用戶側(cè)電池儲(chǔ)能配置優(yōu)化方案研究*

嚴(yán) 鵬, 王 坤, 何 凱

(國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)江蘇有限公司, 江蘇 南京 210019)

0 引 言

目前,我國(guó)多地實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)政策,用戶在峰段時(shí)刻對(duì)用電的需求日益增加,大量負(fù)載接入電網(wǎng)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)壓力,在用戶側(cè)加裝儲(chǔ)能裝置對(duì)緩解電網(wǎng)壓力,對(duì)保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重要意義。此外,通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能配置,還能帶來(lái)各方面的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能的控制和經(jīng)濟(jì)性建模方面進(jìn)行深入的研究工作,并且基于不同的角度分析針對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景提供優(yōu)化配置方案及其經(jīng)濟(jì)性分析。

國(guó)內(nèi)方面,文獻(xiàn)[1]探討了用戶側(cè)儲(chǔ)能容量配置,對(duì)其應(yīng)用價(jià)值以及成本控制策略進(jìn)行分析并針對(duì)性地提出最優(yōu)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[2]從儲(chǔ)能應(yīng)用方面提出應(yīng)加強(qiáng)儲(chǔ)能運(yùn)行模擬、多重組合利用、集中和分散相結(jié)合等建議。文獻(xiàn)[3]根據(jù)運(yùn)行倍率、放電深度、循環(huán)壽命的關(guān)系,建立電池循環(huán)壽命模型,實(shí)現(xiàn)了等效評(píng)估峰谷套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)的循環(huán)壽命,然后基于該模型考慮電池更換次數(shù),以凈收益最大化為目標(biāo),建立儲(chǔ)能全生命周期的成本收益模型,并提出了用戶側(cè)儲(chǔ)能參與調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法。文獻(xiàn)[4]分析了當(dāng)前對(duì)分布式儲(chǔ)能的需求并提出運(yùn)營(yíng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案,按照省級(jí)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)與儲(chǔ)能管理平臺(tái)分開(kāi)部署,從總體架構(gòu)、物理架構(gòu)、功能架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)5方面開(kāi)展研究,對(duì)支撐平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)模型,以及運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)模塊和輔助決策模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[5]從電網(wǎng)全環(huán)節(jié)出發(fā),建立了基于全壽命周期成本-效益現(xiàn)值法的用戶側(cè)儲(chǔ)能綜合效益模型,并結(jié)合算例分析了其經(jīng)濟(jì)可行性,最后,結(jié)合經(jīng)濟(jì)模型的盈虧平衡點(diǎn)預(yù)測(cè)了用戶側(cè)儲(chǔ)能的市場(chǎng)規(guī)模。文獻(xiàn)[6]從儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值的角度詳細(xì)分析了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景,結(jié)合典型國(guó)家電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能政策環(huán)境和中國(guó)電力體制改革情況分析,考慮投資主體、成本、電價(jià)等因素,研究提出了中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能潛在的典型商業(yè)模式及相關(guān)政策建議,引導(dǎo)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能健康有序發(fā)展。

國(guó)外方面,文獻(xiàn)[7]提出了將可再生能源(如風(fēng)能)整合到現(xiàn)有電網(wǎng)中的用戶側(cè)需求儲(chǔ)能管理方法,不同規(guī)模的分布式儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)本地可再生能源供應(yīng)商的調(diào)度,考慮了單位規(guī)模的減少會(huì)導(dǎo)致更多的信息需求和流量,以確保在本地電網(wǎng)約束范圍內(nèi)進(jìn)行充分控制,最后通過(guò)市場(chǎng)模型對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[8]研究了針對(duì)用戶側(cè)的最佳儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和針對(duì)聚集器的最佳單價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)問(wèn)題,通過(guò)數(shù)值研究得出,儲(chǔ)能可以減少主電網(wǎng)的能量負(fù)荷并減少峰值功率。文獻(xiàn)[9]提出一種考慮了發(fā)電、存儲(chǔ)和可移動(dòng)設(shè)備調(diào)度的組合性質(zhì)的居民區(qū)能耗調(diào)度。時(shí)移設(shè)備的調(diào)度策略集本質(zhì)上是離散的和組合的,因此使用優(yōu)化單個(gè)用戶支付功能的粒子群算法,結(jié)果證明了該方法在降低能源價(jià)格和系統(tǒng)峰值方面的有效性,同時(shí)考慮用戶的隱私和舒適性。

因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)于各類儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景與需求管理等方面已經(jīng)有相當(dāng)多的研究。本文重點(diǎn)研究用戶側(cè)儲(chǔ)能配置策略以及對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

1 用戶側(cè)儲(chǔ)能配置原則分析

電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用廣泛,通過(guò)靈活配置,從而在功率和能量上滿足不同用戶需求。電化學(xué)儲(chǔ)能響應(yīng)速度快,對(duì)電能直接進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放,不受地理地形條件的限制。根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的類型與容量可以選擇多種不同類型的電池,每種電池具有各自特點(diǎn),根據(jù)化學(xué)物質(zhì)不同可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池儲(chǔ)能等。電化學(xué)儲(chǔ)能目前面臨的問(wèn)題是電池的使用壽命不長(zhǎng),投資成本昂貴,因此有必要通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高收益。

在配電網(wǎng)建設(shè)方面,工業(yè)用電量大,負(fù)荷特性穩(wěn)定,負(fù)荷本身不存在峰谷差;居民用電量小、負(fù)荷大,負(fù)荷特性較差,會(huì)形成負(fù)荷峰谷差。電網(wǎng)設(shè)備的利用效率與峰谷差值大小有關(guān),降低峰谷差值,可以有效減少電網(wǎng)的建設(shè)成本。因此,與工業(yè)用電對(duì)比,峰谷差對(duì)居民用電的配電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)影響更大,為了提高配電網(wǎng)的設(shè)備利用效率,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)著重用于居民負(fù)荷側(cè)。

針對(duì)居民用戶負(fù)荷,以鉛酸電池、全釩液流電池和鋰電池為主的儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置要遵循按所在區(qū)域居民最大負(fù)荷的30%、充放電時(shí)間2～3 h的原則。供電模式以配電變壓器為主,配置的儲(chǔ)能類型主要為功率型,儲(chǔ)能裝置僅在高峰時(shí)段使用。

一般儲(chǔ)能系統(tǒng)是在用電低谷時(shí)存儲(chǔ)電能,在用電高峰時(shí)刻給用戶供電;當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)投入運(yùn)行后,相當(dāng)于在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整,不僅能夠?qū)ω?fù)荷的變化作出快速響應(yīng),而且可以降低電網(wǎng)負(fù)載率,提高系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施利用率。儲(chǔ)能系統(tǒng)給用戶供電和對(duì)電廠進(jìn)行調(diào)頻時(shí),一般對(duì)多個(gè)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃,根據(jù)用戶的用電需求,完成相應(yīng)的調(diào)度。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)由擾動(dòng)導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率偏差時(shí),一般由發(fā)電機(jī)組自動(dòng)響應(yīng)頻率變化,調(diào)整出力。但是發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)速度相對(duì)較慢,且調(diào)整出力過(guò)大,不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能裝置投運(yùn)后,可在很大程度上彌補(bǔ)依靠發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)速度慢的不足,快速響應(yīng)頻率偏差,減小頻率偏差,提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性收益評(píng)估方法

2.1 儲(chǔ)能成本模型

對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本計(jì)算,可以使用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等年值計(jì)算式作為目標(biāo)函數(shù):

minAc=(Pbessα+Ebessβ)

(1)

(2)

式中:Ac——蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等年值;

Pbess——儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率規(guī)劃值;

α——儲(chǔ)能系統(tǒng)分期償還功率投資成本;

Ebess——儲(chǔ)能容量規(guī)劃值;

β——儲(chǔ)能分期償還容量投資成本;

Ce——儲(chǔ)能系統(tǒng)容量投資成本;

T——儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命;

Cm——維護(hù)成本;

λ——儲(chǔ)能系統(tǒng)功率投資與容量投資費(fèi)用比。

不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和運(yùn)行方式各不相同,使用壽命也不同,而儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命年限直接影響到系統(tǒng)的投資成本與收益。一般影響電池使用壽命的因素有放電深度和充放電次數(shù)。為了更加合理地評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本,建立了電池壽命的計(jì)算模型。當(dāng)電池容量下降到額定容量的80%時(shí),認(rèn)為其壽命達(dá)到極限,根據(jù)電池的循環(huán)壽命與放電深度的函數(shù)關(guān)系,可以得出電池經(jīng)過(guò)N次充放電后的剩余壽命Tres為

(3)

式中:Kcyc,D(i)——放電深度為D(i)時(shí)電池循環(huán)壽命。

為了延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用年限,提高系統(tǒng)總體收益,一般給定充放電功率和充放電狀態(tài)的最大值和最小值來(lái)延長(zhǎng)電池使用壽命。各約束條件:

Pb,min≤Pb,t≤Pb,max

(4)

Pb,min=-|Pbess|,Pb,max=Pbess

(5)

Ebess·SOCmin≤Eb,t≤Ebess

(6)

Eb,t=Eb,t-1+ηchPb,t

(7)

Eb,t=Eb,t-1-Pb,t/ηdis

(8)

式中:Pb,t——時(shí)段t內(nèi)儲(chǔ)能充電放電功率;

Pb,max——儲(chǔ)能設(shè)備充放電功率的最大值;

Pb,min——儲(chǔ)能設(shè)備充放電功率的最小值;

Pbess——儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率;

Ebess——儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量值;

SOCmin——儲(chǔ)能設(shè)備充放電狀態(tài)的最小值;

Eb,t——時(shí)段t內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量;

ηch——儲(chǔ)能系統(tǒng)充電效率;

ηdis——儲(chǔ)能系統(tǒng)放電效率。

不同電池儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)構(gòu)成與成本也各不相同。系統(tǒng)造價(jià)一般由運(yùn)行系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等建造成本構(gòu)成,此外還有電池成本和維護(hù)成本。

2.2 儲(chǔ)能收益模型

(1) 削峰填谷收益。用戶把高峰需求抑制到最低或轉(zhuǎn)移高峰需求到低谷段,不僅不會(huì)帶來(lái)電量消耗的變化,還能起到移峰填谷的作用,由于低谷段的電價(jià)比高峰段低,其中的差值可帶來(lái)收益。削峰填谷收益EP為

EP=Ebess(Pp-Pv)D

(9)

式中:Ebess——儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量值;

Pp——峰段電價(jià);

Pv——谷段電價(jià);

D——儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行天數(shù)。

(2) 調(diào)頻運(yùn)行收益。調(diào)頻模式儲(chǔ)能充放頻繁,相較于削峰填谷電價(jià)模式,其放電深度更淺,循環(huán)次數(shù)更多。加入儲(chǔ)能系統(tǒng)參加電廠調(diào)頻后,電網(wǎng)調(diào)頻能夠快速響應(yīng),平穩(wěn)提高電廠出力以及負(fù)荷率。調(diào)頻收益Ef為

Ef=(Pc+Pmm)CaTf

(10)

式中:Pc——調(diào)頻容量單價(jià);

Pm——調(diào)頻里程單價(jià);

m——調(diào)頻里程;

Ca——調(diào)頻容量;

Tf——調(diào)頻運(yùn)行的時(shí)段。

(3) 可靠性收益。儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)后,相當(dāng)于在配電網(wǎng)中配置大量的電源,其輸出電壓、功率得到有效控制,有利于改善配電網(wǎng)中的低電壓?jiǎn)栴}。同時(shí)電力系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行,供電區(qū)域可靠性得到保障,避免出現(xiàn)大面積停電,而由于停電次數(shù)與時(shí)間的減少,系統(tǒng)每年可為用戶提供更多的電量。可靠性供電收益Er主要來(lái)源于多供電量帶來(lái)的輸配電效益和儲(chǔ)能收益:

Er=ΔQPQT

(11)

式中: ΔQ——多供電量;

PQ——單位平均電價(jià);

T——儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命。

3 算例分析

為了研究不同電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)的收益,針對(duì)用戶側(cè)電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析,選取了鉛酸電池、全釩液流電池和鋰離子電池3種儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同類型的電池具有不同的性能參數(shù),3種電池所組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命與造價(jià)也不相同,其中全釩液流電池的全生命周期最大充放電次數(shù)最多,為9 000次;鋰離子電池次之,為4 000次;鉛酸電池的充放電次數(shù)較少,一般為1 800次。各儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)如表1所示。

表1 各儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)

由表1可見(jiàn),鉛酸電池投資成本最低,鋰離子電池次之,全釩液流電池最高,但同時(shí)使用壽命也最長(zhǎng)。在這3種電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)中,只有鋰離子電池具備每日多次充放電循環(huán)運(yùn)行的條件。

使用3種不同的電池分別設(shè)計(jì)了3種儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。方案一中配置了容量為1 MW/2 MWh的鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng),可每日完全充放電一次;方案二配置了容量為4 MW/8 MWh的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng),同樣只能每日完全充放電一次;方案三配置了容量為0.5 MW/1 MWh的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng),鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)每日多次充放電循環(huán),但本方案采取單日完全充放電一次的策略。

峰谷電價(jià)也稱“分時(shí)電價(jià)”,是在高峰用電時(shí)電價(jià)較高,而在低谷用電時(shí)電價(jià)低的一種電價(jià)機(jī)制。根據(jù)蘇價(jià)工[2018]89號(hào)文件約定,江蘇省高峰時(shí)間段為8∶00～12∶00,17∶00～21∶00;平峰時(shí)間段為12∶00～17∶00,21∶00～24∶00;低谷時(shí)間段為0∶00～8∶00。用戶峰平谷段電價(jià)如表2所示。

考慮鉛酸電池充放電效率為70%,全釩液流電池充放電效率為70%,鋰電池的充放電效率為80%。一般儲(chǔ)能系統(tǒng)在低谷時(shí)作為負(fù)載進(jìn)行充電,然后在峰段作為電源進(jìn)行放電,供附近的用戶使用,起到削峰填谷的作用。通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期內(nèi)充放電電量,可得到3種系統(tǒng)削峰填谷收益。

選取調(diào)頻容量單價(jià)為100元/MW,調(diào)頻里程為2.75,單位時(shí)間調(diào)頻里程單價(jià)為15元/MW,結(jié)合式(11)可求得3種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻運(yùn)行收益。

若儲(chǔ)能系統(tǒng)每天在低谷負(fù)荷時(shí)充電,在高峰負(fù)荷時(shí)放電,對(duì)于可靠性方面,使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)理論上每年可減少用戶故障停電25 h,結(jié)合各儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命可得到可靠性收益。3種儲(chǔ)能系統(tǒng)各項(xiàng)收益如圖1所示。

由圖1可見(jiàn),電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要收益來(lái)源于削峰填谷獲得的電價(jià)差收益。在3種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中,全釩液流電池的各項(xiàng)收益是最高的,這與儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的全壽命周期長(zhǎng)有很大關(guān)系;與全釩液流電池系統(tǒng)相比,鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)各項(xiàng)收益不顯著,但因系統(tǒng)本身造價(jià)與維護(hù)成本不高,可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的收益;鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)收益很低,如果增加鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)每日充放電循環(huán)次數(shù),按照每日充放電循環(huán)2～3次模式運(yùn)行,其靜態(tài)投資回收期可以大大縮短。但是鋰離子電池的壽命會(huì)隨著每日充放電次數(shù)的增加而縮短,而且由于系統(tǒng)每日充放電循環(huán)次數(shù)增加,電池不可避免地會(huì)在峰段充電、在谷段放電,間接減少經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究用戶側(cè)儲(chǔ)能配置策略以及對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的原則。通過(guò)研究?jī)?chǔ)能對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻的影響得出儲(chǔ)能系統(tǒng)可使電網(wǎng)更加穩(wěn)定可靠運(yùn)行。研究了鉛酸電池、全釩液流電池和鋰離子電池3種儲(chǔ)能系統(tǒng),全釩液流電池收益最高,但是要運(yùn)行2～3年才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)收益;鉛酸電池收益次之,且投運(yùn)1年即可收回成本,但是電池充放電次數(shù)少,儲(chǔ)能系統(tǒng)工作壽命短;鋰離子電池收益不顯著,但可通過(guò)單日多次充放電循環(huán)來(lái)縮短收益周期。