德國(guó)家用光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能預(yù)測(cè)及運(yùn)行策略

0 引言

福島核事故后，德國(guó)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到能源轉(zhuǎn)型的重要性。近年來(lái)，德國(guó)的能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，到目前為止，德國(guó)40%以上的電力來(lái)自風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等可再生能源。能源轉(zhuǎn)型的其中一個(gè)目標(biāo)就是到2035 年德國(guó)55%～60%的電力供應(yīng)必須來(lái)自可再生能源。但可再生能源應(yīng)用存在的問(wèn)題就是用電與發(fā)電并不同步，因此，儲(chǔ)能可以作為平衡發(fā)電波動(dòng)的一種解決方案。家庭也可以為能源轉(zhuǎn)型做出巨大貢獻(xiàn)，對(duì)于擁有光伏設(shè)施的家庭來(lái)說(shuō)，由于上網(wǎng)電價(jià)和銷(xiāo)售電價(jià)的價(jià)格差異，使用自家光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力比從電網(wǎng)購(gòu)電更便宜，所以，購(gòu)入電池，將儲(chǔ)能與家用光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)提高能量的自產(chǎn)自銷(xiāo)，可以成為一種比較經(jīng)濟(jì)的選擇。但是由于電池價(jià)格昂貴，如何合理利用電池來(lái)提高電池的使用效率也成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。自2013年以來(lái)，德國(guó)的光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（PV BESS）逐漸增多，目前已經(jīng)超過(guò)5 萬(wàn)臺(tái)。由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)價(jià)格下降[1-2]，上網(wǎng)電價(jià)下降[3]，銷(xiāo)售電價(jià)上升[4]，光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越好。如果采用合理的運(yùn)行策略，家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生積極的影響[5]。眾多研究表明，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略可以提高家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。例如，通過(guò)預(yù)測(cè)，計(jì)算出第二天晚上所需的電量，以此作為電池最大存儲(chǔ)量來(lái)降低電池的平均荷電狀態(tài)（SOC），可以在無(wú)需大幅度降低自耗率的情況下，顯著提高光伏電池存儲(chǔ)系統(tǒng)中鋰電池的使用壽命，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[6]。此外，為了進(jìn)一步緩解電網(wǎng)壓力，德國(guó)KfW 集團(tuán)為光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（PV BESS）提供一個(gè)新資助計(jì)劃，條件之一就是要求光伏入網(wǎng)功率不超過(guò)光伏發(fā)電設(shè)備額定功率的50%[1]。對(duì)于家用光伏系統(tǒng)，超過(guò)這個(gè)入網(wǎng)限定的能量將被丟棄。HTW Berlin 的一項(xiàng)研究表明，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略可以減少由于入網(wǎng)限制而造成的棄能，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[7]。

德國(guó)聯(lián)邦統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)表明，獨(dú)立式住宅仍是德國(guó)目前最主要的居住形式，超過(guò)31%的私人家庭都擁有一棟獨(dú)立式住宅。本文主要以德國(guó)某獨(dú)立式住宅建筑案例為研究對(duì)象，介紹家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，并通過(guò)Matlab 結(jié)合Simulink 建模，以直流耦合家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，氣象及能耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為模型輸入，通過(guò)仿真模擬，分析研究不同的運(yùn)行管理策略帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，為中國(guó)家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒和參考。

1 案例概述

本文研究的案例是位于德國(guó)林登堡的一個(gè)四口之家。該獨(dú)立式住宅總面積為135 m2，屋頂面積為96 m2，在沒(méi)有假期的情況下用電負(fù)荷為每年4 500 kWh。光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)采用了2004 年林登堡的太陽(yáng)輻射情況，光伏設(shè)備由尚德電力STP210-18/Ud的多晶光伏板組成，使用壽命為25年，額定功率為5 kW。逆變器采用Voltwerk 品牌，額定功率為5 kW。鋰離子電池組由制造商SAFT 生產(chǎn)（型號(hào)VL45E，容量50 Ah）的電池組成，在建模仿真中，采用56 塊標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6 V 的電池串聯(lián)在一起，電池容量為10.08 kWh[6]。

2 家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型建立

本研究中的家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的是直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接方式。如圖1 所示，該系統(tǒng)由屋頂光伏發(fā)電模型（PV）、家庭用電負(fù)荷模型（LOAD）、電池模型（BATTERY）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等模塊組成。根據(jù)房子所在地的相關(guān)輻射和溫度數(shù)據(jù)[8]，用PV 模型計(jì)算PV 系統(tǒng)的直流輸出。用電負(fù)荷模型提供了該案例中德國(guó)家庭按時(shí)間順序解析的電能消耗數(shù)據(jù)[8]。電池模型會(huì)根據(jù)充放電情況體現(xiàn)不同的電池老化情況。電池模型采用了SAFT VL45E型鋰電池的參數(shù)，但這些電池的壽命并不代表其他鋰電池的壽命[6]。市場(chǎng)上光伏家庭存儲(chǔ)系統(tǒng)用的鋰電池的平均壽命低于本研究模型的結(jié)果。所以，在該系統(tǒng)模型中，電池的老化根據(jù)制造商數(shù)據(jù)給出的平均壽命來(lái)設(shè)定[9]。能源管理系統(tǒng)控制該系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，能夠?qū)⒉煌目刂七\(yùn)行策略應(yīng)用于系統(tǒng)中。該系統(tǒng)中各種模型的建模均通過(guò)真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)置。模擬仿真時(shí)間為365 d，步長(zhǎng)為1 s。

圖1 家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型圖

3 控制運(yùn)行策略分析

隨著光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在家庭居住建筑中的日益普及，為了更好地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行管理策略需求也逐漸增加。本文對(duì)以下幾種運(yùn)行策略進(jìn)行了研究。

3.1 無(wú)電池的家用光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略

首先，研究了無(wú)電池儲(chǔ)能的家用光伏系統(tǒng)，以此為參照來(lái)對(duì)比采用電池儲(chǔ)能所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。光伏發(fā)電優(yōu)先滿足家庭的直接電力消耗，剩余功率定義為光伏發(fā)電功率減去電力消耗功率的值。若電網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處的剩余功率為正，則剩余功率將輸送到電網(wǎng)。若剩余功率為負(fù)，則這個(gè)缺口由電網(wǎng)送電來(lái)補(bǔ)充。在中午太陽(yáng)輻射最大時(shí)光伏發(fā)電達(dá)到高峰，剩余功率直接入網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的負(fù)擔(dān)。所以德國(guó)KfW 集團(tuán)提出新的資金資助計(jì)劃，來(lái)鼓勵(lì)用戶限制光伏入網(wǎng)功率[1]。因此，引入入網(wǎng)功率限制Pcutoff，所有超過(guò)Pcutoff的能量將會(huì)被截?cái)?，不再輸入電網(wǎng)，這部分能量定義為截?cái)嗄芰?。?dāng)沒(méi)有電池存儲(chǔ)多余電力時(shí)，剩余功率高于入網(wǎng)功率限制的部分將會(huì)被棄用。

3.2 家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略

3.2.1 無(wú)預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略

因?yàn)樯暇W(wǎng)電價(jià)和民用電價(jià)的差異，為了提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該盡可能地提高能量的自產(chǎn)自銷(xiāo)。所以本運(yùn)行策略中，電池會(huì)在白天盡可能多地存儲(chǔ)能量，在夜間通過(guò)放電來(lái)滿足家庭能耗需求。若剩余功率為正，且電池的充電狀態(tài)小于100%，則利用剩余功率對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池荷電狀態(tài)達(dá)到100%時(shí)，多余的剩余功率將輸送給低壓電網(wǎng)。若剩余功率為負(fù)，且電池充電狀態(tài)大于0%，則電池會(huì)進(jìn)行放電滿足家庭需要。如果所需要的功率大于電池的最大放電量，缺少的部分將由電網(wǎng)提供。如圖2（1）所示，在太陽(yáng)輻射充足的時(shí)候，電池在上午的荷電狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到了最大荷電狀態(tài)，而最高的太陽(yáng)輻射還沒(méi)有達(dá)到。隨后，光伏系統(tǒng)將剩余的能量輸送到電網(wǎng)。因?yàn)槿刖W(wǎng)功率限制Pcutoff存在，在沒(méi)有預(yù)測(cè)的情況下，會(huì)有部分多余能量因?yàn)槌^(guò)Pcutoff而被棄用。為了減少能源浪費(fèi)，延長(zhǎng)電池壽命，將對(duì)晚上的能量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2.2 基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略

從文獻(xiàn)可知，較高的SOC 會(huì)加快存儲(chǔ)老化[10]。為了提高電池壽命，應(yīng)該盡量降低平均SOC。在本運(yùn)行策略中，通過(guò)預(yù)測(cè)在夜間消耗所需的電量，計(jì)算出每天最大荷電狀態(tài)SOCmax，使充電量剛好滿足夜間的能源需求，以此來(lái)限制電池每天充放電情況。若剩余功率為正時(shí)，電池荷電狀態(tài)小于SOCmax，則利用剩余功率對(duì)電池進(jìn)行充電；當(dāng)電池荷電狀態(tài)達(dá)到SOCmax時(shí)，多的剩余功率將輸送給低壓電網(wǎng)。

除此以外，本研究中運(yùn)行策略的另一個(gè)目的是減少能源浪費(fèi)，目前已經(jīng)有研究提出了兩種不同的截?cái)嗄芰看鎯?chǔ)策略：固定入網(wǎng)功率限制和可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制[11-12]，通過(guò)將超過(guò)入網(wǎng)限制的能量存儲(chǔ)在電池中，來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性最大化的目的。

3.2.2.1 固定入網(wǎng)功率限制

固定入網(wǎng)功率限制如圖2 （2）所示。對(duì)入網(wǎng)功率設(shè)定一個(gè)固定的限制Pcutoff，為了獲得KfW 集團(tuán)的資助，以光伏額定功率50%來(lái)設(shè)定Pcutoff的值。在這種策略下，當(dāng)電池荷電狀態(tài)沒(méi)有達(dá)到SOCmax時(shí)，剩余功率低于Pcutoff的部分將輸入電網(wǎng)，超過(guò)Pcutoff的部分都存儲(chǔ)在電池中，如果截?cái)嗄芰坎荒軡M足當(dāng)天晚上的能量需求，那么將早上的剩余能量?jī)?chǔ)存在電池中來(lái)補(bǔ)充這部分能量差值。

3.2.2.2 可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制

在這種運(yùn)行策略中，根據(jù)預(yù)測(cè)晚上的能耗需求，計(jì)算每天的入網(wǎng)功率限制Pcutoff。入網(wǎng)功率限制的計(jì)算方式是，超過(guò)該限制的能量總量等于夜間的能耗需求。因此，只有剩余功率超過(guò)Pcutoff的部分才會(huì)儲(chǔ)存在電池中，所有低于這個(gè)限制的部分將被輸入電網(wǎng)，如圖2（3）所示。如果計(jì)算的Pcutoff高于光伏額定功率的50%，則將該限額設(shè)置為光伏額定功率的50%。在這種情況下，儲(chǔ)存的能量超過(guò)了晚上的需要，導(dǎo)致第二天的能量過(guò)剩，那在計(jì)算第二天的電池儲(chǔ)存容量最大值時(shí)，需要考慮前一天剩余的能量。

圖2 不同的運(yùn)行策略[6]

4 結(jié)果分析

4.1 研究方法

4.1.1 預(yù)測(cè)方法

在這些運(yùn)行策略中，預(yù)測(cè)是必不可少的，本文在參考文獻(xiàn)[6]和[13]的基礎(chǔ)上提出了兩種不同的預(yù)測(cè)方式：理想型預(yù)測(cè)和持續(xù)性預(yù)測(cè)。理想型預(yù)測(cè)假設(shè)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出白天所有的光伏發(fā)電量和晚上的能耗需求。持續(xù)性預(yù)測(cè)假設(shè)太陽(yáng)輻射與前一天相同，能耗與上周同一天能耗相同。以理想型預(yù)測(cè)作為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度最優(yōu)情況，以持續(xù)性預(yù)測(cè)作為最差情況進(jìn)行對(duì)比。為了在冬季充分利用存儲(chǔ)系統(tǒng)，這些策略只在夏季使用，因?yàn)樵谙募境霈F(xiàn)剩余功率超過(guò)入網(wǎng)功率限制的情況概率較大。此外，電能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失也被考慮在內(nèi)。

4.1.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法

為了評(píng)估運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，本研究使用了平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）。LCOE是發(fā)電系統(tǒng)投資在整個(gè)生命周期內(nèi)單位電力成本的凈現(xiàn)值。它是對(duì)發(fā)電系統(tǒng)成本競(jìng)爭(zhēng)力的一級(jí)經(jīng)濟(jì)評(píng)估，包含了發(fā)電系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的所有成本，包括初始投資、運(yùn)行維護(hù)成本和資金成本[14]。

在本文中，LCOE被定義為一個(gè)kWh 總成本的凈現(xiàn)值。因?yàn)槊糠N設(shè)備都有不同的生命周期，所以，在計(jì)算凈現(xiàn)值時(shí)也考慮了再投資的成本和遞減問(wèn)題，以及設(shè)備殘值所節(jié)約的成本。另外，將電力成本的凈現(xiàn)值和由于光伏上網(wǎng)電價(jià)而節(jié)省的費(fèi)用作為可變成本進(jìn)行計(jì)算。電價(jià)隨時(shí)間的變化用電價(jià)增長(zhǎng)率進(jìn)行計(jì)算。組件的維護(hù)成本作為固定成本項(xiàng)，用每年占投資成本的固定百分比進(jìn)行計(jì)算。

其中，It為t 時(shí)的投資凈現(xiàn)值；Vt為t 時(shí)的可變成本凈現(xiàn)值；Ft為t時(shí)的固定成本凈現(xiàn)值；Et為t 時(shí)的電力消耗；r為利率；d為折現(xiàn)率。

式（1）為L(zhǎng)COE的計(jì)算式，即凈現(xiàn)值的總和與總電力消耗的比值。用該式計(jì)算每個(gè)運(yùn)行策略的LCOE。表1 顯示了計(jì)算LCOE所選擇的參數(shù)。如果將KfW 資助考慮在內(nèi)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]，家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本將降低22%。

4.2 預(yù)測(cè)分析

根據(jù)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果，沒(méi)有電池的家用光伏發(fā)電系統(tǒng)棄用的截?cái)嗄芰看蠹s是每年170 kWh。如果將電池加入該系統(tǒng)中，則可將棄用的截?cái)嗄芰拷档偷矫磕?8 kWh 左右。當(dāng)采用理想型預(yù)測(cè)時(shí)，因?yàn)殡姵厝萘孔銐虼?，所以可以存?chǔ)全部的截?cái)嗄芰?。?dāng)采用持續(xù)性預(yù)測(cè)時(shí)，由于預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，在某些天會(huì)儲(chǔ)存比預(yù)測(cè)值更多的能量。總之，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略可以避免截?cái)嗄芰康睦速M(fèi)，如圖3 所示。

圖3 不同運(yùn)行策略下棄用的截?cái)嗄芰繉?duì)比

表1 計(jì)算LCOE 的參數(shù)

4.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

為了研究基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，將不同運(yùn)行策略的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）進(jìn)行了比較，沒(méi)有考慮KfW 資助的情況如圖4（1）所示。使用基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略比沒(méi)有預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略的LCOE更低?？勺?nèi)刖W(wǎng)功率限制的LCOE比固定入網(wǎng)功率限制的LCOE更低。使用入網(wǎng)功率限制會(huì)導(dǎo)致更高的LCOE，但這部分多出來(lái)的費(fèi)用可以由KfW 資金來(lái)補(bǔ)償。

圖4（2）顯示了考慮KfW 資助后的結(jié)果，并將結(jié)果與無(wú)入網(wǎng)限制情況進(jìn)行了比較。當(dāng)使用入網(wǎng)限制的運(yùn)營(yíng)策略時(shí)，KfW 的資金補(bǔ)償了由于上網(wǎng)限制而產(chǎn)生的額外成本。如果采用基于理想型預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略，LCOE可以在考慮入網(wǎng)功率限制的情況下進(jìn)一步降低。隨著預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確性的增加，使用基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)降低。所以，當(dāng)使用持續(xù)性預(yù)測(cè)和入網(wǎng)功率限制時(shí)，與沒(méi)有入網(wǎng)功率限制的情況相比，LCOE會(huì)更高。因此，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，推薦使用精確的預(yù)測(cè)算法。

此外，圖4 中的結(jié)果顯示，在持續(xù)性預(yù)測(cè)的情況下，使用可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)槭褂每刂破骺梢詼p少預(yù)測(cè)誤差。所以，可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制策略可以進(jìn)一步緩解電網(wǎng)的壓力[12]。

圖4 使用不同的運(yùn)行策略的LCOE 的比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了兩種不同的基于預(yù)測(cè)的家用光伏電池存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行策略，目的是在不明顯降低電池能量吞吐量的同時(shí)，提高電池壽命，并減少能量浪費(fèi)。本研究采用直流耦合家用光伏電池存儲(chǔ)系統(tǒng)模型，對(duì)不同的運(yùn)行策略進(jìn)行了仿真模擬。將可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制、固定入網(wǎng)功率限制與無(wú)入網(wǎng)功率限制的情況進(jìn)行了對(duì)比，比較兩種不同運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性。還將理想型預(yù)測(cè)（最佳情況）和持續(xù)性預(yù)測(cè)（最差情況）進(jìn)行了對(duì)比，評(píng)估了預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的影響。

由于入網(wǎng)限制產(chǎn)生的額外費(fèi)用可以由KfW 的資金來(lái)補(bǔ)償。結(jié)果表明，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略可以避免能量浪費(fèi)，從而降低LCOE。若預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不佳，則可變?nèi)刖W(wǎng)功率限制的運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)性較差。

本研究中這些策略都應(yīng)用于未優(yōu)化的家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。如果優(yōu)化光伏電板、電池和轉(zhuǎn)換器的參數(shù)，可以進(jìn)一步降低LCOE。然而，目前還不清楚基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略所節(jié)省的成本是否高于實(shí)施這些策略（包括必要的硬件升級(jí)）的成本。上述結(jié)果是在固定的光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)和固定的KfW 資金的假設(shè)下計(jì)算得出的。這兩個(gè)補(bǔ)貼政策在未來(lái)都會(huì)被取消，如果去掉這些補(bǔ)貼政策，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)營(yíng)策略所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益可能更高。而且即使沒(méi)有資金支持，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也可能會(huì)采取限制措施。

本文研究了德國(guó)民用住宅家用光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，可以對(duì)我國(guó)獨(dú)立式住宅建筑安裝光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)提供借鑒參考。我國(guó)目前對(duì)于光伏上網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)貼，但是對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備的安裝和入網(wǎng)功率的限制并沒(méi)有大面積的展開(kāi)，所以，如果為了推進(jìn)該系統(tǒng)的安裝應(yīng)用，我國(guó)還需要出臺(tái)各種鼓勵(lì)補(bǔ)貼政策。由此，基于預(yù)測(cè)的運(yùn)營(yíng)策略所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益可能更高。

另外，我國(guó)大部分城區(qū)居民住宅為多層多戶住宅樓，與德國(guó)的獨(dú)立式住宅建筑不同，所能利用的屋頂光伏面積相對(duì)于建筑能耗需求來(lái)說(shuō)非常小，本文描述的此類(lèi)系統(tǒng)可能并不完全適用于我國(guó)的城區(qū)居民建筑，但是因?yàn)橘?gòu)電價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)的差異，對(duì)于安裝有光伏的建筑，使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并利用基于預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略可以顯著提高能量自產(chǎn)自銷(xiāo)，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。