文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）04-066-04中圖分類號：TM732

★羅文（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶402760）

★彭偉（成都凱天電子股份有限公司，四川成都610073）

★鄭連清（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶402760）

摘要：分布式光伏發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性導(dǎo)致了資源利用率低，而電池儲能具備功率快速吞吐、靈活運(yùn)行的能力，是當(dāng)前解決光伏并網(wǎng)和消納的有效手段之一。本文首先針對當(dāng)前儲能成本高、收益模型不清晰等問題進(jìn)行了研究，隨后分別從投資者和社會綜合收益角度構(gòu)建了儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益模型，并以最優(yōu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對儲能進(jìn)行容量配置，對影響儲能經(jīng)濟(jì)效益的重要因素進(jìn)行盈虧平衡和敏感性分析，最后以某分布式光伏系統(tǒng)典型日的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和容量優(yōu)化配置，結(jié)果表明儲能的成本因素對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益起主要影響作用。

關(guān)鍵詞：分布式儲能；經(jīng)濟(jì)性分析；優(yōu)化配置；盈虧平衡分析；敏感性分析

隨著化石能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系已是未來發(fā)展的必然趨勢。目前，太陽能資源作為一種清潔可再生能源，廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)^[1]。我國太陽能資源豐富且主要集中在“三北”地區(qū)，但這些區(qū)域電能消納有限，“棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重。光伏發(fā)電多余電量一是通過輸電線路外送，二是通過儲能系統(tǒng)存儲^[2]。電能外送存在傳輸容量有限和線路損耗較大的缺點，合理的配置儲能不僅能夠提高光伏消納能力還可以利用分時電價峰谷套利、輔助調(diào)峰和調(diào)頻等獲得可觀經(jīng)濟(jì)收益。目前制約儲能推廣應(yīng)用的主要問題是投資成本高、經(jīng)濟(jì)收益衡量困難等，因此如何建立儲能系統(tǒng)完善的經(jīng)濟(jì)評估模型是當(dāng)前亟待解決的問題^[3]。

1　儲能系統(tǒng)成本和收益

1.1　儲能系統(tǒng)成本

儲能系統(tǒng)的成本主要包括投資建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本，具體表示如下：

式（1）中：C為儲能系統(tǒng)總成本；CBESS為投資建設(shè)成本；C_M為運(yùn)行維護(hù)成本。

（1）投資建設(shè)成本

儲能系統(tǒng)的投資建設(shè)成本主要由功率成本和容量成本構(gòu)成，同時當(dāng)儲能電池達(dá)到壽命年限時需要進(jìn)行更換。按照資金的時間價值將儲能電池初始投資和整個儲能系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)更換電池的投資費用折算到項目初期，其數(shù)學(xué)模型如下：

式（2）中：C_p表示BESS單位功率成本；CE表示BESS單位容量成本；r表示資金的貼現(xiàn)率；Z表示電池的壽命年限；G表示儲能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)電池的更換次數(shù)。

（2）運(yùn)行維護(hù)成本

儲能裝置的運(yùn)行維護(hù)成本主要與儲能電池的規(guī)模大小相關(guān)，將系統(tǒng)每年的運(yùn)行維護(hù)成本按資金的時間價值折算到項目初期可表示為：

式（3）中：C_m表示儲能系統(tǒng)單位容量年運(yùn)行維護(hù)成本；n表示儲能系統(tǒng)壽命年限；Q表示儲能系統(tǒng)年發(fā)電量。

1.2　儲能系統(tǒng)收益

（1）售電收益售電收益包含分時電價下“低儲高放”的售電收益和存儲光伏發(fā)電多余電量的售電收益。儲能系統(tǒng)可以利用分時電價在晚間電價低谷時段充電、早上用電高峰時段售電獲得收益；午間時段當(dāng)光伏出力大于負(fù)荷用電時，儲能系統(tǒng)儲存光伏發(fā)電多余電量然后在晚上用電高峰時段售電獲得收益^[4]。合理地規(guī)劃儲能充放電時段和功率，可以實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

式（4）中：E_pv表示BESS“低儲高放”時段充放電量；E_sv表示提高消納時段放電量；R(t)表示分時電價。

式（5）、（6）、（7）中：B_ch(t)和B_dis(t)為0-1狀態(tài)變量，分別表示BESS在t時刻的充電和放電狀態(tài)，且兩個狀態(tài)變量不能同時為1；P_ch(t)和P_dis(t)分別表示BESS在t時刻的充電和放電功率；?t表示系統(tǒng)采樣間隔時間；T表示光伏出力大于負(fù)荷初始時刻；N_day表示BESS年運(yùn)行時間。

（2）輔助調(diào)峰收益

儲能可根據(jù)電網(wǎng)需要參與調(diào)峰獲得補(bǔ)償收益，參與調(diào)峰市場交易模式為日前申請、日內(nèi)調(diào)用。

式（8）中：m₁表示BESS一天內(nèi)參與調(diào)峰的次數(shù)；E_pi表示第i次調(diào)峰電量；ρ_i表示第i次出清價格；N_day1表示BESS一年內(nèi)參與調(diào)峰的天數(shù)。

（3）輔助調(diào)頻收益

儲能系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度需求參與調(diào)頻獲得補(bǔ)償收益，收益與調(diào)頻里程、AGC綜合性能指標(biāo)以及出清價格相關(guān)，具體收益表達(dá)式為：

式（9）中：m2表示儲能每月輔助調(diào)頻交易周期數(shù)；I表示第I個交易周期；D_i、λ_i和K_i分別表示第I個交易周期儲能提供的調(diào)頻里程、輔助調(diào)頻的出清價格和AGC考核指標(biāo)平均值。

（4）儲能電池回收收益

儲能電池在達(dá)到壽命使用周期后還具有殘值價值，電池回收利用收益與容量相關(guān)，年回收收益可表示為：

式（10）中：C_re為BESS單位容量的回收價格；E_bess為儲能系統(tǒng)的額定容量。

（5）延緩電網(wǎng)改造收益

收益與電網(wǎng)升級改造一次性投資成本和儲能消減峰值負(fù)荷功率有關(guān)，收益可表示為：

式（11）、（12）中：?n表示儲能延緩電網(wǎng)改造年限；P_bess表示儲能額定功率；P_max表示峰值負(fù)荷功率；s表示負(fù)荷增長率；C_inv表示電網(wǎng)一次性升級改造的費用。

（6）降低備用容量收益

當(dāng)配置儲能系統(tǒng)后，可以利用BESS功率靈活吞吐的特性來平滑光伏發(fā)電輸出功率，從而減少備用容量為電網(wǎng)公司帶來收益。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率呈現(xiàn)近似正態(tài)分布的特性，因此利用正態(tài)分布擬合光伏發(fā)電，則BESS降低備用容量的期望值：

按照資金的時間價值，將BESS降低備用容量的收益折算到每年可表示為：

式（13）、（14）中：P_RC表示電網(wǎng)公司減少的備用容量；P_α表示電網(wǎng)未配置備用容量時可消納光伏發(fā)電的限值；P_u表示光伏發(fā)電輸出功率平均值；P_δ表示光伏發(fā)電輸出功率偏差；er表示單位功率容量的價格。

（7）減少碳排放收益

采用光伏發(fā)電可減少或替代傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，從而進(jìn)一步減少二氧化碳排放，據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計傳統(tǒng)燃煤電廠二氧化碳排放量約890kg/MWh。配置儲能系統(tǒng)能夠提高光伏發(fā)電消納能力，因增加發(fā)電量而減少碳排放的收益就是儲能系統(tǒng)減少碳排放的收益，具體可表示為：

式（15）中：為配置儲能典型日碳減少排放量；為碳交易價格。

2　儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

2.1　目標(biāo)函數(shù)

直接投資收益模式下的目標(biāo)函數(shù)如公式（16）-（18）所示^[5]，社會綜合收益模式下的目標(biāo)函數(shù)就是分別把每個目標(biāo)函數(shù)中的I_dir用I_all進(jìn)行替換即可。

（1）最大凈現(xiàn)值目標(biāo)函數(shù)：

（2）最小動態(tài)投資回收期目標(biāo)函數(shù)：

（3）最大內(nèi)部收益率目標(biāo)函數(shù)：

式（16）-（19）中：NPV表示凈現(xiàn)值；P_t表示動態(tài)投資回收期凈；IRR表示內(nèi)部收益率；I_dir表示直接投資年等值收益；r表示資金的貼現(xiàn)率；t表示第t年；n表示儲能項目運(yùn)行年限；C表示BESS折算到項目初期的建設(shè)和運(yùn)維成本。

2.2　系統(tǒng)約束條件

（1）系統(tǒng)功率平衡約束

式（20）、（21）中：P_pv(t)和P_pg(t)表示t時刻光伏出力和聯(lián)絡(luò)線傳輸功率；P_b(t)表示儲能系統(tǒng)充放電功率；P_load(t)表示負(fù)荷功率；η_c和η_d表示BESS充放電效率。

（2）儲能充放電約束

式（22）中：P_bess(t)為儲能系統(tǒng)的額定功率；P_b(t)為采樣時刻儲能出力。儲能系統(tǒng)充電為正值，放電為負(fù)值。

（3）荷電狀態(tài)約束

式（23）、（24）中：SOC(0)為初始時刻BESS的荷電狀態(tài)數(shù)值；E_bess為儲能容量；SOC_min、SOC_max分別為儲能系統(tǒng)工作時所允許的最小、最大荷電率；m為運(yùn)行考核時間。

（4）聯(lián)絡(luò)線功率約束

電力網(wǎng)絡(luò)中線路傳輸容量大小受線路類型限制且和電網(wǎng)電壓等級密切相關(guān)，儲能系統(tǒng)實際充放電受聯(lián)絡(luò)線功率限制。

式（25）中：P_pg(t)為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率；P_line1為聯(lián)絡(luò)線最大逆向傳輸功率；P_line2為最大正向傳輸功率。

2.3　算法求解流程

儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置采用遍歷算法求解BESS不同功率和容量配置參數(shù)，然后利用CPLEX優(yōu)化工具包求解給定參數(shù)下的各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具體步驟如下：

（1）初始化數(shù)據(jù)，載入光伏出力、負(fù)荷數(shù)據(jù)、電價曲線以及電池儲能的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)等參數(shù)。

（2）在給定儲能初始配置下，根據(jù)光伏出力、負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運(yùn)行約束條件等信息，運(yùn)用CPLEX工具包優(yōu)化BESS日內(nèi)充放電功率并求解出當(dāng)前功率和容量配置下BESS最優(yōu)的凈現(xiàn)值NPV、動態(tài)投資回收期Pt和內(nèi)部收益率IRR等相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（3）邊界條件判斷，每次計算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后對儲能功率和容量進(jìn)行邊界判斷，若容量配置未達(dá)到邊界約束時新的容量參數(shù)在原有基礎(chǔ)上增加L2步長，當(dāng)容量配置超過限值約束時，功率參數(shù)增加L1步長同時容量配置復(fù)位到邊界初始參數(shù)。

（4）重復(fù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算以及儲能功率和容量邊界條件判斷，最終通過外層功率和容量的遍歷求解得到儲能系統(tǒng)不同的配置方案，結(jié)合內(nèi)層計算結(jié)果可以獲得儲能系統(tǒng)在不同功率和容量配置下的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3　結(jié)論

本文建立了光伏側(cè)儲能系統(tǒng)多模式經(jīng)濟(jì)收益模型，并以某地區(qū)微電網(wǎng)為例對儲能進(jìn)行優(yōu)化配置以及盈虧平衡和敏感性分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）社會綜合收益模式下，儲能壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值NPV8934萬元、回收期Pt為8.6年、收益率IRR9.8%，各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)高于直接投資模式下NPV1731萬元、P_t13.1年、IRR4.54%，因此在目前儲能項目一方投資多方獲利的背景下，可考慮給予投資者費用投資補(bǔ)貼或政策扶持。

(2)以不同經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，最優(yōu)儲能配置容量不同。如直接投資收益模式下，儲能配置5.6MW/18MWh系統(tǒng)取最大凈現(xiàn)值NPV1731萬元，儲能配置4.8MW/16MWh時分式儲能系統(tǒng)的最小動態(tài)投資回收期Pt為13.1年，最大內(nèi)部收益率IRR為4.54%，投資者可根據(jù)自身財務(wù)狀況和預(yù)期收益選擇相應(yīng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化配置儲能。

（3）直接投資收益模式儲能配置5MW/16.2MWh時，當(dāng)儲能單位容量價格高于0.46萬元/kWh或分時電價峰谷價差小于0.36元/kWh時項目出現(xiàn)虧損。

（4）不確定因素中，儲能單位容量價格比分時電價峰谷價差對項目收益影響更大，電池儲能成本進(jìn)一步降低是未來分布式儲能得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

★基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52177170）。

作者簡介：

羅　文（1978-），男，重慶人，副教授，學(xué)士，現(xiàn)就職于重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)與控制。

彭　偉（1990-），男，碩士，現(xiàn)就職于成都凱天電子股份有限公司，研究方向為新能源發(fā)電中儲能的優(yōu)化配置。

鄭連清（1964-），男，博士，教授，現(xiàn)就職于重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧錦玲, 張偉, 張祥國, 何同祥, 聞若彤. 含混合儲能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2021, 33 (08) : 102 - 108.

[2] 程志浩. 混合儲能系統(tǒng)平抑光伏微電網(wǎng)功率波動策略研究[D]. 武漢: 湖北工業(yè)大學(xué), 2020.

[3] 金楚. 光伏儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制方法及其容量優(yōu)化配置研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2016.

[4] 何宸. 大型光儲電站容量優(yōu)化配置及其經(jīng)濟(jì)性分析[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2017.

[5] 蔣科, 張信真, 蘇麟, 史洋. 新能源側(cè)儲能系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)效益評估方法與實例[J]. 電力勘測設(shè)計, 2020 (S1) : 18 - 24.

摘自《自動化博覽》2023年4月刊