微電網(wǎng)系統(tǒng)儲能電池最佳容量配置估算法

0 引言

近年來，微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已逐步展開，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局在《關(guān)于印發(fā)新能源微電網(wǎng)示范項目名單的通知》([2017]870號)中批準了全國28個微電網(wǎng)建設(shè)試點項目，包括并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)。無論哪種系統(tǒng)，在微電網(wǎng)中儲能電池均承擔著分布式電源削峰填谷和離網(wǎng)運行時電源供給的責(zé)任，是微電網(wǎng)不可或缺的重要元素。然而，儲能電池的造價居高不下，使用成本高昂，在滿足技術(shù)時，合理配置儲能電池的容量已成為建設(shè)微電網(wǎng)項目不可避開的問題。本文就此問題展開項目實例的數(shù)據(jù)分析，對400 V并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能最佳容量配置進行深入研究，并對離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)問題進行理論探討，嘗試獲得一套科學(xué)合理的微電網(wǎng)系統(tǒng)儲能電池最佳容量配置估算方法。

1 并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)

以協(xié)鑫集團在江蘇句容籌劃建設(shè)的一套微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，其主要發(fā)、用電設(shè)備構(gòu)成包括：分布式光伏、儲能電池、常用照明類、動力類負荷及汽車充電樁等；所有一次設(shè)備均連接至區(qū)域內(nèi)400 V交流母線，通過一套快速并網(wǎng)設(shè)備與上級配電網(wǎng)連接，主接線如圖1所示。

按照項目所處地域的地形和安裝條件，光伏系統(tǒng)的總裝機容量為200 kWp；按照其所在地區(qū)的經(jīng)緯度、海拔高程及氣象條件，結(jié)合光伏組件的各種安裝角度、朝向及支架型式，總系統(tǒng)效率按0.8考慮，全年有效發(fā)電小時數(shù)為1045 h，計算得出光伏系統(tǒng)全年總發(fā)電量為209000 kWh。

按此項目區(qū)域的負荷分布，結(jié)合典型負荷同時系數(shù)、負荷系數(shù)等因素，得出典型日過渡季日均用電量為258 kWh，夏季日均用電量為576.75 kWh，冬季日均用電量為436 kWh。按所處季節(jié)天數(shù)權(quán)重進行加權(quán)計算，得出微電網(wǎng)全年用電量約為162960 kWh。微電網(wǎng)的新能源利用率可表示為：

圖1 句容微電網(wǎng)項目400 V主接線圖

該項目微電網(wǎng)的新能源利用率為128.3%，滿足GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中第4.1條“＞30%”的要求[1]。

區(qū)域負荷的分時統(tǒng)計明細如表1、表2所示，統(tǒng)計負荷的時間分布主要是為了確定儲能電池容量配置的某些邊界條件，在后文中將有詳細分析。

表1 計算功率統(tǒng)計表

表2 不同季節(jié)負荷分時表

2 氣象因素

氣象因素會影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的每日發(fā)電量，在負荷較平穩(wěn)的情況下，每日發(fā)電的總量[2]，尤其是低發(fā)日的發(fā)電總量，會直接影響儲能電池的容量選擇。作為重要的邊界條件，需對項目所在地的氣象因素進行梳理和分析，以確定某些重要的計算邊界條件。

句容地區(qū)2011-01-01～2017-07-01共出現(xiàn)：多云1142天、雨735天、晴262天、陰128天、雪46天(數(shù)據(jù)來源于句容氣象局)，如圖2所示。折算成平均每年的情況為：多云176天、雨113天、晴40天、陰20天、雪7天。影響光伏連續(xù)出力大小的持續(xù)雨雪天氣最長為5天，連續(xù)高輻照晴天最長為4天。

圖2 句容地區(qū)2011-01-01～2017-07-01各類天氣統(tǒng)計圖

3 儲能電池容量計算邊界條件及最佳容量

3.1 按國家規(guī)范確定的邊界條件計算

按國家標準GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》第4.1條的規(guī)定，微電網(wǎng)獨立運行模式下向負荷持續(xù)供電時間不低于2 h。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，全年最大的持續(xù)2 h高負荷出現(xiàn)在夏季14:00～16:00，共計147.65 kWh。項目儲能電池統(tǒng)一考慮使用三元鋰電池，其設(shè)計放電深度最高達100%，充放電效率為95%(以下默認)，則儲能電池容量配置為：

3.2 按光伏停止發(fā)電后夜間連續(xù)供電的需求計算

光伏發(fā)電的特點是在每日的9:00～15:00為主要出力區(qū)間，稱為正太陽時。分析表2可知，在正太陽時外的時間內(nèi)，負荷最大的區(qū)間為夏季15:00到第二天9:00，負荷用電共計244.33 kWh，則儲能電池容量配置為：

3.3 按光伏發(fā)電量不浪費的原則計算

光伏日發(fā)電量與負荷消費電量差最大的日期，若不浪費光伏發(fā)電量(項目不考慮余電上網(wǎng))，則儲能電池容量配置需大于日電量差。最大日電量差由“最大日發(fā)電量–過度季日用電量”確定，為454.26 kWh，以此確定邊界并計算：

3.4 按氣象條件確定邊界條件計算

連續(xù)出現(xiàn)高輻照高發(fā)電量的天數(shù)為4天，出現(xiàn)在夏季，為保證連續(xù)4天的電量差均能存儲不浪費，必須配置適量的儲能電池。4日最大電量差為583.32 kWh，以此確定邊界并計算：

連續(xù)出現(xiàn)低輻照低發(fā)電量的天數(shù)為5天，出現(xiàn)在過渡季，日負荷需求為258 kWh；若出現(xiàn)極端情況，5天內(nèi)光伏零出力，則儲能需維持5天的電量以保證系統(tǒng)不向電網(wǎng)買電，以此確定邊界并計算：

3.5 離網(wǎng)型微電網(wǎng)儲能最佳容量配置的探討

對于離網(wǎng)型項目，因其本身無法與大電網(wǎng)進行電量交換，所以儲能電池的容量配置需考慮最極端的情況作為邊界條件[3]。通過本文以上的分析可以確定，最極端情況出現(xiàn)在邊界5，但是在此情況下需由光伏的裝機容量配合，因為1358 kWh的儲能容量對于小容量的光伏系統(tǒng)而言，需要非常長的時間才能蓄滿，這對于無大電網(wǎng)保障的離網(wǎng)型微電網(wǎng)供電的可靠性來說是一個隱患。

假設(shè)本文討論的句容項目為離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，則在滿足邊界5的容量配置情況下，光伏系統(tǒng)需作適當調(diào)整，按可靠性的要求，需適當考慮超發(fā)過量的情況。如果確定3天內(nèi)可以將1290 kWh的電量蓄滿，則反算光伏裝機容量為：

4 結(jié)論

本文通篇對句容并網(wǎng)型微電網(wǎng)示例項目進行負荷、發(fā)電量統(tǒng)計，并對其所在區(qū)域氣象條件分析，得出了計算儲能電池容量的多個邊界條件。最終選擇哪個邊界條件容量配置作為儲能電池的最佳容量配置需由項目實際情況決定。邊界1是規(guī)范要求，需作為校驗條件；邊界2作為只有光伏發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)，考慮儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟價值時必須滿足此條件，以三元鋰電池為例，其每kWh電池充放電一次的成本為0.5元，而句容項目的晚間購電成本為0.83元；邊界3是考慮最大限度地保證所發(fā)電量能滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)全部用戶的負荷，因為不考慮余電上網(wǎng)，所以從可能出現(xiàn)高發(fā)、低發(fā)天氣短期循環(huán)的氣象條件來看，考慮此邊界條件有現(xiàn)實意義；邊界4和邊界5均是考慮極端天氣情況后得出的容量值，綜合考慮造價等因素后，這樣的容量配置更適合作為離網(wǎng)項目的應(yīng)用配置。

句容案例綜合考慮了邊界2的廉價和邊界3的節(jié)約，最終擬定選擇385 kWh的儲能電池容量。其實對于一個實際的并網(wǎng)型微電網(wǎng)項目，當全年總發(fā)電量大幅超過用電量的話，考慮所用電成本的節(jié)約可將容量向邊界3靠攏；若全年發(fā)電量和用電量幾乎持平時，可將容量定得更靠近邊界2。

希望本文所描述的研究對象和內(nèi)容對微電網(wǎng)項目的建設(shè)有所幫助，更希望隨著技術(shù)的發(fā)展，儲能電池的成本能大幅降低，使儲能電池能進行大規(guī)模配置，這對新能源時代整個大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著極其重要的意義。

[1] GB/T 33589-2017, 微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] 李富生，李瑞生，周逢權(quán).微電網(wǎng)技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社, 2013.

[3] 王成山，許洪華. 微電網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2016.