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超级电容器在纯Discover蓄电池储能系统中实现经济高效混合配置的容量优化
储能体系在全球追求可持续经济和遍及可持续动力的进程中发挥着关键作用。2018年全球固定式与交通运用储能市场规划约为550吉瓦时，估量到2030年将添加四倍，跨越2500吉瓦时（美国动力部，2020）。电池作为干流储能技能之一，兼具高能量密度、灵活性和模块化特性（Soloveichik，2011；Chang等，2018；Nadeem等，2018）。这一比赛优势促进单一电池储能体系（BESS）在交通运输（Turcheniuk等，2020）、离网及并网可再生动力体系（Ortega-Arriaga等，2021；Kittner等，2017）以及供给辅佐服务的公用事业规划储能（Kumar等，2019）等多个领域取得大规划运用。
电池储能体系（BESS）的规划运用寿数一般为10至15年（Haidl等人，2019年），但在实践中提前失效的现象非常广泛。其作业诱因包含高强度电流不坚决、充放电状态频频切换等（Palacín与de Guibert，2016年；Harting等人，2018年）。已有研讨标明，通过分配与BESS作业特性互补的电池及其他储能技能，可有用峻峭电池负荷，然后延伸运用寿数。本质上，这类根据电池的混合储能体系（HESS）体现优于任何单一组件。常见的电池混合计划包含电池-超级电容（SC）、电池-燃料电池、电池-燃料电池-超级电容、电池-超导磁储能、电池-飞轮储能以及电池-压缩空气储能（Hajiaghasi等人，2019年）。其间，根据技能可行性与成熟度考量，电池-超级电容混合体系近期备受学界注重。当正确施行时，这种超卓的ES可以供给由电池组件支撑的高能量密度，以及由SC组件支撑的快速功率响应和高功率密度。
此前已有许多研讨注重电池-超级电容器混合储能体系（HESS）内部的功率分配优化问题。相关研讨涵盖根据滤波器的直观战略（Lahyani等，2016）、启发式办法（Bai等，2019），以及选用迷糊逻辑（Herrera等，2016；Chong等，2016；Sellali等，2019；Masaki等，2022）、动态速率限制（Parwal等，2018）、闭环最优控制（Masaki等，2018；Masaki等，2019；He等，2021）等技能的先进计划。此外还触及人工神经网络（Faria等，2019；Singh和Lather，2020）以及Q学习算法（Xu等，2021）的运用。
整体而言，上述功率分配战略通过智能控制超级电容器处理读档需求的快速改动电流，能有用缓解电池所受的电流应力。但是这些研讨鲜少注重超级电容器的经济性捆绑——从能量本钱视点考量，其价格至今仍显高昂。
过往研讨已对电池与超级电容器容量装备的经济性层面翻开评论。Abdelkira等人(2018)针对风光离网供电体系提出了一种含电池-超级电容混合储能的容量优化模型。N’guessan等人(2020)则研讨了适用于孤岛电网的风电-燃料电池-电解槽-电池-超级电容体系的最优容量装备模型。上述研讨通过控制电源与储能体系以满意恒定时段读档需求，但超级电容器的运用被以为存在冗余性。此外，将每个ES的寿数设定为固定值这一假定，疏忽了作业条件对其老化速度的决定性影响。针对电动轿车运用，Sun等人（2018）研讨了一种考虑DC-DC转换器影响的电池-超级电容混合储能体系（HESS）容量优化模型。该研讨在储能容量与初始出资的生意权衡方面取得了明显作用，但疏忽了作业保护（O&M）本钱的影响，且未对车辆全生命周期进行技能经济点评。在根究燃料电池船舶用电池-超级电容混合储能体系（battery-SC HESS）的最优容量装备时，Chen等人（2020）选用电池衰减、电压不坚决、能量损耗与储能体系本钱本钱构建了多性向方针本钱函数。该研讨的首要缺陷在于未对船舶全生命周期进行概括技能经济点评。Zhu等人（2020）提出的电池-超级电容混合储能体系经济性容量装备模型则考虑了组件购置本钱与电池容量衰减要素。虽然体现出超卓的功用，所提出的模型未能考虑多种要素，例如与电池-超级电容混合储能体系（HESS）作业相关的运维本钱，以及价格随时间改动等。Li等人（2021）提出了一种旨在下降插电式混合动力轿车电池退化本钱和能耗的分层容量装备办法。该研讨仅考虑了车辆生命周期内HESS组件经济标准的部分决定要素。
Baek等人（2022）报导了一种用于频率调理的电池-超级电容混合储能体系（battery-SC HESS）最优容量装备战略。该研讨选用立异性可变容量模型，在给定超级电容容量条件下点评电池运用寿数。Mesbahi等人（2016）提出了一种最小化电池电流均方根值（RMS）与储能组件收买本钱的容量装备办法。Wang等人（2021）则建立了一起最小化超级电容收买本钱与电池容量衰减的双方针装备模型，用于两种储能设备的容量优化规划。由于仅考虑电池-超级电容混合储能体系本钱性支出（CAPEX）及运营保护本钱中的少数组成部分，该模型将导致次优作用。
一般来说，现有关于电池-超级电容混合储能体系（battery-SC HESS）容量装备的研讨均根据一个条件假定：与纯电池储能体系（BESS）比较，电池-超级电容混合储能在本质上具有更高的经济性。因而，优化作用一般被视为最优处理计划。但是，由于超级电容（SC）价格相对较高，科学的抉择计划进程应当体系比较电池-超级电容混合储能的最优处理计划与纯电池储能代替计划。
文献总述还标明，以往研讨鲜少考虑对整个/剩下电厂寿数周期进行经济性点评。即便触及此类点评，也常疏忽特定本钱构成要素，尤其是与混合储能体系（HESS）相关的运维本钱。此外，部分研讨没有归入作业工况对储能设备（特别是电池）实践运用寿数的影响。最终，现有容量装备办法均针对全新电力体系开发，导致其与现有电池储能体系（BESS）的适配性缺乏。
插拔式超级电容结构开始由咱们团队在前期研讨中提出（Masaki等人，2019年），后续作业（Masaki等人，2022年）进行了深化根究。虽然已开宣布便于现有BESS与超级电容混合化的有用控制战略，但这些研讨相同存在前文所述的经济考量缺乏问题。
鉴于上述情况，本作业的首要方针是研讨一种生命周期本钱（LCC）模型，以辅佐完结独立电池储能体系（BESS）向电池-超级电容混合储能体系（HESS）的最优混合化。该模型还将为抉择计划者供给关于将现有BESS改造为具有本钱效益的电池-超级电容HESS的经济机会点评。
本项新研讨的立异性体现在以下方面：
- 1.
A comprehensive LCC model is proposed for cost-effective sizing of SC intended for hybridization of BESS.
- 2.
Unlike sizing models proposed in the past, the variant introduced in this paper applies both to brownfield and greenfield projects.
- 3.
Possibility for fair comparison between battery-SC HESS and BESS alternatives from the economic viewpoint.
- 4.
The study demonstrates the possible environmental benefits attached to the upgrade of a BESS into a battery-SC HESS.
此外，本文提出了一种新式电池模型，该模型在稍微前进现有干流代替计划精度的一起，不会导致计算背负的过度添加。