清华大学贺鸿杰、张宁、康重庆等：电网侧大规模电化学储能运行效率及其寿命衰减建模方法综述

目前虽已有较多对电化学储能运行效率和寿命衰减建模方法的研究，但这些方法大多以储能系统内部的微观状态建模，或直接以人为经验建模，繁简不一，不适用于电网侧电化学储能的建模；此外，大多数建模方法仅适用于某种特定的储能技术，不利于电力系统对多种电化学储能技术的统一建模与调度控制。

01研究背景

随着电网侧电化学储能的大规模安装与运行，电化学储能的运行效率和寿命衰减特性对电力系统运行可靠性、经济性的影响日益增大。

目前虽已有较多对电化学储能运行效率和寿命衰减建模方法的研究，但这些方法大多以储能系统内部的微观状态建模，或直接以人为经验建模，繁简不一，不适用于电网侧电化学储能的建模；此外，大多数建模方法仅适用于某种特定的储能技术，不利于电力系统对多种电化学储能技术的统一建模与调度控制。

因此，本文对锂离子电池、超级电容和全钒液流电池的运行效率与寿命衰减的建模方法进行概览与综述，并从电网侧的角度对各个建模方法进行分析与总结，希望能为电力系统调度运行与控制中的电网侧大规模电化学储能建模研究提供建议。

02锂离子电池建模方法评述

锂离子电池储能系统运行效率的建模方法往往研究锂离子储能系统的内电阻和极化电阻的损耗。目前少数对运行效率有严格要求的应用会研究锂离子储能效率的变化，如高性能电动汽车、舰船储能等，该类应用的运行效率建模方法需获知储能内部精确的物理化学动态信息，不太适用于电力系统的调度与控制。同时储能系统中电力电子变换器和辅助系统的功率损耗一般也需要通过储能系统内部的运行状态量来建模，同样不太适用于电力系统的调度与控制。

锂离子电池储能系统寿命衰减的建模方法往往通过研究温度、储能荷电状态(SOC)、充电和放电深度(DOD)和放置时间这4个方面的影响因素实现。在实际应用过程中，一般可忽略温度变化对储能系统的影响。储能充电和DOD的寿命衰减建模方法可大致分为两大类，一类研究电池充放电的每个循环过程，另一类研究电池在每一个时段的能量吞吐量。考虑储能SOC的寿命衰减建模方法较少，往往通过实验数据对表达式拟合。也有的寿命衰减建模方法直接以循环次数和SOC运行范围对储能运行状态进行约束，在舍弃最优性的同时为优化计算带来了便捷。

03超级电容建模方法评述

超级电容储能系统运行效率的建模方法一般通过建立超级电容的等效电路模型实现，在等效电路模型中可以考虑超级电容的泄漏电阻、一阶电路和暂态电路等等。对于电力系统中的超级电容储能系统，一般考虑泄漏电阻和一阶电路即可。对于超级电容储能系统的自放电行为，现有的建模方法一般通过建立超级电容的开路电压指数衰减表达式实现。

超级电容储能系统寿命衰减的建模方法主要考虑电压和温度的影响，绝大多数寿命衰减建模方法根据阿伦尼乌斯表达式将温度的影响建模为指数形式。当考虑电压对寿命衰减的影响时，建模方法可分为多项式形式建模和指数形式建模，其中，指数形式的寿命衰减建模方法在绝大多数情况下比多项式形式的寿命衰减建模方法更加精确。

04全钒液流电池建模方法评述

全钒液流电池储能系统的运行效率建模方法一般通过研究电池内部的交换泵实现，同时将液流电池储能系统的自放电行为建模为自放电电阻，均不涉及液流电池内部复杂的动态过程。现有的运行效率建模方法绝大多数将液流电池的运行效率建模为关于储能系统的电网侧电气量（如储能系统充放电功率、储能系统SOC、外接负荷等等）的表达式，适用于与电力系统调度运行与控制方面的模型进行集成。

由于没有显著影响全钒液流电池储能系统寿命的因素，对液流电池储能寿命衰减的建模方法的研究较少，现有的建模方法一般依据循环次数或充放电电量简单考虑储能系统的寿命衰减。

05电化学储能建模方法研究展望

5.1 存在的问题

1）当前建模方法大多以储能单体为研究对象，建立的是储能单体的寿命衰减模型，不适用于电化学储能系统的整体寿命评估。

2）当前建模方法大多以储能侧的电化学变量建模，不利于从电力系统的角度对储能系统建模。而其余的建模方法大多根据人为经验简单地限定电化学储能的运行范围，不利于充分挖掘储能系统在电力系统运行与控制中的经济效益。

3）当前建模方法建立的电化学储能模型涉及各类非线性运算，因此模型运算较为复杂、计算难度大，不利于电力系统对大规模电化学储能系统的实时调度运行与控制。

4）现有的建模方法大多依据某种电化学储能的特性提出，因此只适用于该种电化学储能，使得不同电化学储能的建模方法大不相同。

5.2 研究展望

1）研究以储能电网侧电气量为对象的电化学储能建模方法。此处的储能电网侧电气量是指从电网侧可测量得到的储能电气量，例如可通过在电网侧安装传感器测量储能系统的充放电功率，并通过简单计算求得储能系统的SOC、充电和DOD等储能电气量。在此基础上研究储能系统SOC、储能充电和DOD、充放电功率等储能电网侧电气量与储能内部动态过程的关系，从而进行建模。

2）研究降低计算复杂度的电化学储能建模方法。现有电化学储能模型为非线性模型，将为优化求解带来巨大的计算复杂度，不利于实时调度运行和评估。因此，未来可能需要研究能保持在一定精度范围内的大规模电化学储能线性模型的建立方法。

3）研究适用于多种类型储能技术的通用建模方法。不同电化学储能的建模方法不尽相同，现有的建模方法大多只适用于该种储能技术，未来可能需要研究适用于各类储能技术的通用建模方法，协助电力系统集中统一地调度，实现各类储能技术的优势互补。

06结语

本文对锂离子电池、超级电容和全钒液流电池这3种电化学储能技术的运行效率建模方法和寿命衰减建模方法进行了综述，总结了当前这3种储能技术建模方法的特点。同时，本文总结了当前电网侧大规模电化学储能建模方法以电池单体为研究对象、以储能侧电化学变量建模、模型计算复杂度高、不同技术模型不统一的问题，并展望了电网侧大规模电化学储能建模方法未来可能的研究方向。

引文信息

贺鸿杰, 张宁, 杜尔顺, 等. 电网侧大规模电化学储能运行效率及寿命衰减建模方法综述 [J]. 电力系统自动化, 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.