多微网场景下考虑退役电动汽车电池梯次利用的共享储能系统优化配置
在中国"双碳"目标的驱动下，冷热电联供（CCHP）微电网面临突出挑战：独立储能系统成本高昂且利用率低下，叠加退役电动汽车动力电池大规模处置的巨大压力。本文提出一种集成退役电池梯次利用技术的多微电网场景共享储能双层优化配置模型。上层优化共享储能系统(SESS)的容量配置及新旧电池混合比例，下层优化冷热电联产装备与SESS的协同运行，以实现高效多性向能源供应。通过四种情景验证了模型的有效性：采用混合储能SESS（69.26%退役电动汽车电池与30.74%新电池）可将可再生能源消纳率从75.62%提升至97.16%，使微电网年运行成本降低16.42%，并将投资回收期缩短至2.53年。将退役电动汽车电池应用于SESS时，优先选择衰减率低的退役电池并实施针对性温度管理设计，可进一步延长SESS使用寿命并提升经济效益。
引言
本文讨论的冷热电联供(CCHP)系统是一种集供电、供冷、供热能力于一体的微电网系统。该系统利用风能和太阳能为用户提供电力、热能和冷能。相关学者已对CCHP微电网系统的储能能力配置与调度开展了大量研究。Ghersi等[4]与Wang等[5]构建了无储能单元的CCHP微电网优化模型，采用多目标遗传算法与动态规划方法解决热-电-冷负荷平衡问题，并在季节性波动条件下实现燃料成本最小化。Roy等[6]与Liu等[7]引入了独立储能配置，提出能量管理策略与动态非线性模型，以提升峰谷调节性能与可再生能源渗透率。然而，这些研究主要集中于经济优化与能量平衡，却普遍忽视了未部署储能时存在的显著能量波动、较差峰谷调节能力及低可靠性问题[8]。此外，独立储能系统存在初始投资高、利用率低及维护复杂等缺陷[9][10]。Ma等[11]与Liu等[12]进一步指出，此类配置会导致资源利用率低下且需密集资本投入，进而造成投资回收周期过长。综上所述，虽然为CCHP系统独立配置储能可有效提升效率并降低运行成本，但高昂的初始投资与漫长的投资回收周期仍阻碍其大规模应用。
针对这一现状，学者们提出了共享储能电站（SESS）解决方案。该模式通过向多性向用户开放集中式储能设施，允许其根据需求购买使用权与收益权[13]。这种共享机制已在各领域得到广泛应用，既能提高资源利用率又可降低投资成本，因而成为电力系统领域的研究热点[14]。
当前关于共享储能系统（SESS）的研究主要集中于交易机制、容量配置与运行策略。Zhu等[15]提出了使风电场能够参与日前市场并提供辅助服务的共享运营模式，而Pei等[16]、Kang等[17]与Li等[18]则分别开发了成本分摊方法、协调策略及基于博弈的定价模型，以提高自消纳率并实现利润最大化。尽管这些研究表明SESS能够降低用能成本并促进可再生能源消纳[19]，但仍忽视了电池容量衰减[20]、储能系统生命周期末期电池处置[21]以及退役电动汽车电池系统化应用[22]等关键问题。此外，高昂的初始投资与较长的投资回收周期持续制约着SESS的可扩展性与盈利性[23][24]。退役动力电池因其供应量大、剩余可用容量高且成本低廉，在储能系统中具有显著的应用潜力[25]。
截至2024年底，中国新能源汽车（NEV）保有量突破3140万辆。2024年全年，中国新注册登记新能源汽车达1125万辆，占国内新注册登记汽车总量的41.83%。从2019年的120万辆到2024年的1125万辆，中国新能源汽车市场实现了快速增长[26]。通常情况下，当电动汽车（EV）电池容量降至初始容量的80%时即需更换，这意味着仍有大量剩余容量可供其他应用场景使用。当前，EV动力电池已进入规模化退役阶段。预计到2030年，中国累计退役的EV动力电池将超过350万吨[27]。如何高效环保地处置这些退役EV电池已成为关键课题。
学者们已率先开展退役电动汽车电池的相关研究。Lopez等学者探究了利用退役动力电池替代电网储能专用新型固定式电池以减少资源消耗的潜力。基于动态物质流分析方法，他们证实该策略能有效降低一次材料需求，从而缓解能源与材料安全问题[28]。Gao研究团队设计了一套并网光伏储能微电网系统，并采用退役电动汽车电池作为储能单元。运行结果表明，退役电动汽车电池的再利用能够满足储能需求，在削峰填谷方面效果显著[29]。Ma等人提出了一种经济与环境效益最优化的退役电动汽车电池处置策略。与直接回收相比，将退役电池部署于储能系统、通信基站及低速电动车领域可获得更高利润并降低碳排放[30]。Terkes等针对退役电动汽车电池用于固定式储能系统所涉及的技术与经济不确定性，研究团队开展了全面调查。其结果表明：投资回收期最多可缩短三年，同时电池健康状态提升13%，从而实现可持续的环境与经济效益[31]。上述研究多集中于市场预测与经济评估领域，充分证明了退役电池利用的经济优势与环境友好特性。需重点关注退役电池使用过程中面临的多重挑战，例如电池健康状态、热管理风险以及标准化协议缺失等问题[32][33]。庄等人开发了系统框架模型，用于评估退役电动汽车电池在不同二次利用场景下的衰减特性，该模型直接影响退役电池的经济价值，并进一步影响处置策略[34]。陶等人提出了一种生成式学习模型，用于快速、准确且可持续地估算退役电动汽车电池的健康状态（SOH），解决了关键评估与预测应用中存在的数据稀疏性和异质性难题[35]。Farakhor等人针对退役电池储能系统提出经济最优的功率管理方法，通过考虑电池组衰减、能量损耗及退役相关成本等因素实现经济成本最小化[36]。综上所述，将退役动力电池整合至共享储能框架时，需考虑与微电网系统互联的配置方案，充分利用容量互补特性和退化模型。因此，与直接回收相比，该方法具有更高的资源节约效益和更低的环境影响[37][38]。在配置退役电池储能系统时，需优化其容量配比以充分挖掘剩余电池寿命特性，发挥二次利用的经济性和可持续性优势。同时，必须加强储能系统的维护、监测与更换机制[39][40]。表1从共享储能系统（SESS）、电池寿命、退役电动汽车电池、梯次利用及多微电网五个维度，将本研究与相关工作进行对比分析。
如图1所示，在传统电动汽车电池生命周期中，当电池容量掉落至初始容量的80%时即被更换，退役电池直接进行火法冶金、湿法冶金或物理回收处理。相比之下，在效益型电池生命周期中，退役电动汽车电池将经历梯级利用。当电池容量掉落至初始容量的80%后，经翻新可应用于低速电动车与储能系统（ESS）。当电池容量下降至初始容量的40%时，经翻新后可应用于住宅储能系统。仅当容量衰减至初始容量的20%时，电池才会被送往火法冶金、湿法冶金或物理回收处理[30]。本研究通过拆解、筛选、检测与重组等工序对退役电动汽车电池进行翻新，其在储能系统中的应用可显著降低初始投资成本。
基于上述研究动机，本文提出一种适用于多微网场景下退役电动汽车电池在共享储能系统（SESS）中应用的双层规划模型（如图1所示）。上层模型以SESS配置容量为优化变量，在保障微网系统稳定运行的前提下，实现微电网群与SESS总成本最小化。下层模型在既定SESS容量约束下，优化各类设备与SESS的协调出力，实现冷、热、电的精准Match与高效供给。考虑到SESS安全稳定运行需求，我们建立了融合新旧电动汽车电池的混合储能配置模式。如图2所示，在SESS内部，新旧电动汽车电池组并非直接并联运行。相反，它们被配置为独立的电池组群，每组均独立接入母线并自主管理。具体而言，每个电池组群通过专用的双向DC/DC变换器与母线连接，并配备独立的电池管理系统（BMS）。该架构可实现对每组电压和电流的精准独立控制[41]。此外，在BMS层面，针对退役动力电池和全新动力电池分别采用差异化的温度管理策略和老化补偿算法，从而确保系统整体安全性与运行可靠性。在上层Objective函数中，由于新/退役动力电池在生命周期衰减模型上的差异，以及退役动力电池更高的维护更换成本，可据此确定混合储能在最优容量配置下的组配比例。
本研究的创新性在于针对多微网系统提出了一种考虑退役电动汽车电池梯次利用的SESS优化配置方案。上层模型负责优化储能系统容量配置，下层模型则对各微网系统的热电冷供应进行协同优化。主要贡献如下：
（1）建立了考虑容量衰减、温度效应与放电深度的退役电动汽车电池衰减模型，提出新旧电池混合配置策略，实现了退役电池在储能型能量存储系统（SESS）中安全高效的梯次利用。
（2）针对多微网场景，提出采用新旧电池混合结构的SESS运行模式。通过服务共享机制，显著降低了SESS初始投资成本与微电网运行成本，同时提升了可再生能源消纳率。
构建了一个双层优化模型，其中上层优化SESS的容量配置与混合比例，下层实现多微网设备与SESS的协同调度。该模型实现了多微网冷热电供需平衡及系统经济性的最优表现。
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