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目前雖已有較多對電化學儲能運行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統內部的微觀狀態建模，或直接以人為經驗建模，繁簡不一，不適用于電網側電化學儲能的建模；此外，大多數建模方法僅適用于某種特定的儲能技術，不利于電力系統對多種電化學儲能技術的統一建模與調度控制。
01研究背景
隨著電網側電化學儲能的大規模安裝與運行，電化學儲能的運行效率和壽命衰減特性對電力系統運行可靠性、經濟性的影響日益增大。
目前雖已有較多對電化學儲能運行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統內部的微觀狀態建模，或直接以人為經驗建模，繁簡不一，不適用于電網側電化學儲能的建模；此外，大多數建模方法僅適用于某種特定的儲能技術，不利于電力系統對多種電化學儲能技術的統一建模與調度控制。
因此，本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池的運行效率與壽命衰減的建模方法進行概覽與綜述，并從電網側的角度對各個建模方法進行分析與總結，希望能為電力系統調度運行與控制中的電網側大規模電化學儲能建模研究提供建議。
02鋰離子電池建模方法評述
鋰離子電池儲能系統運行效率的建模方法往往研究鋰離子儲能系統的內電阻和極化電阻的損耗。目前少數對運行效率有嚴格要求的應用會研究鋰離子儲能效率的變化，如高性能電動汽車、艦船儲能等，該類應用的運行效率建模方法需獲知儲能內部精確的物理化學動態信息，不太適用于電力系統的調度與控制。同時儲能系統中電力電子變換器和輔助系統的功率損耗一般也需要通過儲能系統內部的運行狀態量來建模，同樣不太適用于電力系統的調度與控制。
鋰離子電池儲能系統壽命衰減的建模方法往往通過研究溫度、儲能荷電狀態(SOC)、充電和放電深度(DOD)和放置時間這4個方面的影響因素實現。在實際應用過程中，一般可忽略溫度變化對儲能系統的影響。儲能充電和DOD的壽命衰減建模方法可大致分為兩大類，一類研究電池充放電的每個循環過程，另一類研究電池在每一個時段的能量吞吐量。考慮儲能SOC的壽命衰減建模方法較少，往往通過實驗數據對表達式擬合。也有的壽命衰減建模方法直接以循環次數和SOC運行范圍對儲能運行狀態進行約束，在舍棄最優性的同時為優化計算帶來了便捷。
03超級電容建模方法評述
超級電容儲能系統運行效率的建模方法一般通過建立超級電容的等效電路模型實現，在等效電路模型中可以考慮超級電容的泄漏電阻、一階電路和暫態電路等等。對于電力系統中的超級電容儲能系統，一般考慮泄漏電阻和一階電路即可。對于超級電容儲能系統的自放電行為，現有的建模方法一般通過建立超級電容的開路電壓指數衰減表達式實現。
超級電容儲能系統壽命衰減的建模方法主要考慮電壓和溫度的影響，絕大多數壽命衰減建模方法根據阿倫尼烏斯表達式將溫度的影響建模為指數形式。當考慮電壓對壽命衰減的影響時，建模方法可分為多項式形式建模和指數形式建模，其中，指數形式的壽命衰減建模方法在絕大多數情況下比多項式形式的壽命衰減建模方法更加精確。
04全釩液流電池建模方法評述
全釩液流電池儲能系統的運行效率建模方法一般通過研究電池內部的交換泵實現，同時將液流電池儲能系統的自放電行為建模為自放電電阻，均不涉及液流電池內部復雜的動態過程。現有的運行效率建模方法絕大多數將液流電池的運行效率建模為關于儲能系統的電網側電氣量（如儲能系統充放電功率、儲能系統SOC、外接負荷等等）的表達式，適用于與電力系統調度運行與控制方面的模型進行集成。
由于沒有顯著影響全釩液流電池儲能系統壽命的因素，對液流電池儲能壽命衰減的建模方法的研究較少，現有的建模方法一般依據循環次數或充放電電量簡單考慮儲能系統的壽命衰減。
05電化學儲能建模方法研究展望
5.1 存在的問題
1）當前建模方法大多以儲能單體為研究對象，建立的是儲能單體的壽命衰減模型，不適用于電化學儲能系統的整體壽命評估。
2）當前建模方法大多以儲能側的電化學變量建模，不利于從電力系統的角度對儲能系統建模。而其余的建模方法大多根據人為經驗簡單地限定電化學儲能的運行范圍，不利于充分挖掘儲能系統在電力系統運行與控制中的經濟效益。
3）當前建模方法建立的電化學儲能模型涉及各類非線性運算，因此模型運算較為復雜、計算難度大，不利于電力系統對大規模電化學儲能系統的實時調度運行與控制。
4）現有的建模方法大多依據某種電化學儲能的特性提出，因此只適用于該種電化學儲能，使得不同電化學儲能的建模方法大不相同。
5.2 研究展望
1）研究以儲能電網側電氣量為對象的電化學儲能建模方法。此處的儲能電網側電氣量是指從電網側可測量得到的儲能電氣量，例如可通過在電網側安裝傳感器測量儲能系統的充放電功率，并通過簡單計算求得儲能系統的SOC、充電和DOD等儲能電氣量。在此基礎上研究儲能系統SOC、儲能充電和DOD、充放電功率等儲能電網側電氣量與儲能內部動態過程的關系，從而進行建模。
2）研究降低計算復雜度的電化學儲能建模方法。現有電化學儲能模型為非線性模型，將為優化求解帶來巨大的計算復雜度，不利于實時調度運行和評估。因此，未來可能需要研究能保持在一定精度范圍內的大規模電化學儲能線性模型的建立方法。
3）研究適用于多種類型儲能技術的通用建模方法。不同電化學儲能的建模方法不盡相同，現有的建模方法大多只適用于該種儲能技術，未來可能需要研究適用于各類儲能技術的通用建模方法，協助電力系統集中統一地調度，實現各類儲能技術的優勢互補。
06結語
本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池這3種電化學儲能技術的運行效率建模方法和壽命衰減建模方法進行了綜述，總結了當前這3種儲能技術建模方法的特點。同時，本文總結了當前電網側大規模電化學儲能建模方法以電池單體為研究對象、以儲能側電化學變量建模、模型計算復雜度高、不同技術模型不統一的問題，并展望了電網側大規模電化學儲能建模方法未來可能的研究方向。
引文信息
賀鴻杰, 張寧, 杜爾順, 等. 電網側大規模電化學儲能運行效率及壽命衰減建模方法綜述 [J]. 電力系統自動化, 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.
01研究背景
隨著電網側電化學儲能的大規模安裝與運行，電化學儲能的運行效率和壽命衰減特性對電力系統運行可靠性、經濟性的影響日益增大。
目前雖已有較多對電化學儲能運行效率和壽命衰減建模方法的研究，但這些方法大多以儲能系統內部的微觀狀態建模，或直接以人為經驗建模，繁簡不一，不適用于電網側電化學儲能的建模；此外，大多數建模方法僅適用于某種特定的儲能技術，不利于電力系統對多種電化學儲能技術的統一建模與調度控制。
因此，本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池的運行效率與壽命衰減的建模方法進行概覽與綜述，并從電網側的角度對各個建模方法進行分析與總結，希望能為電力系統調度運行與控制中的電網側大規模電化學儲能建模研究提供建議。
02鋰離子電池建模方法評述
鋰離子電池儲能系統運行效率的建模方法往往研究鋰離子儲能系統的內電阻和極化電阻的損耗。目前少數對運行效率有嚴格要求的應用會研究鋰離子儲能效率的變化，如高性能電動汽車、艦船儲能等，該類應用的運行效率建模方法需獲知儲能內部精確的物理化學動態信息，不太適用于電力系統的調度與控制。同時儲能系統中電力電子變換器和輔助系統的功率損耗一般也需要通過儲能系統內部的運行狀態量來建模，同樣不太適用于電力系統的調度與控制。
鋰離子電池儲能系統壽命衰減的建模方法往往通過研究溫度、儲能荷電狀態(SOC)、充電和放電深度(DOD)和放置時間這4個方面的影響因素實現。在實際應用過程中，一般可忽略溫度變化對儲能系統的影響。儲能充電和DOD的壽命衰減建模方法可大致分為兩大類，一類研究電池充放電的每個循環過程，另一類研究電池在每一個時段的能量吞吐量。考慮儲能SOC的壽命衰減建模方法較少，往往通過實驗數據對表達式擬合。也有的壽命衰減建模方法直接以循環次數和SOC運行范圍對儲能運行狀態進行約束，在舍棄最優性的同時為優化計算帶來了便捷。
03超級電容建模方法評述
超級電容儲能系統運行效率的建模方法一般通過建立超級電容的等效電路模型實現，在等效電路模型中可以考慮超級電容的泄漏電阻、一階電路和暫態電路等等。對于電力系統中的超級電容儲能系統，一般考慮泄漏電阻和一階電路即可。對于超級電容儲能系統的自放電行為，現有的建模方法一般通過建立超級電容的開路電壓指數衰減表達式實現。
超級電容儲能系統壽命衰減的建模方法主要考慮電壓和溫度的影響，絕大多數壽命衰減建模方法根據阿倫尼烏斯表達式將溫度的影響建模為指數形式。當考慮電壓對壽命衰減的影響時，建模方法可分為多項式形式建模和指數形式建模，其中，指數形式的壽命衰減建模方法在絕大多數情況下比多項式形式的壽命衰減建模方法更加精確。
04全釩液流電池建模方法評述
全釩液流電池儲能系統的運行效率建模方法一般通過研究電池內部的交換泵實現，同時將液流電池儲能系統的自放電行為建模為自放電電阻，均不涉及液流電池內部復雜的動態過程。現有的運行效率建模方法絕大多數將液流電池的運行效率建模為關于儲能系統的電網側電氣量（如儲能系統充放電功率、儲能系統SOC、外接負荷等等）的表達式，適用于與電力系統調度運行與控制方面的模型進行集成。
由于沒有顯著影響全釩液流電池儲能系統壽命的因素，對液流電池儲能壽命衰減的建模方法的研究較少，現有的建模方法一般依據循環次數或充放電電量簡單考慮儲能系統的壽命衰減。
05電化學儲能建模方法研究展望
5.1 存在的問題
1）當前建模方法大多以儲能單體為研究對象，建立的是儲能單體的壽命衰減模型，不適用于電化學儲能系統的整體壽命評估。
2）當前建模方法大多以儲能側的電化學變量建模，不利于從電力系統的角度對儲能系統建模。而其余的建模方法大多根據人為經驗簡單地限定電化學儲能的運行范圍，不利于充分挖掘儲能系統在電力系統運行與控制中的經濟效益。
3）當前建模方法建立的電化學儲能模型涉及各類非線性運算，因此模型運算較為復雜、計算難度大，不利于電力系統對大規模電化學儲能系統的實時調度運行與控制。
4）現有的建模方法大多依據某種電化學儲能的特性提出，因此只適用于該種電化學儲能，使得不同電化學儲能的建模方法大不相同。
5.2 研究展望
1）研究以儲能電網側電氣量為對象的電化學儲能建模方法。此處的儲能電網側電氣量是指從電網側可測量得到的儲能電氣量，例如可通過在電網側安裝傳感器測量儲能系統的充放電功率，并通過簡單計算求得儲能系統的SOC、充電和DOD等儲能電氣量。在此基礎上研究儲能系統SOC、儲能充電和DOD、充放電功率等儲能電網側電氣量與儲能內部動態過程的關系，從而進行建模。
2）研究降低計算復雜度的電化學儲能建模方法。現有電化學儲能模型為非線性模型，將為優化求解帶來巨大的計算復雜度，不利于實時調度運行和評估。因此，未來可能需要研究能保持在一定精度范圍內的大規模電化學儲能線性模型的建立方法。
3）研究適用于多種類型儲能技術的通用建模方法。不同電化學儲能的建模方法不盡相同，現有的建模方法大多只適用于該種儲能技術，未來可能需要研究適用于各類儲能技術的通用建模方法，協助電力系統集中統一地調度，實現各類儲能技術的優勢互補。
06結語
本文對鋰離子電池、超級電容和全釩液流電池這3種電化學儲能技術的運行效率建模方法和壽命衰減建模方法進行了綜述，總結了當前這3種儲能技術建模方法的特點。同時，本文總結了當前電網側大規模電化學儲能建模方法以電池單體為研究對象、以儲能側電化學變量建模、模型計算復雜度高、不同技術模型不統一的問題，并展望了電網側大規模電化學儲能建模方法未來可能的研究方向。
引文信息
賀鴻杰, 張寧, 杜爾順, 等. 電網側大規模電化學儲能運行效率及壽命衰減建模方法綜述 [J]. 電力系統自動化, 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.
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