值(或更负的最小值)为止；

c)当雨流遇到来自上方流下的雨时，就停止流动，记为1个循环；

d)根据雨流的起点和终点提取所有循环，每个雨流对应的坐标轴长度即为该循环的充放电深度。

采用雨流计数法提取储能充放电循环的过程如图2所示。图2所示的复杂充放电过程可以划分为2个半循环和2个循环，分别为A-B-C-E半循环、C-D循环、E-F-G-I半循环以及G-H循环。

图2 雨流计数法提取充放电循环示意图Fig.2 Schematic diagram of charging and discharging cycles extracted by rain current counting method

2.2 储能电池的循环寿命

多站融合中储能电站一般具备有效的温度控制手段，也能控制充放电倍率在合理范围，因此本文在电池的循环寿命拟合过程中仅考虑充放电深度和充放电次数的影响。

某型号的磷酸铁锂电池在不同充放电深度下对应的循环寿命见表1。

表1 不同充放电深度对应的电池循环寿命Tab.1 Battery cycle life corresponding to different DODs

电池循环寿命-充放电深度曲线的常用拟合方法有多阶函数法、幂函数法和分段拟合法等[19-21]，本文采用3阶函数拟合磷酸铁锂电池循环寿命与充放电深度的关系，拟合曲线如图3所示，拟合公式如式(1)所示。

图3 循环寿命与充放电深度的拟合曲线Fig.3 Fitting curves of functional relationship between the cycle life and charge-discharge depth

(1)

式中：Nt为电池的循环寿命；DOD为电池的充放电深度。

根据雨流计数法可算得电池每次循环的充放电深度，结合式(1)可得电池寿命衰减率

(2)

式中：n为循环次数；DOD(i)为第i次循环的充放电深度。

当α达到1时，则认为电池寿命耗尽。

2.3 储能电池的健康状态

储能电池在正常寿命周期内容量不断衰减，电池健康状态也是影响多站融合中储能电站规划配置的重要因素。文献[22]基于雨流计数原理，提出了一种电动汽车动力电池健康状态实时评估方法；文献[11]研究了基于雨流计数法的电池健康状态评估方法，进而计及健康状态提出了微电网源储荷协同配置方法。文献[23]通过试验测试，得出储能用磷酸铁锂电池在不同充放电深度下电池健康状态与循环次数的关系可以用三阶函数拟合，即

SOH,DOD=aDODn3+bDODn2+cDODn+1.

(3)

式中：SOH,DOD为不同充放电深度下电池的健康状态；aDOD、bDOD、cDOD分别为不同充放电深度下三次项、二次项和一次项的拟合系数。

本文在前述研究的基础上，采用雨流计数法计算电池健康状态，具体步骤如下：

a)对于储能电池运行的第j年，按照2.1节所述的雨流计数法计算充放电深度；

b)将充放电深度划分为[0，DOD1]、(DOD1，DOD2]、…、(DODK-1，1]共K个区间，统计截止至第j年的各个区间的循环次数，分别记为nk，k=1，2，…，K；

c)将n1代入式(3)，依据DOD1的拟合值，得到电池健康状态SOH,DOD1；

d)计算SOH,DOD1对应DOD2的循环次数，并与n2累加得到n′2，代入式(3)依据DOD2的拟合值，得到电池健康状态SOH,DOD2；

e)重复步骤c)、步骤d)的方法，分别计算后续区间，最后得到第j年末的电池健康状态SOH(j)。

第j年末的电池剩余容量

Ej=E×SOH(j).

(4)

式中E为储能电池的额定容量。

3 光储容量优化配置方法

3.1 目标函数

多站融合充分利用变电站闲置土地资源建设数据中心、通信基站、分布式光伏电站、储能电站等。光伏站和储能电站建设成本高，在满足周边需求的基础上，应以经济效益最优作为目标。综合计及储能电池的寿命特征和健康状态，以全生命周期内的经济收益最优化作为多站融合光伏储能容量配置的目标函数，即

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

3.2 约束条件

a)变电站土地资源约束为：

sPVx≤SW，

(12)

sSTy≤SK.

(13)

式中：sPV为单位容量光伏电站所需的建设面积；SW为多站融合中可用于建设光伏电站的屋顶总面积；sST为储能单位容量所需的建设面积；SK为多站融合中可用于建设储能电站的空地面积。

b)UPS需求约束为

y>LDataTData+L5GT5G.

(14)

式中：LData、L5G分别为数据中心站和5G基站的最大负荷功率；TData、T5G分别为数据中心站和5G基站所需的UPS备用时间。

c)储能可用容量约束为

yj=y×SOH(j).

(15)

式中yj为第j年末的储能可用容量。

4 协调运行控制策略

4.1 出力波动平抑控制策略

分布式光伏电站的出力波动具有比较明显的分时性[24-27]，采用低通滤波算法能有效滤除功率波动的高频分量，抑制光伏短时波动。选取一阶低通滤波曲线作为储能电站平抑光伏出力波动的控制模型[28-29]，即

(16)

式中：PPV为光伏电站的输出功率；Po为PPV经过一阶低通滤波器后的输出；PST为储能功率；s为拉普拉斯算子；Tf为时间常数。

对式(16)离散化处理，可得到输出功率Po和储能功率PST的递推公式：

(17)

式中Δt为分布式光伏功率时间序列间隔。

4.2 多站融合协调运行控制策略

多站融合场景下，变电站、光伏站作为电源，数据中心站和通信基站作为负荷，储能电站兼具电源和负荷的功能，同时还在电价谷时段充电，电价峰时段放电，以获取经济收益。多站融合协调运行控制策略如图4所示。

图4 光储协调运行控制流程Fig.4 Coordinated operation control process of photovoltaic and energy storage

5 算例分析

以某变电站为算例进行分析，具体计算条件如下：

a)变电站可用空地面积为500 m2。

b)变电站可用屋顶面积为1 500 m2。

c)数据中心站额定负荷功率为0.6 MW，UPS备用时间0.25 h。

d)5G通信基站额定负荷功率为0.045 MW，UPS备用时间4 h。

e)电价峰时段为07：00至21：00，电价为1.282 8元/kWh；电价谷时段为21:00至次日上午07：00，电价为0.348 8元/kWh。

f)将锂电池的充放电深度划分为[0，40%]、(40%，60%]、(60%，80%]、(80%，100%]共4个区间(K=4)。

g)建设储能电站所需的单位容量土地面积为160 m2/MWh，储能电站的固定投资成本(含集装箱、变流器等)为95万元，磷酸铁锂电池的单位容量投资成本为2 100元/kWh，充放电效率为0.98，单位容量运维成本为12元/kWh，式(3)中的系数aDOD、bDOD、cDOD取值见表2[30]。

表2 不同充放电深度对应的磷酸铁锂电池系数值Tab.2 Coefficient values of lithium iron phosphate batteries corresponding to different DODs

h)建设光伏电站所需的单位容量屋顶面积为18 m2/kW，固定投资成本为12万元，单位容量投资成本为3 700元/kW，单位容量运维成本为18元/kW。

i)折现率取5%。

基于所建模型及算例参数，本文设置了2种方案进行配置模型求解和对比分析：方案1——仅考虑储能寿命特性，不计及健康状态的光储优化配置模型；方案2——考虑储能寿命特性和健康状态的光储优化配置模型。

采用通用代数建模系统(general algebraic modeling system，GAMS)优化软件求解，得到光储优化配置结果见表3。

表3 不同方案的优化配置结果Tab.3 Optimized configuration results of different programs

对比方案1和方案2的配置结果可知，不计及储能健康状态，即不考虑储能容量逐年衰减时，光储优化配置模型会尽可能多地配置储能，以获取更多的储能高发低储收益，但这与实际情况存在较大差异。采用本文所提的计及储能寿命特性和健康状态的配置策略，综合考虑了储能的寿命衰减和容量衰减，能够更加真实地反映储能在全寿命周期内的运行状态变化，配置结果更加合理准确。

按照本文所提的光储协调控制策略，储能电池的使用寿命为13年，电池的寿命衰减率α及健康状态的逐年变化情况见表4。

表4 储能电池寿命衰减及健康状态变化情况Tab.4 Energy storage battery life decay and SOH changes

由表4可知：

a)随着运行年限的增加，储能电池的寿命衰减率逐渐降低。这是由于储能剩余容量逐渐下降，数据中心和通信基站的UPS需求容量占比逐渐增加，相当于降低了储能的充放电深度，综合式(1)、(2)可知，储能的寿命衰减率也逐年下降。

b)随着运行年限的增加，储能的健康状态和剩余容量大幅下降，对储能全寿命周期中后段的运行策略和收益影响很大，有必要在规划配置阶段就综合考虑储能电池的寿命特性和健康状态。

6 结束语

本文基于多站融合运行场景，采用雨流计数法对复杂充放电过程中储能充放电深度进行计算，构建了储能循环寿命和健康状态的变化模型，以全寿命周期内的经济效益为目标建立光储容量优化配置模型，提出相应的光储协调运行控制策略，并通过算例分析验证本文所提的计及储能寿命特性与健康状态的光储配置方法的有效性。仿真分析结果表明，储能循环寿命及健康状态在全寿命周期内变化大，且会对经济性产生较大的影响。计及储能寿命特性和健康状态能够有效综合考虑充放电深度与储能的寿命衰减、容量衰减，优化配置结果更符合光伏和储能电站全寿命周期内的运行情况。