[论文解读] Factoring the Cycle Aging Cost of Batteries Participating in Electricity Markets

Bolun Xu, Jinye Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Advanced Battery Technologies ResearchEngineering参考文献 21被引用 17

一句话总结

本文提出了一种分段线性成本函数，以在电力市场中精确建模电池循环老化，实现与经济经济调度和市场出清的精确集成。该方法通过雨流计数法精确逼近真实电池退化情况，并与基准模型实现完全成本匹配，从而在ISO新英格兰市场中最大化电池盈利能力。

ABSTRACT

When participating in electricity markets, owners of battery energy storage systems must bid in such a way that their revenues will at least cover their true cost of operation. Since cycle aging of battery cells represents a substantial part of this operating cost, the cost of battery degradation must be factored in these bids. However, existing models of battery degradation either do not fit market clearing software or do not reflect the actual battery aging mechanism. In this paper we model battery cycle aging using a piecewise linear cost function, an approach that provides a close approximation of the cycle aging mechanism of electrochemical batteries and can be incorporated easily into existing market dispatch programs. By defining the marginal aging cost of each battery cycle, we can assess the actual operating profitability of batteries. A case study demonstrates the effectiveness of the proposed model in maximizing the operating profit of a battery energy storage system taking part in the ISO New England energy and reserve markets.

研究动机与目标

• 解决现有经济调度框架中电池退化成本建模不准确、与市场不兼容的问题。
• 通过将循环老化作为运营成本纳入考量，使电池储能（BES）所有者能够在电力市场中具有竞争力地投标。
• 开发一种计算高效的模型，可无缝集成至现有市场出清软件中。
• 通过严格逼近雨流计数法，确保模型反映实际的电池老化机制，特别是循环深度依赖性。
• 利用ISO新英格兰市场的实际数据和事后验证，证明该模型的准确性和有效性。

提出的方法

• 提出一种包含10个区段的分段线性成本函数，以近似电化学电池的二次循环老化成本。
• 采用基于向量的状态表示方法，其中每个区段跟踪从浅循环到深循环深度的能量水平（例如，0–10%、10–20%等）。
• 应用定理1确定放电调度顺序：优先放电更深层的区段，确保正确的循环计数。
• 按时间步计算边际老化成本，即成本向量与放电功率向量的点积：$ C_t = \mathbf{c}^T \mathbf{p}^{\text{dis}}_t $。
• 以雨流计数法为基准进行模型验证，证明其在循环计数和成本计算上完全等价。
• 通过将边际老化成本视为动态的、与状态相关的成本分量，将模型整合至经济调度中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保证准确性和与现有电力市场调度软件兼容性的前提下，对电池循环老化成本进行建模？
• RQ2 对二次老化成本函数进行分段线性近似，其结果与标准雨流计数法的差异程度如何？
• RQ3 所提出的模型是否能够使电池所有者设计出能完全回收循环退化成本的投标策略？
• RQ4 线性化区段的数量如何影响老化成本近似的准确性？
• RQ5 在实时市场和备用市场中，循环老化对电池储能系统盈利能力的实际影响是什么？

主要发现

• 当线性化区段数量足够时，所提出的分段线性模型与基准雨流法模型实现完全成本等价，误差趋近于零。
• 通过定理2证明，该模型成功复现了雨流法的循环计数与成本计算，确保了物理准确性。
• 在使用ISO新英格兰市场一年实际数据的案例研究中，该模型通过正确核算循环老化成本，实现了准确的利润最大化。
• 边际老化成本根据每个时间步特定深度区段的放电情况动态计算，从而实现在投标中精确的成本回收。
• 随着线性化区段数量的增加，模型准确性提高；在10个区段（10%深度间隔）时，其在数值示例中与基准模型完全一致。
• 该模型在实际集成至现有市场出清系统方面具有可行性，支持电池在能量市场和备用市场中的盈利参与。