SSB蓄电池电能概述与电网面临的挑战

2026-03-14 10:58:58

1.1 电能概述与电网面临的挑战
随着文明的发展，电子设备和电气机械在现代工业和家庭活动中被广泛应用，这导致了对电能的巨大需求。在英国，从1920年到2018年，主要电力生产商的发电量从每年4太瓦时增至281太瓦时[1]，以满足日益增长的电力需求。
传统上，电力通过燃烧反应和能量转换从煤炭等化石能源中获得，在此过程中会产生大量温室气体（如二氧化碳）。过量的温室气体会导致全球气温上升和极端气候事件[2]，这促使各国实现可持续发展。正如正在进行的第26届缔约方大会（COP26）所建议的，预计到2050年实现净零碳排放[3]。
为了减少温室气体排放并实现可持续发展，太阳能光伏、风能等可再生能源正取代煤炭等不可再生能源。然而，部分可再生能源受环境条件影响。例如，风电场的输出功率受风力影响，因此不能保证随时可用。电力供需的变化会导致电网频率波动。具体而言，当电力供应大于需求时，电网频率会上升；相反，如果电力供应小于需求，电网频率会下降。
当可再生能源渗透到电网中的比例非常低时，通过过剩发电和辅助服务可以轻松管理电网稳定性。然而，在英国，可再生能源在发电中占很大比例。以2021年第一季度为例，可再生能源占英国电力的41.6%[4]。因此，这些可变可再生能源的引入损害了电网的稳定性。
用可再生能源替代传统发电机还导致电网惯性降低的另一项挑战。传统发电机具有较大的惯性，为电网在故障（如电站跳闸）时提供较长的响应时间。然而，太阳能光伏和风能等可再生能源惯性较低，这使得维持恒定频率更具挑战性。
电网的基础设施老化是另一个问题。电网系统设计于半个世纪前，自那时起，某些地理区域的需求增加并超过了其本地变电站的能力。更换旧基础设施需要巨大的财务成本。例如，据报道[5]，怀特岛的铁路系统无法得到当地电力基础设施的完全支持。包括基础设施在内的铁路系统正在进行升级，耗资2600万英镑[6]。
1.2 电池储能系统的机遇
电网面临的挑战以及对可持续发展的追求，为储能系统，特别是电池储能系统（BESS）提供了黄金机遇。与其他类型的储能系统（如压缩抽水蓄能系统[7]、空气储能系统[8]和飞轮储能系统[9]）相比，电池储能系统在可扩展性方面具有优势。正如第2章将讨论的，BESS可以从小规模到大规模制造，提供从瓦时级到兆瓦时级的广泛容量范围。
BESS是克服电网挑战的有前途的选择。并网BESS可以补偿可再生能源的不稳定性[10]，并通过平衡电力供需帮助维持稳定的公用事业频率。通常，在电网规模应用中，锂离子电池因其高功率和能量容量及低自放电率而受到青睐[11]。此外，电池具有快速响应时间（铅酸电池和锂离子电池响应时间：约40毫秒[12]），能够应对惯性降低带来的挑战。此外，BESS还可以延迟电力基础设施的升级，并避免（或至少延迟）大量投资。据报道[13]，在美国亚利桑那州的Punkin安装了两台4兆瓦时的电池，节省了基础设施升级成本的一半。
图1.1 电池储能系统的一些重要应用
除了频率响应服务和基础设施升级延迟外，BESS还有一些其他新兴应用，包括峰谷负荷调节、电动汽车和套利，如图1.1所示。为了实现可持续发展，许多政府正在推广电动汽车，这导致对（主要是锂离子）电池的需求增加。因此，由于交通（如电动汽车）、固定式（如并网BESS）、终端消费电子产品（如智能手机）的需求，以及图1.2所示，全球锂离子电池市场从2011年的约30吉瓦时稳步增长到2019年的195吉瓦时。
图1.2 历史全球锂离子电池市场（改编自：[14]）
1.3 研究目的
如1.2节所述，电池储能系统有潜力克服现代电网系统的挑战，在电动汽车市场繁荣的当下，BESS至关重要。电网应用中的电池通常规模较大，需要大量投资。例如，如图1.3所示的威伦豪尔能源存储系统（WESS）中的1兆瓦时电池储能系统，成本为400万英镑[15]。在这种情况下，大规模电池的模拟对于投资评估、电池能量管理、控制策略开发等变得重要。
图1.3 威伦豪尔能源存储系统（来源：[15]）
本研究的主要动机是提出大规模BESS的单元级和模块级通用模型。研究在WESS平台上展示了建模过程，WESS是一种LTO电池。理论上，本研究提出的建模技术可以应用于其他类型的BESS。本论文不包括其他电池化学成分的建模。
大规模电池的常见模拟方法是根据电池模块内的电气配置从单个单元模型进行缩放，而不考虑电池内可能存在的单元间差异（CtCV）。这种方法很方便，但有一些缺点。具体来说，放大单个单元无法捕捉BESS中其他部分（如逆变器和电池管理系统）的特性。更重要的是，无法从单个完整电池的等效电路中获得单元级信息，因为每个单元都有细微差别，如果将BESS视为相同单元的对称集合，这会给进一步理解BESS的运行带来困难。
大规模电池建模的第一个挑战是大规模BESS的数据可访问性。缺乏实验数据限制了大规模BESS的直接建模。幸运的是，这里描述的研究使用WESS作为实验平台，为用户提供有限但有价值的数据访问。WESS由大学拥有，作为研究平台，可用于实验工作。其次，大规模BESS的单元级等效电路会产生大型RC电路网络，模拟起来具有挑战性。正如后面第4章将讨论的，传统电路求解器中使用的修改节点分析法无法以计算高效的方式解决大规模电池的大量RC电路，以支持广泛的优化和蒙特卡洛类型分析。为了探索单元级的电池特性，需要高效的模拟器。
因此，本研究的目的是开发一种软件工具，能够从模块级和单元级评估大规模电池储能系统在各种应用下的性能，以便通过模拟理解电池内部操作以及单元间差异对电池性能的影响。最后，开发的软件工具应能够模拟各种应用下的大规模BESS，并评估应用的经济价值，以帮助制定能源管理策略。