深度|利用先进控制措施最大化储能电池系统的生命周期

 储能是风力发电和太阳能发电的一种有力补充，因为储能系统具有很高的灵活性和容量，既能作为负载进行操作，又能在电力不足或中断时提供电力。储能系统的部署解决了电网运营商为用户提供安全可靠电力的许多挑战，并且由于成本迅速下降、锂离子电池的性能提升，以及“电网就绪”储能产品的出现，一些电网级储能商业项目已经应用。随着储能系统变得更加广泛且经济上可行，它可以使可再生能源与储能设施相结合，在世界更多地区提供可靠的发电和负荷需求服务。
储能系统可以部署在任何地方

储能系统可以部署在电网的任何地方，可以连接到输电系统（T），配电系统（D）或用户侧。储能系统能够与可再生能源、传统发电、负载配套运行，或者可以独立部署。

连接到最终客户的储能系统可以潜在地解决上游服务以支持配电、输电和发电功能，因为其电力调度也在上游传播。

定期充放电循环值得吗？

电力服务堆叠将面临多个潜在竞争承诺的成本和复杂性，这也可能增加储能系统的损耗。在设计储能项目时，了解所解决的每项服务的价值和相关要求非常重要。储能系统仍然是一种相对昂贵的电力资源，因此规模过度或运营过度而没有相关的回报可能会导致项目变得不再经济可行。

储能系统的常见和期望的用途通常是削减峰值，即减少从电网汲取超过规定的电能。这通常映射到更精确的服务，例如电力资源充足性（即采用峰值电厂替代）或输电或配电升级延迟，以及这些服务中储能系统的规模、可用性和位置是至关重要的，但是当电网处于稳定运营状态时，所需的电力调度可能很少发生，以实现推迟或避免替代性投资的期望益处。

对于后备电源等其他电力服务，采用运营成本非常低的储能系统也是可取的，因为它们基本上需要储能系统充当不用于电网调度的储备电源。储能系统可以在充电时提供这些服务，如果需要的话，停止充电。

保持电网供需的瞬时平衡的频率调节则更加细微。一方面，与具有显著惯性的传统发电机不同，电池储能系统几乎可以瞬间改变电力高度以匹配电网不平衡。然而，与频率调节相关的最常用的电池是需要连续充电/放电循环的锂离子电池。虽然参与频率调节市场可能最初是有利可图的，但应该考虑在这些项目中采用电池储能系统中的容量损失、效率和过早更换的权衡问题。

能量时移（有时称为套利）是另一种细致入微的服务。虽然以低价购买（或充电）能源并以高价出售（或放电）听起来是一个好主意，但价格的差价必须克服电能往返效率损失和潜在电池深度循环导致退化等问题。
储能项目的估值可能是一个复杂且针对具体地点的问题。由于储能设备中的容量有限，因此对于充电状态的建模对于了解哪些服务能够成为可行的商业案例是必不可少的。为了支持这种类型的建模和模拟，美国电力研究院（EPRI）在加州能源委员会拨款的支持下，开发并发布了公开可用的储能价值评估工具。

管理电池储能退化的工业方法

电池储能系统退化通常表现为能量保持能力的损失、电源输送能力和效率的降低，并且最终导致更换电池。根据电池储能系统的运行状态，其更换可能仅意味着更换少量电池或完全更换电池组。

电池储能供应商有时会在假定的运行条件或假定的服务调度下提供生命周期的承诺。例如，如果电池每天只深度循环一次，就可以保证达到10年的工作寿命。在储能系统的性能随着时间推移而退化的情况下，这可能是有限的，因为安装需求发生变化，这可能超过电池10-20年的工作寿命。其他开发商提供更复杂的信息，可以评估电池系统在需要更换之前可以经历的“等效周期”。

工业应用采用的一种退化管理方法是管理超大规模储能系统的容量，同时保持储能容量不变。这种方法允许电池系统通过减缓退化以提供更长时间满足客户的期望。但这种方法也有一些缺点，例如增加了设备的前期成本。其他方法可以包括随着系统退化随时间增加电池储能容量，这可以提供额外的灵活性以评估随着时间推移的项目需求，同时利用未来成本降低的假设。

影响电池性能退化的因素

当前绝大部分的电池储能系统采用的是锂离子电池。在2013年至2018年期间，锂离子电池占美国电池储能部署容量的94％。应该注意的是，这里没有涉及的其他储能技术可能具有不同的退化驱动因素。此外，锂离子电池是一个多样化的类别，具有许多不同的化学成份和形式，在此只是提供指示性描述，而不是试图探索所有这些细微差别。

锂离子电池退化受到多个变量的影响。退化驱动因素其中包括：运行温度、寿命期间的平均充电状态，以及充电和放电循环的深度。而采用优异的退化管理工具和措施将有助于储能项目的经济规划和运营，以及设备供应商可能提供的任何保证或性能保证。

电池储能退化的第一个驱动因素与平均充电状态的时间有关。研究数据表明，静止的锂离子电池会根据温度和储存电荷的状态而失去能量保持能力。


图2表明，如果充电状态较高，则在温度升高的情况下容量会降得更快。考虑到这些退化驱动因素有利于规划过程中的退化预测。在运行中，锂离子电池储能系统可以通过有效的热管理和通过避免在高充电状态下的长持续时间来延长工作寿命。然而，这需要对主动热管理的潜在效率影响进行权衡，以及为意外调度调用储能的可能性。需求预测和储能控制方法对于管理这些权衡尤为重要。
锂离子电池储能系统的充电和放电循环是另一个重要的退化因素。深循环对于锂离子电池退化比浅循环电池的影响更大。


图3说明了这种关系。另外，一些电池具有在生命周期后期加速退化的特性，如图3中的“膝盖”形状所示。

通过提高预测成功或失败的准确性，理解和建模操作与退化之间的关系有助于优化储能项目的规划。它还通过允许设计考虑到与循环相关的退化成本的调度策略来改进操作。

储能项目经济学模型的退化

行业厂商提供的储能系统的优化工具可用于了解如何设计和调度储能项目，以最大限度地提高项目生命周期价值。该工具使用基于优化的建模来模拟提供一个或多个电网服务的储能系统的操作（调度和容量预留），同时跟踪退化和电网服务兼容性等。它可以代表电网目标在充电/放电活动方面的不同水平的相对价值，找出更积极的活动可能带来更高的收入，也带来更高的更换成本，最终有助于找到最有效的权衡。

在此提供一个简单的例子来理解电池储能系统运营价值和退化成本之间的权衡，用来模拟执行能量时移（套利）的电池系统。以下净现值表对应于系统在每天有利可图的时间内每天执行两次完全充电/放电10年的循环。在第六年结束时，它需要更换。

对于同样的项目再次建模，但这次在最有利可图的时间内每天只执行一次完全充电/放电循环。由于能源时移，这种情况产生了较低的收入，但是其可以达到10年的项目寿命，这减少了更换电池的成本。

图4.两个项目的现金流量。蓝色线条表示采用一种更积极的策略，没有考虑退化，但获得更多收入。橙色线条表示采用了更为保守的策略，可以减少退化。

使用美国电力研究院提供的优化工具或类似的优化软件，用户可以测试用于储能循环的不同“惩罚函数”，基本上指导优化以要求储能系统具有更大的最小价差。由于退化的影响将在未来变得更加显著，因此储能系统运营商必须在项目早期就认识到这些影响。

现实世界的储能项目可靠性

从商业意义上讲，电池储能项目的安装和部署仍处于初级阶段。因此，该行业仍在了解储能系统的实际退化和停机时间。

这些系统很复杂，包含许多子系统，例如其中的传感器、通信通道、电力电子、计算系统等需要协同工作以满足性能要求。因此，不够稳健的集成或意外事件可能导致系统内不同点的故障。

一些组织机构（如美国国家实验室）正致力于开发实验室测试和商用现场储能系统的测试和测量。还有一些公用事业公司目前正致力于建立一个具有储能性能跟踪记录的通用数据库，并在实际储能项目中了解更多有关停机时间和性能退化的信息。建立储能项目可靠性的记录对于支持具有成本效益的储能投资至关重要，而储能系统将为所有社会成员的电力可靠性和可负担性提供支持。