丁 凱，鄭 劍，李 偉，黃曾睿，王 易，錢一民，鄭子萱，謝 琦

（1國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610054）

儲(chǔ)能技術(shù)在推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、建設(shè)新型電力系統(tǒng)的過程中起著重要支撐作用，近年來受到廣泛關(guān)注，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。如國家電網(wǎng)公司提出了到2030 年經(jīng)營區(qū)內(nèi)抽蓄電站裝機(jī)和電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)均提高到1 億千瓦的建設(shè)目標(biāo)[3]。根據(jù)安裝位置，儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能，其中用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)(user side energy storage system，UESS)通常安裝在電表后方，由用戶進(jìn)行管理，是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)[1，4]。

當(dāng)前關(guān)于UESS已有較多研究，主要集中在儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃配置和優(yōu)化運(yùn)行方面，關(guān)注儲(chǔ)能削峰填谷帶來的需量電費(fèi)和電量電費(fèi)收益。如文獻(xiàn)[5]考慮電池容量的衰減特性提出凈收益最佳的儲(chǔ)能容量配置方案，并利用模型預(yù)測控制求解最優(yōu)調(diào)度決策。文獻(xiàn)[6]考慮優(yōu)化負(fù)荷特性，提出了一種儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度的雙層優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[7]結(jié)合容量市場，提出了一種用戶需求響應(yīng)-儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的優(yōu)化模型，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)用電。文獻(xiàn)[8]考慮儲(chǔ)能性能約束，提出了UESS 配置優(yōu)化與運(yùn)行調(diào)度滾動(dòng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[9]基于層次分析法，提出了UESS的配置評估與運(yùn)行優(yōu)化兩階段模型。類似地還包括文獻(xiàn)[10-13]，此類研究通過雙層優(yōu)化等方法提出儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃配置與運(yùn)行優(yōu)化策略[10-13]，追求削峰填谷收益的最大化。然而實(shí)際上，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)平滑新能源出力、提高電能質(zhì)量與供電可靠性等多種功能[14]?，F(xiàn)有研究僅利用了儲(chǔ)能的削峰填谷功能，未充分發(fā)揮儲(chǔ)能潛力，存在盈利模式單一、投資回收期長的問題。

以電壓暫降為例，作為最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題之一，它會(huì)導(dǎo)致敏感工業(yè)用戶生產(chǎn)過程中斷，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，單次損失從數(shù)萬元到數(shù)十萬元不等[15-19]。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速功率調(diào)節(jié)能力，若能用于電壓暫降治理，有望取得良好收益。事實(shí)上已有較多學(xué)者提出了基于儲(chǔ)能的電壓暫降治理方案，如文獻(xiàn)[20]提出了基于飛輪儲(chǔ)能的電壓暫降治理裝置。文獻(xiàn)[21]研究了不平衡電壓暫降下混合燃料電池/儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略。文獻(xiàn)[22-23]提出了基于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)以及超導(dǎo)磁儲(chǔ)能/電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)。文獻(xiàn)[24]提出了含儲(chǔ)能系統(tǒng)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，可用于補(bǔ)償電壓暫降。上述研究充分說明了儲(chǔ)能系統(tǒng)用于治理電壓暫降的可行性，但這些研究都是基于專用儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)某一具體電壓暫降治理設(shè)備，即儲(chǔ)能系統(tǒng)作為裝置的一部分，只服務(wù)于電壓暫降治理，并未討論UESS用于電壓暫降的可行性。

考慮到現(xiàn)有研究的不足，本文提出了基于UESS 的電壓暫降分級治理方案。首先，設(shè)計(jì)了UESS的拓?fù)浜涂刂撇呗裕蛊湓谙鞣逄罟鹊幕A(chǔ)上具備電壓暫降治理功能。其次，為避免不同工作模式之間沖突引發(fā)的電壓暫降治理效果不佳問題，協(xié)同工業(yè)園區(qū)內(nèi)已有的DVR 提出了分級優(yōu)質(zhì)供電方案，并通過仿真驗(yàn)證了所提方案的技術(shù)可行性。最后，建立UESS的成本收益模型，與單一的削峰填谷UESS進(jìn)行對比，通過經(jīng)濟(jì)性分析論證所提方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

1 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)拓?fù)?/h2>

根據(jù)某工業(yè)園區(qū)的實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，本文所研究的配置有UESS的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)如圖1所示。該優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)有三路進(jìn)線，分別來自220 kV 變電站1、220 kV 變電站2 和110 kV 變電站3，園區(qū)的三臺(tái)110/10 kV 主變?nèi)萘烤鶠?3 MVA，10 kV 母線采用兩分段，其母聯(lián)開關(guān)正常情況下閉合。園區(qū)內(nèi)部存在多個(gè)工廠，UESS安裝在工廠內(nèi)部，本文以其中一個(gè)工廠為例展開敘述。如圖所示，工廠1內(nèi)部具有三臺(tái)容量分別為2000 kVA/1600 kVA/2000 kVA的10/0.38 kV降壓變，分別給三段母線供電，即母線1、母線2、母線3。其中，用戶側(cè)儲(chǔ)能直接與10 kV 母線連接，通過該母線實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能。母線3與配變之間串聯(lián)接入一臺(tái)DVR，UESS同時(shí)接入母線3和2，母線1無任何治理設(shè)備。

圖1 配置用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)Fig.1 The topology of an PPP integrated with UESS

工業(yè)園區(qū)內(nèi)通常有大量不同電壓暫降敏感度的用電設(shè)備，這些設(shè)備對于電能質(zhì)量有著不同等級的需求，對所有用電設(shè)備進(jìn)行電壓暫降治理，既不經(jīng)濟(jì)也無必要。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 1412—2015優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)供電技術(shù)規(guī)范》，園區(qū)內(nèi)用電設(shè)備可分為三類，相應(yīng)地，供電質(zhì)量可分為三級，如表1所示。本文基于該分級分類原則進(jìn)行電壓暫降治理，對電能質(zhì)量需求不高的L1類用電負(fù)荷集中在母線1上，對應(yīng)Q1 供電質(zhì)量等級，如常規(guī)照明負(fù)荷等；對電能質(zhì)量需求較高的L2類用電負(fù)荷集中在母線2上，對應(yīng)Q2 供電質(zhì)量等級，該類負(fù)荷易受電壓暫降影響，其故障停機(jī)會(huì)造成一定經(jīng)濟(jì)損失；對電能質(zhì)量需求極高的L3類用電負(fù)荷集中在母線3上，對應(yīng)最高等級的Q3 供電質(zhì)量，此類負(fù)荷一旦受電壓暫降影響停機(jī)，將造成極大經(jīng)濟(jì)損失。

表1 園區(qū)內(nèi)用電設(shè)備和供電質(zhì)量分級Table 1 Classification of loads and power quality in the industrial park

2 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制

為使UESS在削峰填谷的基礎(chǔ)上具備電壓暫降治理能力，對現(xiàn)有UESS 拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行改進(jìn)。本文所提UESS的拓?fù)淙鐖D2所示。與常規(guī)方案相比，所提方案增加了旁路開關(guān)、隔離開關(guān)、晶閘管(SCR)、逆變器、LCL 濾波器以及隔離變壓器等設(shè)備，這一套設(shè)備互相配合共同實(shí)現(xiàn)暫降治理。需要說明的是，從UESS 可以引出多套這樣的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)單一儲(chǔ)能系統(tǒng)對多用電負(fù)荷的同時(shí)治理。此外，電壓暫降治理功能對儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度具有一定要求，常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能響應(yīng)速度達(dá)ms級，足以滿足要求[25]。

圖2 所提用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)渑c控制策略Fig.2 The topology and control strategy of the proposed UESS

所提UESS 有三種工作模式，分別為并網(wǎng)模式、電壓支撐模式和柔性退出模式。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常運(yùn)行時(shí)，UESS 工作在并網(wǎng)模式，此時(shí)SCR 閉合，負(fù)荷由電網(wǎng)供電。在該模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充放電執(zhí)行削峰填谷功能，這是常規(guī)UESS僅有的工作模式。

當(dāng)電壓暫降發(fā)生時(shí)，UESS切換為電壓支撐模式。此時(shí)SCR 斷開，UESS 替代電網(wǎng)為敏感設(shè)備供電。不同于常規(guī)“補(bǔ)償缺失電壓”的串聯(lián)型補(bǔ)償方式DVR，所提方案采取的是全補(bǔ)償方式，即無論電壓暫降的幅值和相位如何，都生成暫降發(fā)生前的正常電壓為負(fù)荷供電。因此，所提方案較DVR簡化了控制策略的復(fù)雜性，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和補(bǔ)償能力。當(dāng)電壓暫降結(jié)束后，UESS切換為柔性退出模式。在該階段，儲(chǔ)能變流器交流側(cè)電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)入同期過程，匹配兩者的電壓幅值與頻率，當(dāng)電壓匹配后，儲(chǔ)能變流器緩慢減少輸出電流，雙向晶閘管導(dǎo)通，重新回到并網(wǎng)模式。這兩種工作模式是常規(guī)UESS所不具有的。

傳統(tǒng)用戶側(cè)儲(chǔ)能變流器多采用PQ 或VF 控制，需針對所提拓?fù)涮岢龈倪M(jìn)控制策略。本文所提控制策略如圖2 所示，主要包括三部分：功率控制回路、自動(dòng)同期控制回路和電壓控制回路。該控制策略實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能變流器在各工作模式之間的切換。圖中S表示變流器不同的工作模式，如式(1)所示，通過控制S的值可使控制器在PI控制器和比例控制器之間切換。S=1表示并網(wǎng)模式，此時(shí)用于功率控制回路的控制器積分部分將立即啟用，同時(shí)使用0作為自動(dòng)同期控制回路的輸入，并禁用電壓控制回路控制器的積分部分。S=2表示電壓支撐模式，此時(shí)使用0作為自動(dòng)同期控制回路的輸入，禁用功率控制回路的控制器的積分部分，同時(shí)啟用電壓控制回路控制器的積分部分。S=3表示柔性退出模式，此時(shí)禁用電壓控制回路和功率控制回路控制器的積分部分，同時(shí)啟用自動(dòng)同期控制回路PI控制器的積分部分。

其中，e(t)和u(t)分別為控制器的輸入和輸出，Kp和Ki分別為控制器的比例和積分系數(shù)。

在功率控制回路，有功功率和無功功率可根據(jù)式(2)計(jì)算得到：

其中，upd和upd分別為儲(chǔ)能變流器交流側(cè)電壓的d軸和q軸分量，ipd和ipq分別為儲(chǔ)能變流器輸出電流的d軸和q軸分量。計(jì)算所得的P和Q經(jīng)低通濾波器后用于功率控制回路。

當(dāng)S=3 時(shí)，自動(dòng)同期控制回路PI 控制器的積分部分將啟用，生成誤差信號Δωsyn和ΔEsyn用于加快同期過程。電壓控制回路的功角θ按式(3)計(jì)算：

其中，ω0為初始轉(zhuǎn)速，ΔEsyn和Δωsyn分別為電壓d軸和q軸分量生成的誤差信號。

在電壓控制回路中，參考電壓根據(jù)式(4)計(jì)算：

其中，上標(biāo)＊表示參考信號，ΔE和ΔEsyn分別為功率控制回路和自動(dòng)同期控制回路生成的誤差信號。

最后，電壓控制回路生成的Udref與Uqref經(jīng)坐標(biāo)變換后，再經(jīng)空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)輸出所需PWM脈沖。

3 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)分級供電方案

基于第二部分提出的拓?fù)浜涂刂撇呗?，UESS可實(shí)現(xiàn)正常情況下電壓暫降的有效治理。然而在實(shí)際運(yùn)用中，單獨(dú)的UESS由于其自身技術(shù)限制，難以完全滿足優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)用戶的高品質(zhì)供電需求，有必要研究UESS 與其他電壓暫降治理設(shè)備的協(xié)同。原因有兩方面：①UESS具有多種功能，功能之間可能會(huì)存在沖突，導(dǎo)致電壓暫降治理效果的削弱。例如當(dāng)儲(chǔ)能正在執(zhí)行填谷功能，因放電導(dǎo)致荷電狀態(tài)較低時(shí)，若此時(shí)正好發(fā)生電壓暫降，則可能會(huì)出現(xiàn)無法及時(shí)切換到電壓暫降治理模式或電壓暫降支撐時(shí)間較短等問題。對于某些極敏感用電負(fù)荷或長時(shí)間暫降而言，這依然會(huì)導(dǎo)致敏感負(fù)荷因電壓暫降而跳閘；②優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)內(nèi)存在一些已有的DVR 等電壓暫降治理設(shè)備，為提高治理效果和方案效率，有必要將這些已有的設(shè)備考慮在內(nèi)。

基于此，本文提出了協(xié)同UESS 和DVR 的優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)分級供電方案。所提方案中，第一級供電Q1 直接由上級電源提供，不包含任何電壓暫降補(bǔ)償裝置。在第一級供電的基礎(chǔ)上，第二級供電Q2 由單一的電壓暫降補(bǔ)償裝置保障。在大多數(shù)情況下，當(dāng)上級電網(wǎng)導(dǎo)致Q1 出現(xiàn)電壓暫降時(shí)，單一的電壓暫降補(bǔ)償裝置可以保證Q2 不受電壓暫降影響。第三級供電Q3 在第二級供電的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了UESS 與DVR 的協(xié)調(diào)，在某些情況下單一的電壓暫降補(bǔ)償裝置無法保證負(fù)荷的正常供電時(shí)，Q3 仍然能保證負(fù)荷不受電壓暫降影響，具有最高等級的電能質(zhì)量。具體闡述如下。

3.1 第一級供電Q1

如圖3 所示，Q1 直接由上級電源提供，不接入任何電壓暫降補(bǔ)償裝置。該級供電僅在主電源不發(fā)生電壓暫降時(shí)能保證負(fù)荷的正常供電。一旦外部電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致進(jìn)線出現(xiàn)電壓暫降，母線1將隨之出現(xiàn)電壓暫降。

3.2 第二級供電Q2

在Q1的基礎(chǔ)上，Q2由單一類型電壓暫降補(bǔ)償裝置保障，如單獨(dú)UESS 或單獨(dú)DVR。當(dāng)由單獨(dú)UESS 保障供電等級時(shí)，一旦外部電網(wǎng)發(fā)生故障，UESS在檢測到電壓暫降后即投入運(yùn)行，替代主電源為負(fù)荷供電，當(dāng)暫降結(jié)束后，UESS再經(jīng)柔性退出模式切換為并網(wǎng)模式。在大多數(shù)情況下，UESS可以保證所接負(fù)荷不受電壓暫降影響，僅在極少數(shù)情況下失效，如儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障，或儲(chǔ)能系統(tǒng)各工作模式?jīng)_突導(dǎo)致電壓暫降治理模式切換不及時(shí)、荷電狀態(tài)較低導(dǎo)致支撐時(shí)間不長等意外情況。僅由DVR 保障時(shí)同理，在檢測到電壓暫降時(shí)立即投入運(yùn)行，但同樣存在不足，如無法支撐較長時(shí)間電壓暫降。因此，Q2 具有比第一級供電更高的電能質(zhì)量等級，在大多數(shù)情況下能夠保證敏感負(fù)荷不受電壓暫降影響。

3.3 第三級供電Q3

第三級供電由用戶側(cè)儲(chǔ)能與DVR 共同保障，二者的協(xié)調(diào)工作原理如圖3所示。一般情況下，第三級供電優(yōu)先由UESS 保證負(fù)荷不受電壓暫降影響。在用戶側(cè)儲(chǔ)能出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致母線2仍發(fā)生電壓暫降的情況下，DVR投入運(yùn)行，補(bǔ)償母線3上的負(fù)荷電壓。因此，與前述兩種電能質(zhì)量等級相比，第三級供電Q3具有更高的可靠性。

圖3 所提方案協(xié)同原則Fig.3 The principle of the proposed UESS

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提電壓暫降分級治理方案的有效性，根據(jù)圖1在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。為簡化分析，優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)內(nèi)部僅搭建工廠1的仿真模型，模型參數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)保持一致，園區(qū)內(nèi)母線1、2、3上的負(fù)荷大小均為50 kW恒功率模型。UESS部分參數(shù)見表2，DVR根據(jù)文獻(xiàn)[23]搭建。設(shè)置以下三種仿真案例對所提方案進(jìn)行測試。

表2 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)部分參數(shù)Table 2 Parameters of the UESS

①案例1：UESS正常工作，1.0 s時(shí)外部系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為500 ms的金屬性三相接地故障。

②案例2：UESS 在切換為電壓暫降治理模式時(shí)存在100 ms延時(shí)，1.0 s時(shí)外部系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為500 ms的金屬性三相接地故障。

③案例3：UESS 的電壓暫降治理模型僅能有效支撐負(fù)荷電壓300 ms，1.0 s 時(shí)外部系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為500 ms的金屬性三相接地故障。

4.1 正常情況

UESS 正常運(yùn)行，即案例1 下的仿真結(jié)果如圖4(a)～(d)所示。在1.0 s 外部電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，母線1的電壓迅速降低至0.58 p.u.。當(dāng)檢測到電壓暫降后，UESS 迅速切換為電壓暫降支撐模式，母線2 和3 隨之切換為UESS 供電，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用下，母線2和3的電壓分別維持在0.96 p.u.和0.99 p.u.，此時(shí)母線3 上的DVR 并未投入運(yùn)行?？梢?，正常情況下UESS能夠保證用戶不受電壓暫降的影響，母線2 和3 具有比母線1 更高的電能質(zhì)量等級。

4.2 意外情況

UESS發(fā)生意外情況，導(dǎo)致切換為電壓暫降治理模式時(shí)出現(xiàn)100 ms 延時(shí)，即案例2 下的仿真結(jié)果如圖4(e)～(h)所示。由圖可知，在發(fā)生短路故障后，母線1 電壓迅速跌至0.58 p.u.，母線2 的電壓經(jīng)過100 ms 延時(shí)才在UESS 的作用下補(bǔ)償至0.96 p.u.(1 p.u.=220 V)。在檢測到母線2出現(xiàn)電壓暫降后，母線3上的DVR迅速投入運(yùn)行，將電壓抬升至0.98 p.u.。盡管UESS 最終成功地補(bǔ)償了負(fù)荷電壓，但對于部分極敏感的用電設(shè)備，如變頻調(diào)速裝置，在UESS將電壓抬升至正常值之前的這段時(shí)間內(nèi)仍可能發(fā)生宕機(jī)，造成經(jīng)濟(jì)損失。

削峰填谷模式消耗過多能量，導(dǎo)致UESS的電壓支撐時(shí)間較短，即案例3下的仿真結(jié)果如圖4(i)～(l)所示。同上，當(dāng)發(fā)生故障后，母線1的電壓迅速跌至0.58 p.u.，而母線2 和3 的電壓在UESS 的作用下維持在接近正常值的狀態(tài)(0.96 p.u.)。但由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)較低，經(jīng)過300 ms 后，UESS 的能量耗盡，無法再支撐負(fù)荷電壓，母線2的電壓跌至0.58 p.u.。而母線3上的DVR在檢測到電壓暫降后，迅速投入運(yùn)行，重新將母線3的電壓抬升至正常值。因此，母線3 具有比母線1 和2 更高的電能質(zhì)量等級。

圖4 各案例的仿真結(jié)果。(a)案例1電壓有效值；(b)案例1母線1的三相電壓；(c)案例1 母線2的三相電壓；(d)案例1母線3的三相電壓；(e)案例2電壓有效值；(f)案例2母線1的三相電壓；(g)案例2母線2的三相電壓；(h)案例2母線3的三相電壓；(i)案例3電壓有效值；(j)案例3母線1的三相電壓；(k)案例3母線2的三相電壓；(l)案例3母線3的三相電壓。Fig.4 Simulation results(a)case 1 RMS voltage;(b)case 1 voltage at bus 1;(c)case 1 voltage at bus 2;(d)case 1 voltage at bus 3;(e)case 2 RMS voltage;(f)case 2 voltage at bus 1;(g)case 2 voltage at bus 2;(h)case 2 voltage at bus 3;(i)case 3 RMS voltage;(j)case 3 voltage at bus 1;(k)case 3 voltage at bus 2;(l)case 3 voltage at bus 3.

上述仿真結(jié)果證明在正常情況，UESS可以保證負(fù)荷不受電壓暫降影響，接入儲(chǔ)能系統(tǒng)的母線具有較高電能質(zhì)量等級，但在少數(shù)情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)仍無法保證負(fù)荷完全不受電壓暫降影響。而通過協(xié)同UESS與DVR，可以提供更高的電能質(zhì)量等級，保證UESS無法正常補(bǔ)償暫降的情況下負(fù)荷仍不受電壓暫降影響。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

前述分析證明了所提電壓暫降分級治理方案的技術(shù)可行性，為進(jìn)一步說明方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，對所提方案作經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)文獻(xiàn)[9]和[26]，UESS的凈收益F可以用式(5)表示：

其中，f1表示儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷帶來的套利收益，即降低電量電費(fèi)帶來的收益；f2表示降低需量電費(fèi)帶來的收益；f3表示政府電價(jià)補(bǔ)貼收益；C1表示儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本；C2表示儲(chǔ)能系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)成本；C3表示儲(chǔ)能系統(tǒng)回收利用價(jià)值。

投資回收期可根據(jù)式(6)計(jì)算。

其中，Td為動(dòng)態(tài)投資回收期，CIt與COt分別為第t年的現(xiàn)金流入和流出，tr為通貨膨脹率，dr為貼現(xiàn)率。

5.1 收益分析

通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電實(shí)現(xiàn)削峰填谷，UESS可取得套利收益，如式(7)所示：

其中，T為儲(chǔ)能電池壽命，D為儲(chǔ)能年運(yùn)行天數(shù)，S1為一天當(dāng)中獲取的套利收益，Pch(i)、Pdis(i)分別為i時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電與放電功率，Bch(i)、Bdis(i)分別為i時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電與放電狀態(tài)，price(i)為時(shí)段i的電價(jià)。

通過減少對專用變壓器的容量需求，減少每月繳納的基本電費(fèi)，UESS 可獲取需量電費(fèi)減少收益，表示如式(9)：

其中，Y為每年運(yùn)行月數(shù)，S2為每月需量電費(fèi)減少量，Bp為削減需量電費(fèi)帶來的單位收益，Prat為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率。

目前政府出臺(tái)了相關(guān)儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策，按照實(shí)際充放電量用戶可獲取一定補(bǔ)貼收益，該補(bǔ)貼通常維持三年，表示如式(11)：

其中，S3為一天當(dāng)中獲取的補(bǔ)貼收益，pe為政府補(bǔ)貼。

考慮電壓暫降治理收益后，在公式(5)中加入f4，f4表示如式(13)：

其中，μ為UESS 能夠有效治理的電壓暫降比例系數(shù)，N為每年發(fā)生的電壓暫降次數(shù)，S4為減少的單次電壓暫降帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

5.2 成本分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本主要來自于電池、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)，與儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和功率有關(guān)，可表示為

其中，Cp和Ce分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率成本與單位容量成本，Erat為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本主要與額定功率有關(guān)，可表示為：

其中，Cm為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率年運(yùn)行維護(hù)成本。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的回收利用價(jià)值與初始投資成本有關(guān)，可表示為：

其中，γ為回收系數(shù)。

5.3 經(jīng)濟(jì)性分析

以1 MW/ 2 MWh 的UESS 為研究對象，將所有費(fèi)用折算到現(xiàn)值進(jìn)行分析。參考湖北省某實(shí)際工程項(xiàng)目，儲(chǔ)能系統(tǒng)每天以額定功率完全充放電2 次，銷售環(huán)節(jié)峰谷分時(shí)電價(jià)方案以及相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)見表3。儲(chǔ)能壽命周期取10年，每年運(yùn)行345 天,考慮通貨膨脹率為2%，貼現(xiàn)率為8%，基本容量電費(fèi)為35 元/(kW?月)，補(bǔ)貼電價(jià)為0.3 元/kWh，補(bǔ)貼時(shí)長為3 年[9，26]。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋰電池儲(chǔ)能，相關(guān)參數(shù)如表4所示。當(dāng)電池容量降低到60%額定容量時(shí)認(rèn)為達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，取鋰電池報(bào)廢時(shí)的能量密度為40 Wh/kg，相應(yīng)回收價(jià)為8000元/t。

表3 湖北銷售環(huán)節(jié)分時(shí)電價(jià)方案及儲(chǔ)能工作狀態(tài)Table 3 Peak-valley time-of-use tariff plan in Hubei Province and operation mode of energy storate system

根據(jù)前述公式以及數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到儲(chǔ)能壽命周期內(nèi)，常規(guī)削峰填谷工作模式下總凈收益為415.17萬元，投資回收期約為5.6年。

根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]，本文取平均單次電壓暫降造成的損失為50 萬元。認(rèn)為UESS 能夠有效治理其中90%的電壓暫降，根據(jù)前述公式和數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到考慮電壓暫降治理功能后，不同年均電壓暫降次數(shù)下UESS壽命周期內(nèi)的總凈收益和投資回收期如表4所示。需要說明的是，增加電壓暫降治理功能后，由于新增了變流器和相關(guān)輔助設(shè)備，取儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率成本為2240 元/kW，DVR 作為優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)內(nèi)已有設(shè)備，其成本不考慮在內(nèi)。

表4 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of Li-ion energy storage system

由表5可知，對于不發(fā)生電壓暫降或電壓暫降造成經(jīng)濟(jì)損失較小的用戶而言(年均電壓暫降次數(shù)為0 或0.5 次)，UESS 增加電壓暫降治理功能會(huì)降低用戶收益，延長投資回收期。但對于電壓暫降發(fā)生較為頻繁、暫降造成損失較大的用戶而言，UESS 增加電壓暫降治理功能將極大提高經(jīng)濟(jì)效益。以平均每年發(fā)生8次電壓暫降為例(對應(yīng)電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失400 萬元每年)，與單一削峰填谷工作模式相比，此時(shí)UESS 的凈收益由415.17 萬元增加為2895.84 萬元，投資回收期由原來的5.6 年縮短至1.8 年。其中f1、f2、f3、C3保持不變，電壓暫降治理帶來的經(jīng)濟(jì)效益f4為2664.46 萬元，初始投資成本C1為624 萬元，運(yùn)行維護(hù)成本C2為143.59萬元?？梢?，盡管增加電壓暫降治理功能增大了初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本，但對于部分對電壓暫降敏感的負(fù)荷而言，所提方案仍然能夠大大提高UESS 的經(jīng)濟(jì)效益，顯著縮短投資回收期。

表5 不同年均電壓暫降次數(shù)下所提方案凈收益Table 5 The net present value of the proposed scheme under different voltage sag frequency

6 結(jié) 論

為提高UESS的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，本文針對工業(yè)園區(qū)提出了基于UESS的電壓暫降分級治理方案，并對方案做了經(jīng)濟(jì)性分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過改進(jìn)UESS 的拓?fù)浜涂刂撇呗?，在常?guī)并網(wǎng)工作模式的基礎(chǔ)上增加了電壓支撐模式和柔性退出模式。當(dāng)電壓暫降發(fā)生時(shí)，UESS替換主電源為負(fù)荷供電，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)情況下的電壓暫降有效治理，進(jìn)一步發(fā)揮了UESS的調(diào)節(jié)潛力。

（2）通過協(xié)同UESS 與DVR，為優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)提供具有三種不同電能質(zhì)量等級的優(yōu)質(zhì)供電方案，其中第一級供電不含任何電壓暫降治理設(shè)備，第二級供電由單一設(shè)備提供，第三級供電由UESS 和DVR共同保障。

（3）建立了UESS 的成本收益模型，包括電量電費(fèi)收益、需量電費(fèi)收益、政府補(bǔ)貼收益、電壓暫降治理收益、初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及回收價(jià)值，開展經(jīng)濟(jì)性分析，論證了與常規(guī)單一削峰填谷型UESS相比，所提方案可以極大提高UESS的經(jīng)濟(jì)效益，顯著縮短投資回收期。