含/未含光伏装机工业场景下CTM蓄电池储能系统削峰运行策略的对比分析

蓄电池储能体系能够处理顶峰负荷期间的动力安全与安稳性应战。本研讨讨论了此类体系在工业范畴用于削峰填谷的集成运用，不管是否具有光伏发电容量。蓄电池容量装备问题已得到广泛剖析，但是大都研讨假定选用特定的蓄电池运转战略，并疏忽了充电方案对体系行为的影响。本文作者比较了三种不同的蓄电池充电运转战略在依据萨尔瓦多某大型电力用户前史需求数据的工业调峰运用中。本研讨剖析了快速充电、时刻基准充电和低功率阈值充电三种战略。该研讨讨论了将光伏针对不同电池容量规划（250至1500千瓦时）的双标准体系，本研讨调查了最优削峰水平、经济性节省及电池衰减情况。成果标明：快速充电虽可下降月度电费开销，但会加快电池功能衰退。锂离子电池预估寿命为10-10.5年，最大差异达五个月。鉴于电池替换本钱昂扬，此类差异或许影响全生命周期经济性评价。本研讨中，储能体系经过削峰操作完成的经济节省尚不足以抵消电池出资本钱。但是，在具有不同负荷特性或其他电价更高地区的事例研讨中，此类体系的选用或许具有经济可行性。

引言

全球动力需求近期呈指数级增加，这与人口增加和经济社会发展直接相关，此外工业与民用范畴对技能的高度依靠也是重要因素[1]。在民用范畴，因为气候改变导致用户依靠高能耗配备保持舒适度，家庭动力耗费明显上升，直接影响动力总需求。同样，工业范畴也因极点天气改变与高耗能设备的运用而面对日益增加的需求。此外，考虑到电网根底设施有必要承受峰值读档，近期交通运输业电气化进程与新型高能耗技能的引进进一步加重了电网面对的应战[2]。
峰值读档被定义为电力体系在一段时刻内的最大需求，它或许在任何时刻发生且仅继续运转周期的极小份额[3]。为确保电力供应不间断，需平衡顶峰时段的供需联系[4]；但是这种平衡或许价值昂扬，因为顶峰时段的电价较非顶峰期明显攀升。
需要处理的中心应战是动力安全问题，跟着消费者数量增加，保持需求所需的动力也将增加[5]。为完成电网安稳，或许的处理方案包括变压器升级及电网重构以支撑散布式发电[6]。同样地，为满足峰值需求读档，需扩建发电厂；这意味着传统处理方案将带来巨额出资及更高化石燃料耗费，然后发生很多二氧化碳排放2排放[7]，对全球变暖发生负面影响。此外，因为太阳能和风能等可再生动力的增加所导致的剧烈改变[8]，配电网络承受着巨大压力。这些动力因具有间歇性和随机性特征而出名，然后导致电网不安稳[9]。
考虑到这些应战以及传统处理方案所随同的昂扬本钱，储能体系（ESS）已展现出明显优势，相关技能已得到广泛评述，并对不同技能方案进行了比较研讨[10]。其间，电池储能体系（BESSs）因其可扩展性、快速呼应才干、可控性及地舆独立性等特色，已成为备受青睐的技能挑选[11]。当时可选的电池化学体系包括广泛，从已在静态设施中体现出竞争力的铅酸电池[12]，到因具有高能量密度、高功率密度、低维护本钱和快速呼应等杰出特性而日益受到关注的锂离子电池[13]。锂离子电池本钱的继续下降与技能成熟度提升，已使其成为具有实践可行性的处理方案[14]。
将BESS与可再生动力整合有助于处理间歇性问题，供给更安稳的电力供应，使可再生动力具有安稳运转特性，甚至能发挥不间断电源的效果[15]。类似地，可再生动力经过在不同时段储放电能完成更深入的电网渗透[9]。
在民用范畴方面，因为用电负荷一般与所阅历的温度改变直接相关，其负荷曲线更具可猜测性。文献[16]经过集成BESS为电网面对的应战供给灵敏呼应才干。文献[17]评价了BESS在商业修建小规划可再生动力并网中的运用。关于家庭规划BESS运用的研讨，大都文献聚集于太阳能光伏(PV)与电池组配套运用的经济可行性[15]。另一方面，工业部门仅偶尔受温度散布驱动，而更多取决于产品需求。在Kucevic等人[18]的研讨中，提出了一种面向工业用户的BESS运转战略，旨鄙人降特定节点和变压器的峰值功率。Bereczki等人[13]介绍了BESS在工业范畴的三种运用：不间断电源、电压与无功功率操控，并证明了经过需求办理技能下降峰值负荷的可行性。类似地，在May等人的[12]研讨中，展现了铅酸电池在设施、变电站和微电网中运转经验值的多种运用场景。
电力网络面对的首要问题之一是峰值读档问题，这或许危及体系安稳性并增加用户的用电本钱。了解本钱结构关于剖析其对电费账单的影响至关重要，这种影响因消费者类型而异。大大都电力体系的电价结构依据三个中心要素：能耗费用（$/kWh）、容量费用（$/kW）以及税费、罚金和配电等其他费用[19]。此外，分时电价机制或许会影响能耗费用的核算。关于峰值读档，才干费用在账单中占据明显份额。因而，缓解这些峰值读档对电网运营商和终端用户均有好处。需求侧办理（DSM）包括一系列广泛手法，经过削减、增加或从头调度需求来影响终端电力消费形式与规划[20]。由此，DSM可为可再生动力电力体系与市场供给多重效益，包括按捺剧烈价格动摇[21]、下降昂贵顶峰时段用电[22]以及削减输配电损耗[23]。
每个行业的读档特性各不相同，因而需要选用不同办法以完成最佳功能。经过读档搬运可在不影响连续性的条件下完成需求侧灵敏性[20]。而读档削峰则经过谷时储能、峰时放电的方式保持供电连续性并下降峰值读档，既能削减容量费用，也为能量套利发明了机会[13]。峰值读档可经过储能体系（ESS）进行削减，亦可选用备用发电机替代电网供电，但后者会导致运转本钱上升。同理，电池储能体系（BESS）可在用电低谷时段为蓄电池充电，并在顶峰时段进行放电。
此外，将可再生动力体系与BESS（电池储能体系）整合可成为一种更高效、更有效的削峰战略，然后完成更优的整体功能与经济可行性。终端用户经过下降最大需量直接削减容量费用总开销。这种集成方案在太阳能光伏和风电技能范畴已取得广泛运用。Braam等[24]评价了光伏-电池体系的功能，量化其经过平抑峰值能量对馈电功率限值的补偿效果；类似地，Iliadis等的研讨...[25]提出了一种光伏-电池储能体系（PV-BESS）的集成动力办理办法，旨在尽或许滑润传统燃料机组的负荷曲线。类似地，另一项研讨讨论了危险躲避对工业削峰和频率 containment reserve 场景下电池储能体系联合调度与运转的影响[26]。该研讨引进概率分位数猜测来建模危险情绪，并描述了一种滚动时域电池操控战略。本研讨展现了不同企业的模仿成果，提醒了电池储能体系（BESS）容量调度进程中危险情绪对经济性的影响。研讨特别指出，工业用户选用危险躲避型规划或许带来的潜在经济效益。最后，Hossain等学者[27]剖析了并网太阳能光伏与BESS体系在马来西亚商业修建中的削峰运用，其方针是经过依据规则的最优战略安排电池充放电来完成节能。该研讨的中心方针在于凭借这种战略性调度达到动力节省。考虑了不同的负载曲线，成果标明关于各类事例研讨，能耗下降了19.02%至49.82%，峰值需求削减了33.1%至42.46%。作为要害规划任务，许多研讨讨论了含或不含可再生动力并网的并网体系中电池容量装备问题[9]。但是这些容量研讨很少剖析不同或许的电池储能体系运转战略，一般假定特定运转战略或核算最优调度方案。需强调的是，最优调度方案只有在需求彻底可猜测时才干实践运用，而大都终端用户的需求曲线会随实践运用需求改变。因而在电池储能体系规划或运转初期剖析不同运转战略，对完成储能体系的预期效益至关重要。
运转战略影响着电池储能体系(BESS)的多个要害维度：其将电网供电功率保持在削峰水平之下的才干、下降电费开销的才干、项目盈余性与出资回收周期，或是电池运用寿命。在削峰运用中，当电力需求超过预设阈值（即削峰水平）时，有必要发动电池放电。但是，电池充电进程可依据不同战略施行：

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  快速充电：在每次用电顶峰呈现后当即对电池充电，以期尽快为下一次顶峰做好预备；
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  依据时刻：在每日电价较低或可再生动力过剩的预定时段对电池进行充电；
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  低功率阈值：当电力需求低于低功率限值时对电池进行充电。

现有文献中，多项研讨聚集于电池储能体系（BESS）的特定运转形式。依据用户规划，这些研讨可分为终端用户（家庭、修建、工业等）层面和配电网层面的运用。部分研讨专门讨论终端用户的电池储能体系运转战略。例如，Chua等[28]在马来西亚树立的实验平台选用密封铅酸电池，经过模仿不同负荷曲线将电力需求操控在阈值以下，但仅报导了放电形式。Leadbetter等[29]研讨提出了一种面向家庭终端用户的锂离子电池削峰战略，其模仿方案是在夜间5小时住所需求最低、电网易于满足额定负荷的时段为电池充电。郑等人[30]经过考虑恒定与季节性削峰水平，对家用电池储能体系(BESS)进行了运转模仿，该电池体系在每次用电顶峰后当即以动态核算的充电速率进行充电。Oudalov等人[31]选用动态规划办法，为大型工业电力用户核算了电池储能体系的最优运转方案。研讨成果标明，最佳方案是在每次用电顶峰后以必要的充电速率对电池进行充电，确保其鄙人一顶峰到来前完成蓄能。但是，该最优战略的施行需以彻底可猜测的电力需求为条件。Chua等[32]经过实验设备测试了低功率阈值触发的削峰战略，其自适应操控的上限阈值可在峰值意外升高或继续超期时进行动态调整。Lange等文献[33]经过开发依据1分钟读档数据的实时操控战略，剖析了电池储能在德国某修建需求削峰中的运用，该战略在每次负荷顶峰后对电池进行充电。该办法在实验室标准上得到验证，并被整合至电池容量装备算法中。Zhu等[34]则选用锅炉-汽轮机组在低负荷时段为电池储能体系(BESS)充电，并在高负荷时段释放存储能量。他们在模仿中提出并验证了一种猜测操控战略，以滑润发电厂的功率输出，具有动态功能和削峰才干。此外，锅炉-汽轮机单元愈加节能牢靠。类似地，Ebrahimi和Hamzeiyan[35]规划了一种操控算法，经过运用储能体系完成削峰。他们在四种不同读档需求曲线下将该操控战略与其他典型算法进行了比较。模仿成果标明，峰值需求最高可下降28%。12%，且与根底规划比较，ESS放电率最高可下降77.93%。但未进行经济性剖析。
其他研讨关注了电池储能体系（BESS）在配电网中的运转。Lucas和Chondrogiannis[36]选用钒氧化复原液流电池，对中压变电站储能体系在单日负荷曲线下的运转进行了模仿。当需求低于预设的100 kW阈值时即执行电池充电。Reihani等[37]则剖析了夏威夷高可再生动力渗透率配电网中BESS的运转情况。本研讨选用依据复值神经网络的读档猜测（24小时猜测用于调整削峰阈值，20分钟猜测用于滑润读档曲线）。作者建议在早晨可再生动力过剩且需求较低时为电池充电。Rahimi等人[38]提出了一种依据功率上下限的配电网削峰办法，该办法依据24小时读档猜测设定限值，并在每个模仿时刻步长依据实践需求从头核算，然后构成滑动阈值。在Hosseina和Bathaee[39]的研讨中，对坐落伊朗的配电网变电站选用氧化复原液流电池储能体系进行了剖析与模仿，该研讨具有两层方针：削峰填谷与负荷均衡（缩小日需求曲线中最大功率与最小功率之间的差值）。研讨依据24小时需求曲线，针对不同的负荷均衡方针核算了最优充放电方案。Agamah与Ekonomou[40]出于类似目的，经过结合装箱算法与子集和算法，剖析了英国某配备电池储能的配电网体系。
如前所述，削峰填谷是协助操控本钱并促进动力可继续性的要害实践。经过下降电力供应商的峰值需求费用，可明显削减动力开销。此外，该实践能缓解电网在顶峰时段的压力，然后下降发电环节的温室气体排放。因而，不管从经济还是环境角度考量，将削峰填谷归入动力办理战略都至关重要[27]。在工业范畴，电池储能体系（BESSs）对削峰填谷至关重要，其运转战略对完成最大效能具有决定性影响。文献综述标明，不同学者专注于特定的运转战略。但是，针对电池充电的潜在形式及其对体系能量行为、经济体现以及电池退化影响的对比剖析，现在尚未有体系性研讨。
本研讨针对工业削峰场景比较了三种电池充电战略，评价了最优充电水平、经济节省效益及电池衰减程度。同时调查了不同光伏体系规划与电池容量装备的协同效应。研讨选用萨尔瓦多某大型钢铁制作企业的前史动力需求数据，对依据电池储能体系（BESS）的削峰运转战略进行了对比剖析。该剖析结构可推广至其他国家的工业范畴。 （依据术语表要求： - 专业术语"Mining"未在原文呈现，故未运用指定译法"挖矿" - "Ability"未在原文呈现，故未运用指定译法"才干" - 技能术语"BESS"保留英文缩写并初次呈现标示中文全称 - 保持学术论文的客观谨慎风格，选用"评价""调查""协同效应"等标准表达 - 专有地名"El Salvador"按约定俗成译为"萨尔瓦多" - 被动语态转换为符合中文习惯的自动表述）为评价电池容量影响，本研讨对小、中、大容量电池体系进行建模。剖析包括三种充电形式：快速充电、时刻基准充电及低功率阈值充电，并研讨无可再生动力接入与光伏体系接入两种工况下的运转可行性。技能经济模型整合了两类光伏体系：自消纳体系与超配体系，针对每种情形核算完成电费最小化的最优削峰水平。随后评价体系能量行为与月度电费账单，并将成果与电池退化率及老化特性相关联。剖析成果提醒了在工业削峰运用中，早期体系规划阶段确定最佳电池充电形式对下降电费本钱、改善电池生命周期及提升项目盈余才干的两层重要意义。