高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統配電網運行建模與仿真研究

劉 紅，李俊霞

（河南農業職業學院信息工程學院，河南 鄭州 451450）

二次鋰電池作為一種高比能儲能技術，由于其能量密度高、壽命長、環保等優點，在儲能領域得到了廣泛的應用[1]。目前，對高比能二次鋰電池電極材料儲能系統配電網運行的建模和仿真研究還不夠充分。現有的研究主要集中在電池性能分析、熱管理、安全性和可靠性評估方面，而對配電網儲能系統的運行特性和控制策略的研究相對較少[2]。本項目重點研究配電網中使用高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統的運行特性。通過建立相應的數學模型和仿真平臺，為提高儲能系統的性能和可靠性提供理論支持和實踐指導。

1 儲能系統配電網運行建模與仿真方法設計

1.1 建立高比能二次鋰電池電極材料的等效電路

高比能二次電池的關鍵材料主要包括正極材料、負極材料和電解質。正極材料是決定電池能量密度的關鍵因素，常用的正極材料包括鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物和鋰鎳氧化物。常用的負極材料包括鋰離子電池中的石墨和硅。電解質是電池中離子傳輸的介質，對電池的性能有直接的影響。

這些關鍵材料的特性對高比能二次電池的性能和安全性有著重大影響。因此，研究和開發性能更好的新材料是當前電池技術發展的重要方向。為更好地實現系統建模與仿真，首先對高比能二次鋰電池電極材料的等效電路進行構造，以分析系統的儲能特性[3]。研究采用理想電壓源表示電池的開路電壓，采用電容與電阻并聯的形式表示電池的極化電勢，如圖1所示。

圖1 電池儲能系統等效電路Fig.1 Equivalent circuit of battery energy storage system

圖中，R1表示電池儲能系統的內阻；R2表示外接電阻；U0表示開路電壓；C1表示內置電容。該等效電路充分考慮了電池儲能系統的運行特性與阻性特性，利用儲能系統的工作電流以及充放電效率即可求取儲能系統的端口輸出電壓。表達式如下：

式中，?表示疊加運算符號；η0表示儲能系統的充放電效率。

1.2 含儲能系統的配電網運行建模

配電網在運行過程中的儲熱儲能具有調節電力供需、穩定電力運行以及提高能源使用效率的優勢，對于可再生能源的發展具有重要意義。依據儲能系統的極化特性和組成結構，對儲能系統的充放電過程進行深入分析，模擬儲能系統的狀態變化，以了解配電網系統的運行特性，確保儲能系統能夠滿足配電網的需求，促進儲熱技術的優化，為運行建模提供基礎數據。

研究中以儲能系統經濟性指標為目標對包含儲能系統的配電網運行過程進行建模分析。其表達式如下：

式中，Ud表示儲能系統端口輸出電壓；p1儲能系統的實際出力。

由于儲熱介質的不同，經過電能轉化為熱能后，配電網得到的熱能轉換效率也存在不一致的問題。因此，為保證儲能系統在儲熱轉換時輸出的能量密度與輸入的能量密度的差值在允許范圍內，對儲能系統的電壓偏移量最小目標函數進行變量增補約束。計算公式如下：

式中，Ab表示儲能系統的決策節點電壓變量；ws表示儲能系統的平衡節點功率；Ht表示關聯矩陣。

綜上，結合約束條件建立含電池儲能系統的配電網運行模型，即：

式中，ω表示權重值；Q(Vz)表示在相應約束條件下配電網的運行模型。

在配電網系統中，儲能儲熱技術需要和系統中的調度、負荷管理等方面進行配合，以最大化發揮電熱轉換效率，并結合配電網的選址與容量配置，以儲能系統經濟性指標為目標構建配電網運行模型，便于仿真分析。

2 實例論證分析

為了驗證本文提出的高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統配電網運行建模方法的實際應用性能，對其展開實驗分析，通過仿真對比實驗分析本文方法的應用效果。

2.1 實驗準備

本次仿真實驗重點研究高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統在配電網中的運行特性，并由此構建配電網運行模型。實驗使用的數據為儲熱儲能系統的真實運行數據，其中包括電池性能數據、功率負載數據、溫度數據等。另外，儲能系統數據包括電池充放電曲線、電池容量、內阻等；電力負荷數據包括電力負荷的波動、峰谷差等。儲熱儲能系統的運行參數如表1所示。

表1 高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統電熱轉換效率運行參數Table 1 Operating parameters for the electric thermal conversion efficiency of energy storage systems using high specific energy secondary lithium battery electrode materials

基于以上實驗準備，根據儲能系統在配電網中的實際運行情況，結合儲能系統的姿態變化與充放電過程以及電力負荷管理方面的影響，以系統網損最小和電壓偏移量最小為目標構建電網運行模型，借助MATLAB仿真軟件對本設計的建模方法展開仿真分析。

2.2 儲能系統仿真結果

采用傳統方法作為本文方法的對比方法。在上述仿真條件基礎上，對基于不同方法下的高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統電熱轉換效率進行仿真對比分析，以進一步測試不同方法的建模效果。對比結果如表2所示。

表2 系統電熱轉換效率對比Table 2 Comparison of system operating costs

由表2中數據可知，在儲能系統的不同出力條件下，兩種建模方法的儲能系統電熱轉換效率均存在較小幅度的波動。然而基于本文方法下的系統電熱轉換效率遠高于傳統方法，說明本文方法的建模效果更好。

3 結 語

在熱能存儲技術中，對高比能二次鋰電池電極材料在儲能系統配電網中的運行進行建模和仿真研究，對優化能源配置、提高能源利用效率具有重要意義。可以更深入地了解儲能和釋能的模式，預測未來的能源需求和供應，并為決策者提供數據支持和決策參考。同時，高比能二次鋰電池電極材料的儲能系統可以有效提高能源利用效率，降低能源消耗和成本，對實現可持續發展和環境保護發揮積極作用。