1、第 49 卷 第 3 期：1118-1127 高电压技术 Vol.49,No.3:1118-1127 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220895 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 锂离子电池储能电站能耗优化 田刚领1,2，叶 晖3，谢 佳1，张柳丽2，崔美琨2，李爱魁3（1.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074；2.平高集团储能科技有限公司，天津 300399；3.大连理工大学电气工程学院，大连 116024）摘 要：
2、储能电站能耗预估与优化是提高电站能量效率及经济性的关键技术。因此，分析了电化学储能电站运行过程中电池模块、储能变流器(power conversion system，PCS)、变压器及辅助用电系统工作特性和能耗规律，并建立了储能单元和辅助用电系统的能耗模型。在负荷率基础上，储能单元和辅电系统的能耗模型加入电流、温度等特征量，以适应储能电站的多工况应用场景，提高模型用于能耗预估的准确性，并通过某地区电网侧百兆瓦级储能电站进行了应用验证。结果表明，所建立能耗模型与真实数据间的相对误差均值为 0.6%，可有效估算储能电站能效水平。对比现有电站策略，在低于 50%负荷率工况下，基于能耗模型的功率分配策
3、略可提高储能电站能量效率 0.6%10.7%，通过减少电站能耗有效提升了电站运行经济性。关键词：储能电站；能耗模型；能耗优化；锂离子电池；效率 Energy Consumption Optimization of Lithium-ion Battery Storage Power Station TIAN Gangling1,2,YE Hui3,XIE Jia1,ZHANG Liuli2,CUI Meikun2,LI Aikui3(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science a
4、nd Technology,Wuhan 430074,China;2.Pinggao Group Energy Storage Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300399,China;3.School of Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract：Energy consumption estimation and optimization of energy storage power stations are the key technol
5、ogies to improve the energy efficiency and economy of power stations.This paper analyzes the working characteristics and energy consumption rules of battery system,energy storage PCS,transformer and auxiliary power consumption system during the operation of electrochemical energy storage power stati
6、on,and establishes the energy consumption model of energy storage unit and auxiliary power consumption system.On the basis of the load rate,characteristic quantities such as cur-rent and temperature are introdued into the energy consumption model of the energy storage unit and auxiliary power system
7、 to adapt to the multi-condition application scenarios of the energy storage power station,and to improve the accu-racy of the model for energy consumption estimation;meanwhile,the model has been applied and verified in a 100-megawatt energy storage power station on the grid side in a certain region
8、.The results show that the average error between the energy consumption model established in this paper and the real data is 0.6%,which can effectively estimate the energy efficiency level of the energy storage power station.Compared with the existing power station strategies,when the load rate is l
9、ower than 50%,the power distribution strategy based on the energy consumption model can improve the energy efficiency of the energy storage power station by 0.6%10.7%,and effectively improve the operating economy of the power station by reducing the energy consumption of the power station.Key words：
10、energy storage power station;consumption model;energy consumption optimization;lithium-ion battery;efficiency 0 引言1 当前全球环境不断恶化，各国正经历能源结构转型。新型电力系统规划是引领电力系统绿色低碳 基金资助项目：平高集团科技项目(PGKJ2020077；529100200021)。Project supported by Science and Technological Program of Pinggao Group(PGKJ2020077,529100200021).发
11、展及转型的重要技术前提，新型电力系统建设是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要保证1-2。新型储能技术因其运行可控、配置灵活等特点在电力系统中应用广泛，其容量、规模也随技术成熟而不断增大3。储能电站在充放电过程中存在能量损失，其效率影响储能电站经济性，制约储能电站的推广应用。储能电站能量效率受电站规模、运行工况、田刚领，叶 晖，谢 佳，等：锂离子电池储能电站能耗优化 1119 环境条件等多因素影响，同时还与储能电池、逆变器等各部分的动态性能衰减特性有关。为提高储能电站经济性，需要量化分析储能电站能耗分布，基于储能电站运行状态构建能耗模型，研究储能电站各环节的能耗特性，为效率优化提供技术支撑。针对储
12、能电站运行效率研究多以系统内部主要设备为研究对象，包含变压器、储能变流器(power conversion system，PCS)、电池模块、辅助用电等，分别研究其能效影响因素、能耗模型及能耗优化方法等。变压器发展较早、技术相对成熟，崔勇等人通过对变压器冷却系统进行改造，降低变压器温升，并具有明显节能效果4。祁琪对变压器损耗进行分析，并基于效率曲线进行负荷再分配，明显减少了有功损耗5。针对逆变器效率优化，众多学者从改进其调制策略入手，通过减少开关周期内的开关动作、合理分配开关管动作时间等方法减少开关损 耗6-8，此类方法可将逆变器效率提高 0.3%1%不等。此外，逆变器硬件结构对效率也有一定影
13、响，王贵忠等人提出基于二极管箝位逆变器的可变拓扑结构，根据发电源输出电压、功率的不同使其分别工作在级联结构和并联结构，以拓宽发电范围和提高工作效率9。针对电池效率的相关研究主要分为效率优化和效率模型建立及应用等方面。电池充放电效率受充放电方式的影响，于维珂等人分析电池效率影响因素，对不同充放电方式、倍率、温度、时间下的电池进行了实验研究，得出恒功率充放电模式比恒流充放电模式的效率高 1.02%10。Gabriele Panzeri 等人通过实际测量数据证明间歇式脉冲充放电可显著提高其效率，相比恒流方式能量效率提高约 7.3%11。Rui Wang 等则考虑了电池组在不同功率负载和不同外部条件下
14、的效率，提出了一种无模型自适应优化方法(极值搜索算法控制)，该方法能够在不同温度和外部工作条件下搜索到最优放电电流和效率12。围绕电池效率模型及其应用，Sakti A 等人建立了电力系统中电池串并联后能耗模型，将电池能耗模型分段线性化后应用于能源套利模型的优化计算中，并分析了模型准确性对估值的影 响13。伍俊等人提出了压缩空气和电化学储能的动态效率模型，并将两模型进行分段线性化和常数化处理后应用于风储电站运行的混合整数优化模型，结果表明，明确储能动态效率模型可有效刻画消纳效果14。辅助用电系统能耗中空调占比最大，可达75%以上，可采用基于季节变换设定温度、运行方式或优化通风管道等方法降低空调系
15、统的能耗15-17。针对储能系统/电站整体能耗特性，姜华等人从优化电池管理系统、变流器、变压器选型角度分析储能电站效率优化16；Michael Schimpe 等人从电力电子变换、电池、热管理及控制和监控系统几方面分析储能系统能耗，建立前述各组件模型，并结合实验数据验证电池和电力电子能耗特性，通过系统仿真评估储能系统能耗模型的性能18。Tu A.Nguyen 等人考虑电池充放电效率和变流器转换效率，建立储能系统非线性效率模型，并在用于调频的储能系统经济性分析中采用该模型提高系统经济收益19。储能电站能效优化还可从电站运行策略入手，但目前储能电站功率分配策略多以均衡荷电状态(state of c
16、harge，SOC)20、延长使用寿命21-22或提高经济性23-25等为优化目标，未考虑储能电站运行效率，导致储能电站运行效率较低。而考虑储能运行效率的经济调度或运行策略常采用恒定效率或效率分段线性化14,26等方法进行分析计算，无法准确描述储能系统/电站动态效率特性。本文以锂离子电池储能电站为研究对象，基于电池、逆变器、变压器和辅助用电系统能耗特性建立储能电站整体能耗模型，将模型应用于百兆瓦级储能电站能耗优化，采用实际测量数据对本文所提模型及能耗优化策略进行实验验证，为储能电站运行优化提供有效研究思路。1 储能电站能耗分析 储能电站结构如图 1 所示，由电池模块、PCS、变压器、辅助用电系统等部分组成。其中电池单体通过串并联连接构成电池模块，作为储能电站能量载体。PCS 包含储能变流器、滤波器等器件，将交直流电进行相互转换。变压器为连接电站与电网的变压器件，同时具有隔离变压器作用。辅助用电系统包含温控系统、照明系统等，为储能电站正常运行提供保障。图 1 储能电站结构示意图 Fig.1 Structure of energy storage power station 1120 高电
