嚴 鵬, 王 坤, 何 凱

(國網(wǎng)電動汽車服務(wù)江蘇有限公司, 江蘇 南京 210019)

0 引 言

目前,我國多地實現(xiàn)峰谷電價政策,用戶在峰段時刻對用電的需求日益增加,大量負載接入電網(wǎng)給系統(tǒng)運行帶來壓力,在用戶側(cè)加裝儲能裝置對緩解電網(wǎng)壓力,對保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行具有重要意義。此外,通過優(yōu)化儲能配置,還能帶來各方面的經(jīng)濟效益。國內(nèi)外學者對儲能的控制和經(jīng)濟性建模方面進行深入的研究工作,并且基于不同的角度分析針對儲能應(yīng)用場景提供優(yōu)化配置方案及其經(jīng)濟性分析。

國內(nèi)方面,文獻[1]探討了用戶側(cè)儲能容量配置,對其應(yīng)用價值以及成本控制策略進行分析并針對性地提出最優(yōu)運行模型。文獻[2]從儲能應(yīng)用方面提出應(yīng)加強儲能運行模擬、多重組合利用、集中和分散相結(jié)合等建議。文獻[3]根據(jù)運行倍率、放電深度、循環(huán)壽命的關(guān)系,建立電池循環(huán)壽命模型,實現(xiàn)了等效評估峰谷套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)的循環(huán)壽命,然后基于該模型考慮電池更換次數(shù),以凈收益最大化為目標,建立儲能全生命周期的成本收益模型,并提出了用戶側(cè)儲能參與調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟性評估方法。文獻[4]分析了當前對分布式儲能的需求并提出運營平臺架構(gòu)設(shè)計方案,按照省級運營平臺與儲能管理平臺分開部署,從總體架構(gòu)、物理架構(gòu)、功能架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)5方面開展研究,對支撐平臺運營的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)模型,以及運營評價模塊和輔助決策模塊進行詳細分析。文獻[5]從電網(wǎng)全環(huán)節(jié)出發(fā),建立了基于全壽命周期成本-效益現(xiàn)值法的用戶側(cè)儲能綜合效益模型,并結(jié)合算例分析了其經(jīng)濟可行性,最后,結(jié)合經(jīng)濟模型的盈虧平衡點預測了用戶側(cè)儲能的市場規(guī)模。文獻[6]從儲能在電力系統(tǒng)應(yīng)用價值的角度詳細分析了電網(wǎng)側(cè)儲能的應(yīng)用場景,結(jié)合典型國家電網(wǎng)側(cè)儲能政策環(huán)境和中國電力體制改革情況分析,考慮投資主體、成本、電價等因素,研究提出了中國電網(wǎng)側(cè)儲能潛在的典型商業(yè)模式及相關(guān)政策建議,引導電網(wǎng)側(cè)儲能健康有序發(fā)展。

國外方面,文獻[7]提出了將可再生能源(如風能)整合到現(xiàn)有電網(wǎng)中的用戶側(cè)需求儲能管理方法,不同規(guī)模的分布式儲能可以實現(xiàn)本地可再生能源供應(yīng)商的調(diào)度,考慮了單位規(guī)模的減少會導致更多的信息需求和流量,以確保在本地電網(wǎng)約束范圍內(nèi)進行充分控制,最后通過市場模型對經(jīng)濟效益進行評估。文獻[8]研究了針對用戶側(cè)的最佳儲能系統(tǒng)容量和針對聚集器的最佳單價儲能系統(tǒng)問題,通過數(shù)值研究得出,儲能可以減少主電網(wǎng)的能量負荷并減少峰值功率。文獻[9]提出一種考慮了發(fā)電、存儲和可移動設(shè)備調(diào)度的組合性質(zhì)的居民區(qū)能耗調(diào)度。時移設(shè)備的調(diào)度策略集本質(zhì)上是離散的和組合的,因此使用優(yōu)化單個用戶支付功能的粒子群算法,結(jié)果證明了該方法在降低能源價格和系統(tǒng)峰值方面的有效性,同時考慮用戶的隱私和舒適性。

因此,國內(nèi)外對于各類儲能的應(yīng)用場景與需求管理等方面已經(jīng)有相當多的研究。本文重點研究用戶側(cè)儲能配置策略以及對儲能項目進行經(jīng)濟性評估。

1 用戶側(cè)儲能配置原則分析

電化學儲能應(yīng)用廣泛,通過靈活配置,從而在功率和能量上滿足不同用戶需求。電化學儲能響應(yīng)速度快,對電能直接進行存儲和釋放,不受地理地形條件的限制。根據(jù)儲能系統(tǒng)的類型與容量可以選擇多種不同類型的電池,每種電池具有各自特點,根據(jù)化學物質(zhì)不同可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池儲能等。電化學儲能目前面臨的問題是電池的使用壽命不長,投資成本昂貴,因此有必要通過對儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化來提高收益。

在配電網(wǎng)建設(shè)方面,工業(yè)用電量大,負荷特性穩(wěn)定,負荷本身不存在峰谷差;居民用電量小、負荷大,負荷特性較差,會形成負荷峰谷差。電網(wǎng)設(shè)備的利用效率與峰谷差值大小有關(guān),降低峰谷差值,可以有效減少電網(wǎng)的建設(shè)成本。因此,與工業(yè)用電對比,峰谷差對居民用電的配電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)影響更大,為了提高配電網(wǎng)的設(shè)備利用效率,電池儲能系統(tǒng)應(yīng)著重用于居民負荷側(cè)。

針對居民用戶負荷,以鉛酸電池、全釩液流電池和鋰電池為主的儲能系統(tǒng)的容量配置要遵循按所在區(qū)域居民最大負荷的30%、充放電時間2～3 h的原則。供電模式以配電變壓器為主,配置的儲能類型主要為功率型,儲能裝置僅在高峰時段使用。

一般儲能系統(tǒng)是在用電低谷時存儲電能,在用電高峰時刻給用戶供電;當儲能系統(tǒng)投入運行后,相當于在負荷側(cè)進行負荷調(diào)整,不僅能夠?qū)ω摵傻淖兓鞒隹焖夙憫?yīng),而且可以降低電網(wǎng)負載率,提高系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施利用率。儲能系統(tǒng)給用戶供電和對電廠進行調(diào)頻時,一般對多個儲能裝置進行統(tǒng)一規(guī)劃,根據(jù)用戶的用電需求,完成相應(yīng)的調(diào)度。

當系統(tǒng)出現(xiàn)由擾動導致的電網(wǎng)頻率偏差時,一般由發(fā)電機組自動響應(yīng)頻率變化,調(diào)整出力。但是發(fā)電機組一次調(diào)頻響應(yīng)速度相對較慢,且調(diào)整出力過大,不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。儲能裝置投運后,可在很大程度上彌補依靠發(fā)電機組調(diào)節(jié)速度慢的不足,快速響應(yīng)頻率偏差,減小頻率偏差,提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

2 儲能項目經(jīng)濟性收益評估方法

2.1 儲能成本模型

對于電池儲能系統(tǒng)的成本計算,可以使用蓄電池儲能系統(tǒng)等年值計算式作為目標函數(shù):

minAc=(Pbessα+Ebessβ)

(1)

(2)

式中:Ac——蓄電池儲能系統(tǒng)等年值;

Pbess——儲能系統(tǒng)額定功率規(guī)劃值;

α——儲能系統(tǒng)分期償還功率投資成本;

Ebess——儲能容量規(guī)劃值;

β——儲能分期償還容量投資成本;

Ce——儲能系統(tǒng)容量投資成本;

T——儲能系統(tǒng)使用壽命;

Cm——維護成本;

λ——儲能系統(tǒng)功率投資與容量投資費用比。

不同儲能系統(tǒng)的容量和運行方式各不相同,使用壽命也不同,而儲能系統(tǒng)壽命年限直接影響到系統(tǒng)的投資成本與收益。一般影響電池使用壽命的因素有放電深度和充放電次數(shù)。為了更加合理地評估儲能系統(tǒng)投資成本,建立了電池壽命的計算模型。當電池容量下降到額定容量的80%時,認為其壽命達到極限,根據(jù)電池的循環(huán)壽命與放電深度的函數(shù)關(guān)系,可以得出電池經(jīng)過N次充放電后的剩余壽命Tres為

(3)

式中:Kcyc,D(i)——放電深度為D(i)時電池循環(huán)壽命。

為了延長儲能系統(tǒng)使用年限,提高系統(tǒng)總體收益,一般給定充放電功率和充放電狀態(tài)的最大值和最小值來延長電池使用壽命。各約束條件:

Pb,min≤Pb,t≤Pb,max

(4)

Pb,min=-|Pbess|,Pb,max=Pbess

(5)

Ebess·SOCmin≤Eb,t≤Ebess

(6)

Eb,t=Eb,t-1+ηchPb,t

(7)

Eb,t=Eb,t-1-Pb,t/ηdis

(8)

式中:Pb,t——時段t內(nèi)儲能充電放電功率;

Pb,max——儲能設(shè)備充放電功率的最大值;

Pb,min——儲能設(shè)備充放電功率的最小值;

Pbess——儲能系統(tǒng)的額定功率;

Ebess——儲能系統(tǒng)的容量值;

SOCmin——儲能設(shè)備充放電狀態(tài)的最小值;

Eb,t——時段t內(nèi)儲能系統(tǒng)儲存的能量;

ηch——儲能系統(tǒng)充電效率;

ηdis——儲能系統(tǒng)放電效率。

不同電池儲能系統(tǒng)造價構(gòu)成與成本也各不相同。系統(tǒng)造價一般由運行系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等建造成本構(gòu)成,此外還有電池成本和維護成本。

2.2 儲能收益模型

(1) 削峰填谷收益。用戶把高峰需求抑制到最低或轉(zhuǎn)移高峰需求到低谷段,不僅不會帶來電量消耗的變化,還能起到移峰填谷的作用,由于低谷段的電價比高峰段低,其中的差值可帶來收益。削峰填谷收益EP為

EP=Ebess(Pp-Pv)D

(9)

式中:Ebess——儲能系統(tǒng)的容量值;

Pp——峰段電價;

Pv——谷段電價;

D——儲能系統(tǒng)運行天數(shù)。

(2) 調(diào)頻運行收益。調(diào)頻模式儲能充放頻繁,相較于削峰填谷電價模式,其放電深度更淺,循環(huán)次數(shù)更多。加入儲能系統(tǒng)參加電廠調(diào)頻后,電網(wǎng)調(diào)頻能夠快速響應(yīng),平穩(wěn)提高電廠出力以及負荷率。調(diào)頻收益Ef為

Ef=(Pc+Pmm)CaTf

(10)

式中:Pc——調(diào)頻容量單價;

Pm——調(diào)頻里程單價;

m——調(diào)頻里程;

Ca——調(diào)頻容量;

Tf——調(diào)頻運行的時段。

(3) 可靠性收益。儲能系統(tǒng)投運后,相當于在配電網(wǎng)中配置大量的電源,其輸出電壓、功率得到有效控制,有利于改善配電網(wǎng)中的低電壓問題。同時電力系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行,供電區(qū)域可靠性得到保障,避免出現(xiàn)大面積停電,而由于停電次數(shù)與時間的減少,系統(tǒng)每年可為用戶提供更多的電量?？煽啃怨╇娛找鍱r主要來源于多供電量帶來的輸配電效益和儲能收益:

Er=ΔQPQT

(11)

式中: ΔQ——多供電量;

PQ——單位平均電價;

T——儲能系統(tǒng)使用壽命。

3 算例分析

為了研究不同電池組成的儲能系統(tǒng)帶來的收益,針對用戶側(cè)電池儲能的經(jīng)濟性分析,選取了鉛酸電池、全釩液流電池和鋰離子電池3種儲能系統(tǒng)。不同類型的電池具有不同的性能參數(shù),3種電池所組成的儲能系統(tǒng)使用壽命與造價也不相同,其中全釩液流電池的全生命周期最大充放電次數(shù)最多,為9 000次;鋰離子電池次之,為4 000次;鉛酸電池的充放電次數(shù)較少,一般為1 800次。各儲能系統(tǒng)造價如表1所示。

表1 各儲能系統(tǒng)造價

由表1可見,鉛酸電池投資成本最低,鋰離子電池次之,全釩液流電池最高,但同時使用壽命也最長。在這3種電池組成的儲能系統(tǒng)中,只有鋰離子電池具備每日多次充放電循環(huán)運行的條件。

使用3種不同的電池分別設(shè)計了3種儲能系統(tǒng)方案。方案一中配置了容量為1 MW/2 MWh的鉛酸電池儲能系統(tǒng),可每日完全充放電一次;方案二配置了容量為4 MW/8 MWh的全釩液流電池儲能系統(tǒng),同樣只能每日完全充放電一次;方案三配置了容量為0.5 MW/1 MWh的鋰離子電池儲能系統(tǒng),鋰離子電池可以實現(xiàn)每日多次充放電循環(huán),但本方案采取單日完全充放電一次的策略。

峰谷電價也稱“分時電價”,是在高峰用電時電價較高,而在低谷用電時電價低的一種電價機制。根據(jù)蘇價工[2018]89號文件約定,江蘇省高峰時間段為8∶00～12∶00,17∶00～21∶00;平峰時間段為12∶00～17∶00,21∶00～24∶00;低谷時間段為0∶00～8∶00。用戶峰平谷段電價如表2所示。

考慮鉛酸電池充放電效率為70%,全釩液流電池充放電效率為70%,鋰電池的充放電效率為80%。一般儲能系統(tǒng)在低谷時作為負載進行充電,然后在峰段作為電源進行放電,供附近的用戶使用,起到削峰填谷的作用。通過計算儲能系統(tǒng)全生命周期內(nèi)充放電電量,可得到3種系統(tǒng)削峰填谷收益。

選取調(diào)頻容量單價為100元/MW,調(diào)頻里程為2.75,單位時間調(diào)頻里程單價為15元/MW,結(jié)合式(11)可求得3種電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻運行收益。

若儲能系統(tǒng)每天在低谷負荷時充電,在高峰負荷時放電,對于可靠性方面,使用電池儲能系統(tǒng)理論上每年可減少用戶故障停電25 h,結(jié)合各儲能系統(tǒng)的使用壽命可得到可靠性收益。3種儲能系統(tǒng)各項收益如圖1所示。

由圖1可見,電池儲能系統(tǒng)的主要收益來源于削峰填谷獲得的電價差收益。在3種電池儲能系統(tǒng)中,全釩液流電池的各項收益是最高的,這與儲能系統(tǒng)本身的全壽命周期長有很大關(guān)系;與全釩液流電池系統(tǒng)相比,鉛酸電池儲能系統(tǒng)各項收益不顯著,但因系統(tǒng)本身造價與維護成本不高,可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)的收益;鋰離子電池儲能系統(tǒng)收益很低,如果增加鋰離子電池儲能系統(tǒng)每日充放電循環(huán)次數(shù),按照每日充放電循環(huán)2～3次模式運行,其靜態(tài)投資回收期可以大大縮短。但是鋰離子電池的壽命會隨著每日充放電次數(shù)的增加而縮短,而且由于系統(tǒng)每日充放電循環(huán)次數(shù)增加,電池不可避免地會在峰段充電、在谷段放電,間接減少經(jīng)濟收益。

4 結(jié) 語

本文重點研究用戶側(cè)儲能配置策略以及對儲能項目進行經(jīng)濟性評估,給出了儲能系統(tǒng)容量配置的原則。通過研究儲能對電網(wǎng)調(diào)頻的影響得出儲能系統(tǒng)可使電網(wǎng)更加穩(wěn)定可靠運行。研究了鉛酸電池、全釩液流電池和鋰離子電池3種儲能系統(tǒng),全釩液流電池收益最高,但是要運行2～3年才能實現(xiàn)系統(tǒng)收益;鉛酸電池收益次之,且投運1年即可收回成本,但是電池充放電次數(shù)少,儲能系統(tǒng)工作壽命短;鋰離子電池收益不顯著,但可通過單日多次充放電循環(huán)來縮短收益周期。