郭樹鋒，楊雅蘭，羅美玲，壽海寧， 溫靖華

（1.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海 西寧 810000；2.中國石油慶陽石化公司，甘肅 慶陽 745002；3.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001）

光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)潛在經(jīng)濟效益的研究

郭樹鋒1，楊雅蘭2，羅美玲3，壽海寧3， 溫靖華3

（1.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海 西寧 810000；2.中國石油慶陽石化公司，甘肅 慶陽 745002；3.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001）

針對光伏發(fā)電的波動性和隨機性造成太陽能資源利用率低，光伏企業(yè)經(jīng)濟效益較差及其他間接成本高的問題,通過對實際工程的研究，本文提出了儲能系統(tǒng)能量時移作用方法。結(jié)果表明：儲能裝置能量時移方法可有效減少光伏電站棄光現(xiàn)象，降低旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本、AGC調(diào)頻容量補償和可靠性成本及電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理成本，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛在經(jīng)濟效益。

儲能系統(tǒng)；光伏發(fā)電；潛在效益

由于儲能技術(shù)的快速發(fā)展，同時儲能系統(tǒng)能夠根據(jù)計劃適時輸出平穩(wěn)的功率，合理配置儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行功率調(diào)節(jié)和控制，一方面，可以較好地滿足系統(tǒng)對調(diào)頻的要求，減少電網(wǎng)針對光伏發(fā)電實際出力與預(yù)報出力的偏差所配置的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本；另一方面，可以平滑光伏發(fā)電出力波動，提高電網(wǎng)運行的可靠性，降低因光伏出力波動而導(dǎo)致的輸配電設(shè)備維護折舊費用［1］。

1 研究現(xiàn)狀及需要解決的問題

1.1 研究現(xiàn)狀

目前，如何平滑光伏電站的出力曲線，降低光伏發(fā)電出力的波動性和隨機性，是進一步提高光伏企業(yè)經(jīng)濟效益和降低各項間接成本的熱點研究問題。文獻［2-4］對儲能系統(tǒng)能量控制做了理論研究，分析光伏發(fā)電站系統(tǒng)棄光引起的電量損失，工程應(yīng)用較少，未涉及調(diào)頻容量補償和可靠性，以及電網(wǎng)擴建和環(huán)境治理等方面的潛在經(jīng)濟效益。

1.2 需要解決的問題

（1）降低旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本；

（2）降低自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control,AGC）調(diào)頻容量補償和可靠性成本；

（3）減少電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理成本。

2 儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)運行的潛在經(jīng)濟效益

2.1 潛在經(jīng)濟效益

本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)能量時移方法是一種光伏系統(tǒng)能量管理方法，即在光伏電站有冗余出力時，對儲能裝置進行充電；在發(fā)電低谷時，將儲存的電能釋放供電，可增加電站的收益，有效利用輸電通道。根據(jù)工程實際規(guī)模和電網(wǎng)運行情況，配置光伏系統(tǒng)儲能容量和儲能控制，提高電網(wǎng)運行的潛在經(jīng)濟效益。

2.1.1 降低旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本

由于光伏電站預(yù)報出力與實際出力存在偏差，因此系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量增加。由于光伏發(fā)電出力可信度決定了由光伏發(fā)電引起的這部分成本，所以用基于光伏發(fā)電出力預(yù)測可信度的光伏旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本來表示系統(tǒng)總的光伏發(fā)電旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本［5］

式中：FSRC—系統(tǒng)總的光伏發(fā)電旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本，萬元；PSRC—電力系統(tǒng)備用容量單價，萬元/MW；Ej—第j個光伏發(fā)電廠發(fā)電出力可信度；PSFj—第j個光伏發(fā)電廠的預(yù)測出力，MW；N—系統(tǒng)中的光伏發(fā)電廠數(shù)目。

由于儲能系統(tǒng)對光伏出力功率的補償和控制可提升其發(fā)電出力可靠性，由電網(wǎng)系統(tǒng)因光伏發(fā)電出力不確定性而引起的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本表達式可知，光伏發(fā)電出力可信度的提高可以降低電網(wǎng)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本。

2.1.2 降低AGC調(diào)頻容量補償成本和可靠性成本

儲能技術(shù)在AGC調(diào)頻效能方面，相比傳統(tǒng)調(diào)頻機組具有較好的優(yōu)越性。目前隨著新能源裝置規(guī)模的迅速擴大，系統(tǒng)的調(diào)頻壓力也越來越大，相比其他類型的調(diào)頻能力，儲能技術(shù)能夠提供快速的調(diào)頻支撐［6-7］，所以未來儲能技術(shù)將發(fā)揮重要的作用。

常規(guī)電池儲能系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)短時功率波動變化時，能夠?qū)ζ溥M行快速的調(diào)節(jié)，從而降低其對電網(wǎng)頻率波動的影響，減少電網(wǎng)調(diào)頻容量補償成本，這部分成本設(shè)為FFMC［8-10］。

式中：FFMC—儲能系統(tǒng)減少的電網(wǎng)調(diào)頻容量補償成本，萬元；

PFMC—電網(wǎng)系統(tǒng)備用調(diào)頻容量的單價，萬元/MW；

CFM—由于儲能系統(tǒng)減少的調(diào)頻容量，MW。

為了簡化計算電網(wǎng)的可靠性成本可用0～PmaxT來表示光伏電站儲能裝置能量概率的分布，可將電站儲能裝置的剩余電量簡化成概率分布為均勻分布，取0.5PmaxT為其期望值，從而提高電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)的停電事故發(fā)生率，提高供電可靠性，減少停電損失。

為了便于對供電可靠性進行分析和計算，可以將供電缺額成本與供電可靠性成本兩者之間進行對等，可靠性成本見式（3）。

式中：PN—儲能裝置的額定功率，MW；

T—儲能裝置以功率PN充放電的等效持續(xù)時間，h；

ΔAS—儲能裝置為電網(wǎng)提高的供電可靠度；

RIEA—用戶停電損失評價率，萬元/（MW·h）。

2.1.3 減少電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理成本

電網(wǎng)網(wǎng)架的規(guī)劃一般要根據(jù)地區(qū)電源裝機容量的規(guī)劃進行設(shè)計［11］。針對負荷在不同時間段的變化將引起輸電線路負載率的變化較大，由此必須要隨著負荷的增加，適時擴建電網(wǎng)基礎(chǔ)［12］，為了能夠有效利用電網(wǎng)輸送通道容量，可以在現(xiàn)有光伏電站和新建光伏電站配置一定容量儲能裝置，在光伏發(fā)電高峰和低谷期適時進行充放電，如此一來可以相對減少對電網(wǎng)基礎(chǔ)的擴建成本，還能增加其收益，所以在光伏電站配置儲能裝置與相應(yīng)減少電網(wǎng)基建產(chǎn)生的收益等值［13-15］可以用Fdev來表示：

式中：Cd—電網(wǎng)輸電設(shè)備的單位容量造價，萬元/MW；

λd—電網(wǎng)輸電設(shè)備的固定資產(chǎn)折舊率；

η—儲能裝置的儲能效率，計及并網(wǎng)設(shè)備的損耗和蓄電池的充放電損耗；

PN—儲能裝置的額定功率，MW。

火力發(fā)電會引起大氣污染，破壞周邊的生態(tài)環(huán)境。針對環(huán)境的污染，可以借鑒國外的環(huán)境成本法［16-17］，可以將火電發(fā)電對周邊生態(tài)環(huán)境所帶來的污染程度進行價值等效。配備儲能裝置的光伏發(fā)電站，相對傳統(tǒng)的純光伏電站，具備了能量時移調(diào)節(jié)作用，即可以通過儲能在發(fā)電高峰和低谷時對蓄電池進行充放電。這樣可以使得其他的火電機組減少發(fā)電量，減少污染物的排放，也就為電網(wǎng)減少了環(huán)境污染治理成本，在本文中只考慮了溫室氣體CO2的治理成本，則儲能裝置每年可減少的環(huán)境治理成本［18］為

式中，Ce—CO2的年度單位治理成本，元/t；

—每年儲能裝置可以減少CO2的排放量，t。Gco2

由目前相關(guān)國際研究數(shù)據(jù)確定，1 kW·h等效0.6 kg的CO2的減排量。

2.2 算例分析

2.2.1 降低旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本

本算例中結(jié)合示范工程項目，光儲電站總裝機為50 GW，為簡化計算，并結(jié)合實際限定情況，實際預(yù)測出力PSFj取額定裝機容量的90%，即45 MW。參考文獻［19-22］中的計算數(shù)據(jù)，算例中所采用的系統(tǒng)備用容量價格PSRC為0.011 2萬元/MW，由此分析在不同光伏出力可信度下系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本［21］，具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同光伏出力可信度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本

由表1可以看出，隨著光儲電站出力可靠性的提高，電網(wǎng)中由于光伏出力不確定性而設(shè)置的旋轉(zhuǎn)備用容量逐漸減少，響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本逐漸降低。當光伏出力可信度由70%提高到95%時，15 MW的儲能容量可以使得電網(wǎng)減少的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本約為0.126萬元。隨著儲能配置容量的增加，在旋轉(zhuǎn)備用方面所能給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益也就越大，光伏電站的儲能裝置容量為150 MW，可幫助降低電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本約1.26萬元。

2.2.2 降低AGC調(diào)頻容量補償和可靠性成本

2.2.2.1 降低AGC調(diào)頻容量補償成本

本算例中結(jié)合示范工程項目，光儲電站中的儲能裝機容量為15 MW，最大儲存電量為18 MW·h，考慮實際電網(wǎng)運行中的情況，該地區(qū)水電機組和燃氣機組的比例較低，因此忽略這2種類型的機組，只考慮燃煤機組作為AGC調(diào)頻備用機組的情況。參照表2中的數(shù)據(jù)，并結(jié)合儲能對于傳統(tǒng)燃煤機組的調(diào)頻替代效果約為25倍，即配置1 MW的儲能在調(diào)頻方面可以代替25 MW的傳統(tǒng)AGC燃煤機組，傳統(tǒng)AGC調(diào)頻燃煤機組的價格取0.001 0萬元/MW。根據(jù)以上假設(shè)前提［22-23］，分析不同容量的儲能配置給電網(wǎng)降低的AGC調(diào)頻容量補償成本，具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同容量的儲能配置可降低的傳統(tǒng)AGC調(diào)頻機組容量補償成本

由表2可以看出，通過配置儲能裝置，利用其響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)效率高的特點，可以有效降低傳統(tǒng)電網(wǎng)AGC機組的備用和容量補償成本，隨著儲能容量的增加，所能給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益也就越為可觀。

2.2.2.2 降低可靠性成本

本算例中結(jié)合示范工程項目，光儲電站最大的儲能容量為15 MW×1.2 h。為了便于計算T取值為1h，RIEA取值為6萬元/（MW·h）。根據(jù)以上前提條件，分析在不同供電可靠性提高量的情況下［22-23］，儲能可為電網(wǎng)降低的可靠性成本。

表3 不同供電可靠性提高量對應(yīng)的可靠性成本降低量

2.2.3 減少電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理成本

2.2.3.1 減少電網(wǎng)環(huán)境治理成本

本算例中結(jié)合示范工程項目，光儲電站中的儲能裝機容量為15 MW，當?shù)毓庹漳甑刃Э衫眯r數(shù)約為1 600 h，分析儲能裝置的能量時移作用為光伏電站減少的不同棄光比例為電網(wǎng)減少的環(huán)境治理成本。GCO2可根據(jù)與歐洲光伏產(chǎn)能協(xié)會提出的研究結(jié)果來確定，即1 kW·h光伏電量等效0.6 kg的CO2減排量，即1 MW·h的光伏發(fā)電可以減排0.6 t的CO2。根據(jù)以上前提條件，對減少環(huán)境治理成本進行分析，具體結(jié)果如表4所示。

表4 每年儲能裝置減少棄光所減少的電網(wǎng)環(huán)境治理成本

2.2.3.2 減少環(huán)境治理成本

本算例中結(jié)合示范工程項目，并參考有關(guān)文獻選擇其他計算參數(shù)。光儲電站中的儲能裝機額定功率PN為15 MW，一次設(shè)備建設(shè)成本Cd為100萬元/MW，電站一次設(shè)備固定資產(chǎn)折舊率λd為3%，儲能效率η為80%。則該示范工程項目儲能裝置每年可以為電網(wǎng)減少的擴建成本約為36萬元。

3 效果評價

從仿真結(jié)果可以明顯看出光伏發(fā)電系統(tǒng)電儲能時移作用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益：

（1）從表1中可以看出光伏出力可信度從70%增加至95%，光伏電站配置的旋轉(zhuǎn)備用容量從13.5 MW降至2.25 MW，因此節(jié)約0.126萬元成本。隨著儲能配置容量的增加，光伏出力可信度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本越加明顯，在旋轉(zhuǎn)備用方面所能給電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益也就越大。

（2）從表2趨勢可看出，隨著儲能從15 MW增至75 MW,降低的AGC調(diào)頻容量補償成本從0.375萬元升至1.875萬元，降低了1.5萬元成本。儲能配置與降低傳統(tǒng)AGC調(diào)頻機組容量補償成本成反比，隨著儲能容量的增加，AGC調(diào)頻機組容量補償成本呈下降趨勢。

如表3所示，供電可靠度增加0.2%降低可靠性成本0.09萬元，增加1%降低成本0.45萬元。在相同儲能配置下，供電可靠度提高，產(chǎn)生的可靠性成本就降低，也可推斷，在儲能配置越高，及運行時間越長，降低的可靠性成本累計越大。

（3）在儲能增加情況下，棄光率降低，由2%增加到10%；CO2排放可減少3 840 t，減少環(huán)境治理成本53.76萬元。因此在儲能效率和儲能配置確定情況下，由此每年降低的電網(wǎng)擴建成本顯著降低。

如果在某一區(qū)域內(nèi)，輻照度等條件恒定情況下，儲能增加15 MW可減少電網(wǎng)擴建成本達36萬元，在相同條件下，配置的儲能容量越大，降低的環(huán)境治理成本就越大，效果就更明顯。

4 結(jié)論

（1）本文提出的光伏電站儲能系統(tǒng)產(chǎn)生能量時移方法，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)潛在的經(jīng)濟效益，降低了旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本、AGC調(diào)頻容量補償和可靠性成本及電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理成本。

（2）隨著光伏系統(tǒng)裝機容量的增加，合理配置整個光伏系統(tǒng)的儲能容量，儲能系統(tǒng)的能量時移方法產(chǎn)生的潛在經(jīng)濟效益越明顯，旋轉(zhuǎn)備用容量補償成本、AGC調(diào)頻容量補償和可靠性成本及電網(wǎng)擴建成本和環(huán)境治理產(chǎn)生的費用越低。

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Study on the influence of photovoltaic power storage system on the potential economic benefit of power grid

GUO Shufeng1，YANG Yalan2，LUO Meiling3，SHOU Haining3,WEN Jinghua3
(1.Economic Research Institute of State Grid Qinghai Power Company,Xining Qinghai 810000，China;2.China Petroleum Qing yang Petrochemical Company Qing yang Gansu 745002,China；3.Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Company,Yinchuan Ningxia 750001，China)

The fluctuation and random of the photovoltaic power generation cause the low utility of the solar energy resources,the poor economic benefit of the photovoltaic enterprises and other high indirect cost.Aiming at the above problems,by the study of the practical engineering,puts forward the method of energy time shift effect of energy storage system.The results show that the method of energy time shift effect of energy storage system can effectively reduce the power abandon phenomena of the photovoltaic power station,decrease the compensation cost of whirling standby capacity,AGC frequency regulation capacity compensation,reliability cost,power grid expansion cost and environmental treatment cost,and the method can promote the potential economic benefit of the photovoltaic power generation system.

energy storage system;photovoltaic power generation;potential benefit

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.007

2017-06-20

郭樹鋒（1984）男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行控制、新能源及儲能系統(tǒng)應(yīng)用。

TM914.4

A

1672-3643（2017）05-0045-05

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.007