考虑实时电池退化成本的微电网混合储能系统双层优化

随着可再生动力在现代电力体系中的快速部署，电池储能体系已广泛使用于微电网以平抑可再生动力的动摇性。虽然常规深度充放电循环能为电网供给短期安全供电的多种辅助服务，但会对电池健康状况产生负面影响，然后危害电池体系全生命周期的经济性。为解决该问题，本研讨提出选用电池与超级电容器构成的混合储能体系（HESS），以平衡微电网的即时运转效率与电池长时间健康状况。为此开发了双层优化模型，经过嵌入实时电池退化本钱的方针函数，构建分层翻滚优化结构予以完成。上层模型每小时调整电池储能体系（BESS）调度与电网买卖以最小化总本钱，基层模型则求解一个5分钟盯梢问题，其遵循上层设定点，使用超级电容器吸收快速动摇，并经过SOC/SOH感知规矩分配电池组功率。此外，本研讨开发了动态非线性退化模型，精确描写不同运转条件下的电池退化行为，为优化供给实时退化本钱。模仿结果表明：上层模型经过有效调控电池放电深度（DOD）明显下降运转本钱，而基层模型除平抑可再生动力动摇外，还经过优化功率分配进一步减轻电池退化。

引言

随着全球动力需求的持续增长和环境问题的日益加剧，动力体系的可持续开展已成为全球重视的中心议题[[1], [2], [3]]。在此布景下，根据可再生动力的分布式动力办理体系——微电网，获得了广泛重视与使用。微电网可以整合区域内可再生动力、储能体系及负荷[3,4]。经过优化这些资源的调度，微电网可完成高效动力使用与可靠供电，然后下降对主电网的依赖。这一特点关于远离主电网的偏远地区或易发生供电中止的区域尤为有利。
然而，因为光伏（PV）和风力发电机（WT）等可再生动力具有间歇性和不确定性，微电网中的动力资源办理与调度仍是一项具有挑战性的任务[[4], [5], [6], [7]]。为解决这一难题，混合储能体系（HESS）——通常由电池储能体系（BESS）和超级电容器（SC）构成——被引入微电网以提高体系灵活性与稳定性[7]。蓄电池储能体系（BESS）具有高能量密度的特性，适用于长时间能量办理；而超级电容器（SC）则凭借高功率密度优势，成为短期功率调理的抱负挑选[8]。实践使用中，混合储能体系（HESS）经过和谐能量与功率的时间尺度，可以同步处理小时级能量套利和分钟级动摇按捺[7,9]。虽然HESS展现出明显潜力，但在实践使用建模中，怎么优化其运转以完本钱钱效益并延伸使用寿数，仍是一项复杂的挑战[9]。
微电网中混合储能体系（HESS）运转的最新研讨可按功率分配/能量办理体系（EMS）类别及其时间尺度演化进行归纳。首先，根据模型猜测操控（MPC）/优化的调度办法在和谐多时间尺度方针的一起强制执行运转束缚[10]；其次，分布式/下垂/共识机制以较低通讯担负完成功率共享与二次调理[11]；第三，根据规矩/启发式/机器学习的EMS战略着重强调施行简易性与数据适应性[12]。第四，运转战略与装备研讨剖析了混合储能体系的全生命周期效益和考虑循环的规划[13]。相关概率性容量规划与调度结构完成了容量与运转的协同优化[14]，而含糊多级操控提高了混合微电网中直流母线电压调理与电池寿数[15]。含混合储能体系的风景微电网分层经济调度验证了层级操控的优势[16]，孤岛直流微电网中分布式混合储能体系的合作战略相同证明了这一点[17]。改进的猜测办法进一步下降了调度不确定性[18]。综上所述，这些研讨成果明晰地展示了从单层能量办理体系（单一时间尺度）到分层/双层结构的演进进程——后者将缓慢的能量套利（小时级）与快速的动摇按捺（分钟级）相别离。根据这一开展轨迹，本研讨选用双层翻滚结构，将小时级本钱优化与5分钟级的盯梢/滑润层级进行耦合。
电池退化建模在运转应力条件下对全生命周期感知调度至关重要。结合循环深度、电流倍率和温度的多应力模型已被集成到混合储能体系（HESS）的运转决策中[19]，而技能经济剖析则凸显了季节/长时间效应对储能价值的影响[20]。分层式热-能量办理进一步强调了混合储能体系操控与健康协同设计的必要性[21]。在并网微电网中，和谐调度经过嵌入氢储能/电池储能体系（BESS）或电动汽车-电池-超级电容（EV–BESS–SC）的退化本钱来削减损耗并进步经济性[22,23]。值得注意的是，健康感知多时间尺度运转可以将物理/经历退化映射转化为实时退化本钱，并与能量套利进行联合优化[24,25]。本研讨中，"model"指代在体系限制下最小化经济本钱与退化本钱的优化模型，而"degradation model"表明产生实时本钱信号的物理/经历映射关系，该信号被优化模型选用[26,27]。
在电池储能体系（BESS）中，电池包层面的功率分配对老化不均衡和效率具有关键影响。光伏电站的能量办理体系（EMS）与双层混合整数线性规划（MILP）办理计划经过阐述实践设备束缚条件来塑造包内调度战略[28,29]，而混合动力体系的电站级操控器则侧重荷电状况（SOC）办理以保证鲁棒功能[30]。根据分组的多时间尺度嵌套战略和谐不同电池包的充放电进程[31]，自动均衡技能使用实时反应按捺SOC漂移并提高一致性[32]。在频率支撑使用中，选用SOC康复的分层操控战略展现出经济性与健康性的协同效益[33]。作为工程基准，共识/下垂共享操控被广泛选用[11]；根据此，咱们以共识型分配器为基准，提出了一种根据SOC/健康状况(SOH)的指数型电池组层级分配计划，该计划可实时优化充放电优先级排序[34]。
虽然已获得明显发展，现有研讨仍缺少在限制级实时退化本钱束缚下将小时级经济调度与分钟级滑润严密耦合的机制，且往往缺少通明轻量的SOC/SOH感知电池组分配器——该分配器需在不添加核算担负的前提下按捺不均衡老化。为应对这些挑战并弥合跨链桥现有空白，本研讨提出若干创新办法以优化体系功能，一起延伸HESS全体寿数。首要奉献可概括如下：

• (1)
  双层双时间尺度优化。咱们构建了一个分层翻滚结构，其间上层执行小时级本钱优化，而基层则求解5分钟级的盯梢问题——该层级使用超级电容器（SC）吸收快速功率动摇并盯梢上层设定点。这种双层架构保证微电网在维持体系稳定性和延伸储能元件寿数的一起，完成经济运转。
• (2)
  动态非线性退化本钱。咱们建立了将运转工况映射为实时退化本钱的动态非线性退化模型，并将其直接嵌入调度体系；根据该退化模型核算的本钱指标，可保证混合储能体系（HESS）的充放电战略在满足体系需求的一起，最大限度下降运转进程中的长时间功能衰减。该办法完成了实时运转效率与电池长时间健康状况之间的最优平衡。
• (3)
  SOC/SOH感知的BESS内部分配战略。咱们提出一种根据指数指标的电池组层级功率分配战略，该战略使用实时SOH和SOC数据对电池组充放电进行优先级排序，然后减轻不均衡老化现象并提高全生命周期经济性。