高比能二次锂电池电极材料的储能系统配电网运行建模与仿真研究

刘 红，李俊霞

（河南农业职业学院信息工程学院，河南 郑州 451450）

二次锂电池作为一种高比能储能技术，由于其能量密度高、寿命长、环保等优点，在储能领域得到了广泛的应用[1]。目前，对高比能二次锂电池电极材料储能系统配电网运行的建模和仿真研究还不够充分。现有的研究主要集中在电池性能分析、热管理、安全性和可靠性评估方面，而对配电网储能系统的运行特性和控制策略的研究相对较少[2]。本项目重点研究配电网中使用高比能二次锂电池电极材料的储能系统的运行特性。通过建立相应的数学模型和仿真平台，为提高储能系统的性能和可靠性提供理论支持和实践指导。

1 储能系统配电网运行建模与仿真方法设计

1.1 建立高比能二次锂电池电极材料的等效电路

高比能二次电池的关键材料主要包括正极材料、负极材料和电解质。正极材料是决定电池能量密度的关键因素，常用的正极材料包括锂钴氧化物、锂锰氧化物和锂镍氧化物。常用的负极材料包括锂离子电池中的石墨和硅。电解质是电池中离子传输的介质，对电池的性能有直接的影响。

这些关键材料的特性对高比能二次电池的性能和安全性有着重大影响。因此，研究和开发性能更好的新材料是当前电池技术发展的重要方向。为更好地实现系统建模与仿真，首先对高比能二次锂电池电极材料的等效电路进行构造，以分析系统的储能特性[3]。研究采用理想电压源表示电池的开路电压，采用电容与电阻并联的形式表示电池的极化电势，如图1所示。

图1 电池储能系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit of battery energy storage system

图中，R1表示电池储能系统的内阻；R2表示外接电阻；U0表示开路电压；C1表示内置电容。该等效电路充分考虑了电池储能系统的运行特性与阻性特性，利用储能系统的工作电流以及充放电效率即可求取储能系统的端口输出电压。表达式如下：

式中，⊗表示叠加运算符号；η0表示储能系统的充放电效率。

1.2 含储能系统的配电网运行建模

配电网在运行过程中的储热储能具有调节电力供需、稳定电力运行以及提高能源使用效率的优势，对于可再生能源的发展具有重要意义。依据储能系统的极化特性和组成结构，对储能系统的充放电过程进行深入分析，模拟储能系统的状态变化，以了解配电网系统的运行特性，确保储能系统能够满足配电网的需求，促进储热技术的优化，为运行建模提供基础数据。

研究中以储能系统经济性指标为目标对包含储能系统的配电网运行过程进行建模分析。其表达式如下：

式中，Ud表示储能系统端口输出电压；p1储能系统的实际出力。

由于储热介质的不同，经过电能转化为热能后，配电网得到的热能转换效率也存在不一致的问题。因此，为保证储能系统在储热转换时输出的能量密度与输入的能量密度的差值在允许范围内，对储能系统的电压偏移量最小目标函数进行变量增补约束。计算公式如下：

式中，Ab表示储能系统的决策节点电压变量；ws表示储能系统的平衡节点功率；Ht表示关联矩阵。

综上，结合约束条件建立含电池储能系统的配电网运行模型，即：

式中，ω表示权重值；Q(Vz)表示在相应约束条件下配电网的运行模型。

在配电网系统中，储能储热技术需要和系统中的调度、负荷管理等方面进行配合，以最大化发挥电热转换效率，并结合配电网的选址与容量配置，以储能系统经济性指标为目标构建配电网运行模型，便于仿真分析。

2 实例论证分析

为了验证本文提出的高比能二次锂电池电极材料的储能系统配电网运行建模方法的实际应用性能，对其展开实验分析，通过仿真对比实验分析本文方法的应用效果。

2.1 实验准备

本次仿真实验重点研究高比能二次锂电池电极材料的储能系统在配电网中的运行特性，并由此构建配电网运行模型。实验使用的数据为储热储能系统的真实运行数据，其中包括电池性能数据、功率负载数据、温度数据等。另外，储能系统数据包括电池充放电曲线、电池容量、内阻等；电力负荷数据包括电力负荷的波动、峰谷差等。储热储能系统的运行参数如表1所示。

表1 高比能二次锂电池电极材料的储能系统电热转换效率运行参数Table 1 Operating parameters for the electric thermal conversion efficiency of energy storage systems using high specific energy secondary lithium battery electrode materials

基于以上实验准备，根据储能系统在配电网中的实际运行情况，结合储能系统的姿态变化与充放电过程以及电力负荷管理方面的影响，以系统网损最小和电压偏移量最小为目标构建电网运行模型，借助MATLAB仿真软件对本设计的建模方法展开仿真分析。

2.2 储能系统仿真结果

采用传统方法作为本文方法的对比方法。在上述仿真条件基础上，对基于不同方法下的高比能二次锂电池电极材料的储能系统电热转换效率进行仿真对比分析，以进一步测试不同方法的建模效果。对比结果如表2所示。

表2 系统电热转换效率对比Table 2 Comparison of system operating costs

由表2中数据可知，在储能系统的不同出力条件下，两种建模方法的储能系统电热转换效率均存在较小幅度的波动。然而基于本文方法下的系统电热转换效率远高于传统方法，说明本文方法的建模效果更好。

3 结 语

在热能存储技术中，对高比能二次锂电池电极材料在储能系统配电网中的运行进行建模和仿真研究，对优化能源配置、提高能源利用效率具有重要意义。可以更深入地了解储能和释能的模式，预测未来的能源需求和供应，并为决策者提供数据支持和决策参考。同时，高比能二次锂电池电极材料的储能系统可以有效提高能源利用效率，降低能源消耗和成本，对实现可持续发展和环境保护发挥积极作用。