基于經(jīng)濟成本的光伏電站儲能容量配置分析

劉亮

[摘要]太陽能是一種可再生新資源，太陽能發(fā)電是直接將光能轉變成電能的發(fā)電方式，光伏發(fā)電是太陽光發(fā)電的主流，利用太陽能級半導體電子器件，有效吸收太陽光輻射能，轉變成電能。光伏發(fā)電具有不確定性和隨機性，使供電也出現(xiàn)較大幅度的隨機性變化，系統(tǒng)在并網(wǎng)運行中產(chǎn)生瞬時功率就會大幅波動，影響供電質(zhì)量、供電的穩(wěn)定性和可靠性。將儲能技術引入光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為平抑光伏出力的波動提供可能，光伏發(fā)電站要維持經(jīng)濟運行，滿足出力波動性的要求，需要合理選擇儲能容量。

[關鍵詞]經(jīng)濟成本;光伏電站;儲能容量配置

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2019.08

光伏發(fā)電有隨機性、波動性和間歇性，儲能裝置發(fā)揮著重要的作用，對于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定、電力的品質(zhì)和保證能量備用有重要的意義。因此在考慮經(jīng)濟成本和電網(wǎng)調(diào)度要求的基礎上，優(yōu)化光伏電站儲能容量配置十分必要。本次基于經(jīng)濟成本的問題提出成本經(jīng)濟函數(shù)，考慮儲能電池的容量問題、充放電最大功率的約束，以及調(diào)度計劃，可以滿足出力波動性的限制，也能夠保證光伏電站的經(jīng)濟性，優(yōu)化目標函數(shù)，確定最優(yōu)儲能容量，為光伏電站的儲能配置提供參考。

1 ?儲能電池的容量優(yōu)化

本次對儲能電池容量配置的優(yōu)化，目的是實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟成本，同時也是以滿足調(diào)度要求的基礎為基礎。本次研究構建成本函數(shù)，同時考慮光儲能站棄電能量和儲能電池的成本問題。光伏電站出力和參考出力波動的最大值依據(jù)調(diào)度中心的要求，對函數(shù)進行優(yōu)化，滿足經(jīng)濟成本的需求，獲得最小投資下的最優(yōu)儲能容量，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最優(yōu)化。

由于儲能電池容量的限制，以及最大充放電功率的約束，光儲電站在發(fā)電時必然會出現(xiàn)能量的損失[1-2]，損失主要包括：第一，在電池充電狀態(tài)下，t時間充滿儲能電池，不能繼續(xù)充入多余，只能舍棄。這部分舍棄的能量為S1。公式表示為：

第二，電池充電的t時刻，當實測出力和參考出力的差值高于，最大充電功率是儲能電池充電的限制條件，超出部分不能沖入，就需要舍棄這部分表示為S2。公式表示為：。

第三，在電池放電狀態(tài)，當達到放電深度，放電停止，多余電能就要舍棄。這部分舍棄的電能為S3。公式表示為。

第四，當實測出力和參考出力的差值低于-，放電受到最大放電功率的約束，超出部分就不能釋放，只能舍棄，這部分舍棄的電能為S4[3]。公式表示為：

儲能電池放電深度用D表示，儲能額定容量用E表示，儲能電池放電深度取值0.3，公式為。

光伏電站出力波動需要平抑，電池儲能技術不同，就會有不同的平抑效果，計算綜合成本，運行和維護成本用COM表示，投資成本用表示，儲能系統(tǒng)容量為E，儲能系統(tǒng)最大輸出功率為Pmax。公本文考慮到建設成本的問題，儲能電池使用釩電池，充電效率為0.7，投資成本和運行維修成本COM之和，就是儲能電池的成本C。[4]目標函數(shù)為儲能電池成本和棄電能量之和，公式為：。最大充放電的功率、儲能容量、光儲出力波動性是目標函數(shù)的約束條件。

儲能容量約束表示為：。

出力波動性約束表現(xiàn)為光儲聯(lián)合出力和參考出力之差，以表示置信水平，最大波動允許值表示為，t時間光儲聯(lián)合出力表示為，約束條件表示為：

最大充放電功率的約束條件表示為：。

2 ?算例分析

依據(jù)NREL光伏觀測站的一日實測數(shù)據(jù)，使用735個觀測點，進行二次擬合。出力參考值從中獲取。根據(jù)經(jīng)濟性的要求，計算最優(yōu)的儲能容量。進行算例分析，假設有光伏電站的總裝機容量為25MW，為5MW，為5MW，Wc和Wd分別為0.7，D為0.3，a1和a2分別為1，b1和b2分別是4和0.33。計算在不同波動性約束條件下，經(jīng)濟型函數(shù)和最佳的儲能容量。實際出力和參考出力都有較大的波動性，要平抑出力波動需要使用儲能裝置。隨著儲能容量的增加，棄電能量不斷下降，隨著儲能容量的增加，儲能成本也不斷上升，隨著儲能容量的增加，目標函數(shù)顯示先減少然后增加。通過優(yōu)化算法，能夠保證經(jīng)濟成本和最佳的儲能容量。顯示，平均每天電池滿充滿放大約兩次，曲線波動小的同時也可以保證電池的壽命。

假設在光伏電站調(diào)度中心中，要求波動性為5%和10%，使用同樣的方法對兩種情況進行優(yōu)化，以最佳儲能容量為基礎，計算其經(jīng)濟性的目標函數(shù)，保證其經(jīng)濟成本。在不同波動性下，計算系統(tǒng)優(yōu)化結果，5%波動性約束條件下，儲能成本為7.55萬美元，棄電損失2.55萬美元，最佳儲能容量為3.42 MW。在10%波動性約束條件下，儲能成本為7.24萬美元，棄電損失2.63萬美元，最佳儲能容量為3.38MW。在沒有波動性約束條件下，儲能成本為7.13萬美元，棄電損失2.71萬美元，最佳儲能容量為3.29MW。對出力波動性的要求越小，棄電損失也會減少，光儲聯(lián)合出力與出力參考值越接近。但同時需要的最佳儲能容量增加，儲能成本也會上升，相對應的儲能電池荷電狀態(tài)就會有更大的波動性，降低儲能電池的壽命[5]。

總之，在基于經(jīng)濟成本的條件下，分析光伏電站儲能容量的配置，依據(jù)經(jīng)濟性和儲能容量的選擇，提出相應的目標函數(shù)。通過算例反映出本次使用的優(yōu)化模型能夠達到相應的效果，在保證系統(tǒng)經(jīng)濟成本的同時，盡可能將輸出功率平滑輸出，將現(xiàn)有電網(wǎng)的運行調(diào)度和光伏出力相結合，提升對光伏出力的接納能力。波動性越小，最佳儲能容量越大，光儲電站的經(jīng)濟性也越差。

參考文獻：

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