并網(wǎng)型光伏
--儲能微電網(wǎng)優(yōu)化配置研究

協(xié)鑫集團設計研究總院■王典 李義強 王惠 田擁軍 鄧偉 王彬彬

0 引言

微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的補充，不但具有靠近用戶側(cè)、靈活、抗災能力強等特點，而且還可以提高可再生能源的利用率。近年來，由于光伏發(fā)電具有清潔、可再生性，以光伏為主的微電網(wǎng)發(fā)展迅速。但由于光伏發(fā)電受天氣、溫度等多種環(huán)境因素的影響，具有波動性。為了保證供電的可靠性，光伏微電網(wǎng)需要配置合理容量的儲能裝置。

不同于獨立型微電網(wǎng)，并網(wǎng)型微電網(wǎng)的優(yōu)化配置具有以下特點：1)并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可獨立運行，且以并網(wǎng)運行為主；2)微電網(wǎng)作為自治系統(tǒng)，需要具備足夠的自發(fā)自用能力，且運行中與外電網(wǎng)的交換電量受限[1]。GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中要求，“微電網(wǎng)應具備一定電力電量自平衡能力，分布式發(fā)電年發(fā)電量不宜低于微電網(wǎng)總用電量的30%，微電網(wǎng)模式切換過程中不應中斷負荷供電，獨立運行模式下向負荷持續(xù)供電時間不宜低于2 h”。儲能是光伏-儲能微電網(wǎng)中削峰填谷和降低微電網(wǎng)與電網(wǎng)交換電量的關鍵設備，為了滿足微電網(wǎng)的獨立供電能力，儲能容量不能配置太小，但配置太多又必然會降低系統(tǒng)的經(jīng)濟性，因此，針對具體負荷需求，研究光伏-儲能微電網(wǎng)中光伏和儲能容量的大小與經(jīng)濟性的關系，對光伏-儲能微電網(wǎng)的推廣具有重要意義。

本文主要針對并網(wǎng)型光伏-儲能微電網(wǎng)的優(yōu)化配置進行研究，基于全年逐時電(含冷、熱)負荷，以平準化度電成本最小為目標，以孤網(wǎng)運行時間、年最低發(fā)電量和年電量交換率等為約束條件建立模型，對工商業(yè)、住宅等不同場景進行模擬，在分時電價的基礎上研究光伏-儲能系統(tǒng)的最佳容量配置方法，并分析不同儲能策略對并網(wǎng)型微電網(wǎng)經(jīng)濟性和可靠性的影響，最終給出不同場景下的微電網(wǎng)最佳容量配置及適用性評價。

1 系統(tǒng)模型

在項目經(jīng)濟性評價方法中，平準化度電成本(LCOE)，也稱度電成本，是一項用于分析各種發(fā)電技術成本的主要指標。美國國家可再生能源實驗室對平準化度電成本的定義為：發(fā)電項目在運營期內(nèi)發(fā)生的所有成本與全部發(fā)電量的比值。由于平準化度電成本是單位電力的均衡價格，計算結(jié)果與發(fā)電技術無關，因此，可將其用于多個項目精確的橫向比較。對于分布式電源的微電網(wǎng)來說，平準化度電成本是一項重要的經(jīng)濟性指標[2]。

對于光伏-儲能微電網(wǎng)而言，其度電成本L的定義為：光伏-儲能系統(tǒng)總成本與用戶總用電量的比值，即單位電量的成本。L可表示為：

式中，C0為初始投資成本；Cm為年運行維護成本；CT為光伏-儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交易成本；W為年總用電量；ICRF為等年值系數(shù)，可用式(2)表示為：

式中，r為折現(xiàn)率，取5%；N為相應設備的壽命周期。

1)初始投資成本可表示為：

式中，Ppv為光伏陣列的裝機容量；Pes為儲能設備的裝機容量；Es為儲能容量；δ1、δ2分別為光伏陣列和儲能設備單位額定功率的初投資成本；δ3為儲能設備的單位可存儲容量投資成本。

2)年運行維護成本可表示為：

式中，Wpv為太陽電池的年發(fā)電量；Wes為儲能設備的年充放電量總和；δ4、δ5分別為光伏陣列單位發(fā)電量和儲能設備單位充放電量的運行成本。

3)光伏-儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交易成本可表示為：

式中，Cbuy為購電成本，可利用式(6)求得；Csell為售電成本，可利用式(7)求得。

式中，pt,buy為t時刻的購電電價，是考慮實時峰、谷、平的電價；Wt,buy為t時刻的購電電量；T為年度總小時數(shù)，取8760。

式中，pt,sell為t時刻向大電網(wǎng)售電電價 (即脫硫脫硝電價+光伏補貼)；Wt,sell為t時刻的售電電量。

1.1 優(yōu)化配置模型

1.1.1 目標函數(shù)

使光伏-儲能微電網(wǎng)的度電成本L達到最小，即：

1.1.2 約束條件[3-5]

1)功率平衡約束條件為：

式中，Psd,t為儲能t時刻的放電功率；Psc,t為儲能t時刻的充電功率；Pbuy,t、Psell,t分別為微電網(wǎng)t時刻的購電、售電功率；Ppv,t為t時刻的光伏發(fā)電功率；Pl,t為微電網(wǎng)t時刻的總負荷。

2)儲能的約束條件包括儲能設備的裝機容量和儲能t時刻的剩余容量兩方面。

儲能設備的裝機容量需滿足：Pesmin≤Pes≤Pesmax。

儲能t時刻的剩余容量Es,t可表示為：

式中，ηc、ηd分別為儲能充、放電效率；ΔT為時間步長，取1 h；Es,t-1為儲能在t-1時刻的剩余容量。

儲能t時刻的剩余容量的最大、最小限值需滿足：ε1Es≤Es,t≤εhEs。

其中，ε1、εh分別為儲能的最小、最大剩余容量率，分別取0和95%。

3)可靠性約束涉及到電量交換率。電量交換率R可表示為：

式中，Wbuy、Wsell分別為年購電總量和售電總量。

電量交換率限值R0需滿足R0≥R。

1.2 光伏功率系數(shù)的確定[6]

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率主要由日輻射強度及電池溫度決定，其發(fā)電特性不僅具有隨機性和間歇性，且不能調(diào)度，季節(jié)、氣候的變化會使輸出功率產(chǎn)生較大變化。

環(huán)境溫度與組件工作溫度的關系可表示為[2]：

式中，TC為組件工作溫度；Ta為環(huán)境溫度；G為光照強度；C2為一個系數(shù)，通常取0.03。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率可表示為：

式中，GAC為光輻射強度；PSTC為標準測試條件(太陽輻照度為1 kW/m2、環(huán)境溫度為25 ℃)下的最大測試功率；GSTC為標準測試條件下的光輻射強度，取1 kW/m2；k為功率溫度系數(shù)，取-0.47%/K；Tr為參考溫度，取25 ℃。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率系數(shù)可表示為：

1.3 系統(tǒng)容量邊界

1)光伏裝機容量下限約束條件。根據(jù)GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中第4.1條的要求，微電網(wǎng)應具備一定電力電量自平衡能力，分布式發(fā)電年發(fā)電量不宜低于微電網(wǎng)總用電量的30%。則最小光伏裝機容量為：

其中，光伏年等效發(fā)電小時數(shù)是由光伏逐時發(fā)電系數(shù)累加得到的。

2)儲能容量下限約束條件。GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中規(guī)定：微電網(wǎng)模式切換過程中不應中斷負荷供電，獨立運行模式下向負荷持續(xù)供電時間不宜低于2 h。為滿足這一要求，將逐時負荷與光伏逐時發(fā)電量作差，得到逐時的用電差值，將連續(xù)2 h的差值累加，得到一系列數(shù)據(jù)，將其中的最大差值作為儲能容量的下限。計算式可表示為：

式中，Lt為t時刻的用電負荷；Pt為t時刻的光伏發(fā)電量；j為時刻。

1.4 儲能工作策略

儲能工作策略包括經(jīng)濟性最佳策略和可靠性最佳策略。

1)經(jīng)濟性最佳策略：儲能發(fā)揮削峰填谷的作用，充分利用峰谷價差，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。即儲能只在低谷電價時段和光伏發(fā)電多余時充電，在高峰時段放電。

2)可靠性最佳策略：儲能發(fā)揮平抑光伏發(fā)電波動性和減少高峰從電網(wǎng)購電的作用，最大化消納光伏發(fā)電，以便于最大限度地保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運行。即儲能只在光伏發(fā)電多余時充電，在電網(wǎng)電力自給不足時放電。

2 算例仿真與結(jié)果分析

2.1 典型仿真場景

選取上海地區(qū)面積分別為1萬m2的辦公建筑、酒店建筑和居民住宅建筑，采用DEST軟件模擬3類建筑的全年逐時用電負荷曲線，具體如圖1～圖3所示。

圖1 辦公建筑的全年逐時用電負荷

圖2 酒店建筑的全年逐時用電負荷

圖3 住宅建筑的全年逐時用電負荷

根據(jù)上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，計算得到上海地區(qū)光伏全年逐時效率系數(shù)，如圖4所示。

圖4 上海地區(qū)光伏全年逐時效率系數(shù)

2.2 設備參數(shù)及成本

計算光伏發(fā)電系統(tǒng)成本時，壽命期按20年計算。計算儲能設備成本時，選取三元鋰電池，存儲容量能夠以額定功率連續(xù)充放電3 h，放電深度為95%，可以充放電6000次；若按照每天充放電2次估算，則其壽命為取整數(shù)為8年。計算所需數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

2.3 購售電電價

購電電價選取上海市的實時電價。上海工商業(yè)電價在非夏季和夏季峰、平、谷時段的電價如表3所示，其中，夏季季節(jié)性電價在每年的7月1日～9月30日之間調(diào)整執(zhí)行，本文以2017年電價為準。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能設備的成本

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能設備的等年值系數(shù)

表3 上海市一般工商業(yè)電價

上海居民購電電價如表4所示。

表4 上海居民購電電價

售電電價為“脫硫燃煤標桿電價+國家光伏發(fā)電補貼”，其中，脫硫燃煤標桿電價為0.4元/kWh，國家光伏發(fā)電補貼為0.37元/kWh。

2.4 結(jié)果分析

1)首先，在光伏裝機容量固定的情況下，研究3種類型建筑的儲能容量和度電成本的關系，具體如圖5～圖7所示。

圖5 辦公型建筑中儲能容量與度電成本L的關系

圖6 酒店型建筑中儲能容量與度電成本L的關系

圖7 住宅型建筑中儲能容量與度電成本L的關系

由圖5～圖7可知，在光伏裝機容量固定的前提下，系統(tǒng)度電成本L隨儲能容量的增加而增加。因此，在滿足微電網(wǎng)建設規(guī)范中孤網(wǎng)運行小時數(shù)和與電網(wǎng)年電量交換率等要求的前提下，儲能配置越小，經(jīng)濟性越好。

在光伏裝機容量為1500 kW時，度電成本L出現(xiàn)了負值，這主要是由于系統(tǒng)收益較好，所以在20年的光伏發(fā)電系統(tǒng)有效壽命期內(nèi)，度電成本L才會出現(xiàn)負值。

2)GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中要求，微電網(wǎng)應該滿足獨立運行連續(xù)2 h供電的需求，基于上文的研究結(jié)果，選取3種類型建筑連續(xù)2 h最大實際電負荷需求作為儲能最小配置容量，在光伏裝機容量固定的情況下，此儲能容量即為最佳配置容量。

基于上述分析，當儲能滿足規(guī)定要求的最佳配置容量時，分別研究光伏裝機容量和度電成本L的關系，以及光伏裝機容量同光伏-儲能微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率之間的關系，具體如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知，在儲能最佳配置容量下，度電成本L隨著光伏裝機容量的增加而減小。因此，在項目實際場地和電網(wǎng)接入條件允許的前提下，光伏-儲能微電網(wǎng)中的光伏裝機容量越大越好；光伏-儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交換率隨著光伏裝機容量的增加，先降低后增加，存在最優(yōu)值。

圖8 辦公型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(經(jīng)濟性最佳)

圖9 酒店型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(經(jīng)濟性最佳)

圖10 住宅型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(經(jīng)濟性最佳)

3)根據(jù)《推進微電網(wǎng)并網(wǎng)的試行辦法》，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交換電量最好不要超過年用電量的50%，我們發(fā)現(xiàn)，3種建筑類型均未滿足這一約束的合理配置。這是由于前述儲能策略的設定是以經(jīng)濟性為前提，即儲能只能在夜間低谷電價時段充電，白天高峰電價時段放電，所以交換電量較多，超過年用電量的50%。

基于上述分析，將儲能經(jīng)濟性最佳策略調(diào)整為可靠性最佳策略，得到相同配置下光伏裝機容量與微電網(wǎng)的度電成本L的關系，以及光伏裝機容量同微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率之間的關系，具體如圖11～圖13所示。

通過將圖11～圖13與圖8～圖10進行對比可知：

1)在調(diào)整儲能工作策略后，微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率明顯降低，在一定裝機容量內(nèi)辦公型建筑的年電量交換率降至50%以下，但在酒店型建筑和住宅型建筑中，二者之間的交換電量仍未達到《推進微電網(wǎng)并網(wǎng)的試行辦法》中低于50%的要求，因此在上海地區(qū)，酒店型建筑和住宅型建筑中光伏-儲能微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率較大，需要采取其他措施來滿足規(guī)范的要求。

2)因調(diào)整儲能工作策略后，不再以經(jīng)濟性為前提，所以微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率雖然明顯降低，但其度電成本L卻隨之增加。因此，在建設光伏-儲能微電網(wǎng)時，可根據(jù)建設方和電網(wǎng)等相關部門的具體要求，設置儲能的具體工作策略。

圖11 辦公型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(可靠性最佳)

圖12 酒店型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(可靠性最佳)

圖13 住宅型建筑中光伏裝機容量與度電成本L和年電量交換率的關系(可靠性最佳)

3 結(jié)論

本文建立了光伏-儲能微電網(wǎng)的經(jīng)濟性模型，并以上海地區(qū)3種類型建筑為研究對象，分析了該種微電網(wǎng)應用于這3類建筑時的經(jīng)濟性和適用性。得出以下結(jié)論：

1)在滿足規(guī)范相關要求的前提下，儲能配置越小，微電網(wǎng)的經(jīng)濟性越好；在儲能最佳配置容量下，光伏裝機容量越大，微電網(wǎng)的經(jīng)濟性越好。

2)可分別以經(jīng)濟性最佳或可靠性最佳為前提，設置儲能的不同工作策略。儲能低谷充電、高峰放電策略的經(jīng)濟性好，但會使微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率增加；儲能可靠性最佳策略的經(jīng)濟性較差，但會使微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率降低。

3)辦公型建筑的負荷特性相比酒店型建筑和住宅建筑而言，更易滿足并網(wǎng)型微電網(wǎng)的規(guī)范要求。