Trojan电瓶不同光伏并网方案下需求侧应用退役电池的优化规划与充放电控制
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邱健蓄电池 发布时间：2026-03-29 21:25:45 点击： 次
本文评估了采用退役电池的需求侧储能系统（ESS）在不同光伏（PV）并网策略下的性能。通过建立数学模型，在自发自用和上网电价（FIT）两种方案下优化ESS充放电策略，目标是在考虑电价波动、读档与光伏发电不确定性以及电池老化的前提下，实现用电成本最小化。本研究考察了FIT（上网电价补贴）费率与电价结构对光伏并网方案的影响，提出一种综合考虑成本节约、系统成本及电池衰减的经济分析模型以确定最佳储能系统容量。通过对关键参数进行敏感性分析，评估了其对系统效益的影响机制。此外，对比退役电池与全新电池在不同放电深度（DOD）工况下的运行数据表明：退役电池在提供经济高效解决方案的同时，可显著降低环境足迹。
引言
储能技术涵盖多种形式，包括抽水蓄能、飞轮储能、热机械储能、超级电容储能、压缩空气储能、储氢以及各类电池储能。随着可再生能源渗透率的提升及交通与供热领域电气化进程的加速，这些技术在电力系统中的重要性日益凸显[[1], [2], [3]]。其中，电池尤其适用于短期储能、调峰及Load等应用场景。然而，高昂的成本仍是制约电池在电力行业大规模部署的主要障碍。因此，将退役电池重新用于储能，为提高系统效率、降低运营成本及减少环境影响提供了极具前景的解决方案[4]。
在各种电池技术中，磷酸铁锂电池因其高功率、高能量密度和长循环寿命，成为电动汽车应用的理想选择。然而当磷酸铁锂电池容量衰减至70-80%时，便无法满足电动汽车的动力需求。但在某些应用场景下，储能系统对功率密度要求不高，这使得这些电池可被重新用于二次利用[5]。预计到2050年，加州15太瓦时的电力将由二次利用电池提供[6]。妥善处理大量退役电池对于最小化环境影响至关重要。诸多研究已探讨了利用退役电池构建储能系统的经济可行性、环境效益及其与其他可再生能源的整合方案。当前台湾地区正处于能源转型阶段，政府正大力推动光伏与风力发电。储能系统可在稳定可再生能源输出方面发挥关键作用。
退役电池数量正随时间推移持续增长。近年来电动汽车的普及导致退役电池数量急剧上升。尽管这些电池已无法满足原有应用需求，但仍保有足够的能量供其他用途。如何有效利用与管理这些二次寿命电池，已成为亟待解决的关键议题。参考文献[7]深入探讨了二次电池的应用领域、数学模型、制造工艺、环境与能源影响、市场潜力以及发展挑战。
台湾地区也正在积极推进电动汽车与锂离子电池的循环经济框架，以支持电气化交通的快速扩展包。针对日益严峻的退役电动汽车电池处理挑战，已提出若干实质性措施，具体如下所述。
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台湾企业成立了锂电池循环可持续发展联盟，旨在构建电池到电池的闭环系统，将退役的电动汽车电池回收转化为可重复使用的正极材料。该策略旨在减少对外国金属供应的依赖，降低成本的同时降低碳排放。
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台湾环境部要求所有重量超过1公斤的二次电池（包括电动汽车电池组）必须归类为强制性回收物品，并执行生产者/进口商责任制度，监控合规性以确保妥善的报废处理。
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鉴于退役电动汽车电池数量预计将激增，政府正支持建立新的回收设施以应对未来的增长需求。
目前已有退役电动汽车电池的再利用实例。例如，2000辆梅赛德斯电动汽车的退役电池经拆解后重组为一个供电能力达8.96兆瓦（9.8兆瓦时）的电池站[8]。类似地，208辆丰田电动汽车的退役电池被改造为具有85千瓦时储能能力的系统，为黄石国家公园的光伏系统提供支持[9]。文献[[10], [11], [12]]对退役电池再利用的应用场景、环境影响及经济效益进行了广泛探讨。电动汽车电池的回收再利用不仅能减轻环境污染，若管理得当还可创造经济效益。然而退役电池仍面临若干挑战，例如缺乏标准化的评估方法，以及因研究数据有限导致可靠信息稀缺。
文献[13,14]探讨了退役电池在微电网与电动汽车充电站中的应用。其中，[13]提出了一种集成退役电池的微电网两阶段能量管理框架，旨在实现削峰填谷与频率调节功能。[14]则研究了电动汽车充电站的优化设计，重点通过整合退役电池与光伏能源以应对充电需求的不确定性。
储能系统（ESS）可用于增强电力市场竞争。文献[15]提出了一种配备退役电动汽车电池储能系统的风电场两阶段优化模型，并通过同时参与频率控制备用服务市场和现货市场的案例验证了该系统的经济性能。文献[16]研究了如何利用电池储能系统建立辅助应急备用服务，以应对高渗透率清洁能源发电系统中不确定性与低惯性引发的稳定性挑战。文献[17]在考虑电价公平性的前提下，优化了配电网中储能系统的配置方案。
文献[18]从光伏系统与储能系统(ESSs)的技术经济视角优化成本，通过整合高分辨率用户需求曲线与光伏发电曲线，结合光伏及储能系统的技术经济参数，实现整体供能成本优化。文献[19]研究了退役电动汽车电池用于负荷调平的经济效益与环境评估。文献[20]提出了一种集成电动汽车、电池储能系统与分布式电源的需求响应策略，用于微电网能量管理。
ESS是缓解光伏系统间歇性输出问题的有效解决方案。文献[21]采用多项经济与技术指标，构建了光伏发电与ESS集成的性能评估模型。技术指标包括自消费率与自给率，经济指标则涵盖平准化度电成本(LCOE)与投资回收期。研究[22]运用生命周期评价(LCA)方法，考察了不同容量光伏发电系统与ESS的多种组合方案，并分析其对成本及自消费率的影响。
文献[23]研究了光伏发电系统与储能系统(ESS)对需量电费的影响。测试结果表明，光伏发电系统与储能系统协同运行实现的成本节约，超过了二者单独使用时的成本节约总和。文献[24]探讨了离网型光伏发电系统与储能系统的最优容量配置。该研究构建了一个多目标函数，以最小化停电概率、全生命周期成本和平准化度电成本，并采用差分进化算法对该Multi-objective问题进行求解。
文献[25]开发了一个家庭级模型，该模型整合了异构负荷需求、储能系统(ESS)和光伏发电系统。研究[26]提出了一种通过储能系统降低居民用户电力峰荷的模型，该模型以5分钟分辨率的实际用电曲线作为输入，以实现峰值负荷削减为目标。文献[27]探讨了屋顶光伏系统与磷酸铁锂(LFP)电池储能系统集成的可行性分析，综合成本效益分析表明：集成电池储能系统无法实现盈利。
基于文献综述，已有大量研究探讨了储能系统在提升电力系统性能方面的应用。然而，仅有少量文献研究了不同光伏并网方案与储能系统结合的效果，且对读档与光伏发电不确定性的考量仍不充分。为填补这一研究空白，本研究提出了在不同光伏并网方案下部署退役电池用于需求侧应用的优化框架。本文的主要贡献与技术进展可概括如下。表1从光伏并网方案、目标函数、读档及光伏不确定性考量、电池退化建模等方面，对现有文献与所提模型进行了对比总结。
- (1)
本研究考虑两种光伏并网方案：自发自用与上网电价。针对每种方案，建立了退役电池系统充放电控制的优化数学模型，并辅以全面的成本效益分析。文中重点探讨了电价政策与上网电价政策对光伏并网方案选择的影响。
- (2)
采用场景约简算法处理读档曲线与光伏发电的不确定性。为贴合实际应用，建模时分别考虑了夏季月份与非夏季月份的运行场景。
- (3)
通过考量退役电池储能系统安装带来的电费节省成本、退役电池储能系统购置成本以及电池衰减模型，开展经济效益分析以确定储能系统的最优安装容量。针对退役电池成本、电池效率、衰减率、电价、上网电价（FIT）及贴现率等关键参数进行敏感性分析，评估其对整体经济效益的影响。
- (4)
对比分析展示了退役电池与新电池在不同放电深度条件下的运行性能差异。
