戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法研究

蔣建彗，倪志春，陳成錦，蔡 霞，錢洪強(qiáng)，胡雷振，余 嫦，石 剛，曹海波，陸文華，吳 鎮(zhèn)

(蘇州騰暉光伏技術(shù)有限公司，常熟 215542)

0 引言

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展及國家補(bǔ)貼政策的變化，近幾年光伏組件的價(jià)格快速下降，特別是在“531政策”之后，光伏產(chǎn)業(yè)陷入空前低迷的同時(shí)，也進(jìn)一步促使了光伏組件價(jià)格的下降。而組件價(jià)格的降低使戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)迎來了春天。對于農(nóng)村用戶和別墅用戶而言，光伏組件價(jià)格的降低使用戶從原來的高投入轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的低投入、高回報(bào)[1]；與此同時(shí)，2019年發(fā)布的光伏新政對于戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)貼的單獨(dú)劃分，更大地刺激了戶用光伏市場的發(fā)展，戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶可靈活選擇“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”或“全額上網(wǎng)”模式，使經(jīng)濟(jì)收益最大化。

將光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合是光伏產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向之一。自2018年起，我國鋰電池技術(shù)的提升使儲(chǔ)能電池的成本大幅下降，使光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)合具有較好的經(jīng)濟(jì)性。近兩年，在光伏技術(shù)發(fā)展較快的德國、意大利等歐洲國家，以及居民電價(jià)較高的澳大利亞，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，且這些國家針對戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了各種優(yōu)惠及補(bǔ)貼政策，極大地促進(jìn)了戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。

目前我國尚無專門針對戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)政策，但是由于大型集中式或商業(yè)型光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能結(jié)合的方式對電網(wǎng)起到了提高電能質(zhì)量、減少光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊、降低電網(wǎng)峰谷用電差值等作用，可以看出光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的方式具有一定優(yōu)點(diǎn)；且可通過靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作模式[2]，使采用該系統(tǒng)的用戶的經(jīng)濟(jì)性最大化，并保障了用戶用電的穩(wěn)定性。比如，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，用戶可使用儲(chǔ)能系統(tǒng)為常用電器供電，實(shí)現(xiàn)電器不斷電。綜上，“光伏+儲(chǔ)能”的方式具有良好的應(yīng)用前景。

本文以戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)在國內(nèi)外的快速發(fā)展為背景，針對目前國內(nèi)戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)還未有較為系統(tǒng)的容量配置及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法的現(xiàn)狀，根據(jù)戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同工作模式[3]，提出了一種戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法。

1 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式介紹

現(xiàn)有的戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，該系統(tǒng)主要由光伏陣列、儲(chǔ)能逆變器、儲(chǔ)能電池、雙向電表及負(fù)載組成。其中，儲(chǔ)能逆變器包含光伏控制器、雙向逆變器和雙向充電器等部分[4]。戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of household PV+ storage energy system

戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件是儲(chǔ)能電池與儲(chǔ)能逆變器。常用的戶用型儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括鉛酸電池和鋰電池2種，從安全性的角度考慮，鉛酸電池更加穩(wěn)定、安全；從能量密度、體積、美觀性的角度考慮，鋰電池則更具有優(yōu)勢，且鋰電池中的磷酸鐵鋰電池也能夠滿足戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)對安全性的要求。隨著近兩年鋰電池成本的快速下降及客戶對美觀性需求的提升，預(yù)計(jì)未來鋰電池將成為儲(chǔ)能電池的主要選擇。儲(chǔ)能逆變器是戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心控制部件，其主要控制光伏發(fā)電系統(tǒng)交、直流電量轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能電池的充、放電量，上網(wǎng)電量等；通過調(diào)整儲(chǔ)能逆變器，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)可設(shè)置成不同的工作模式，以適用于不同的場景[5]。其主要的工作模式有：

1)通用模式。本工作模式的工作原理是：負(fù)載優(yōu)先、電池次之、余量上網(wǎng)。即若戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)中有負(fù)載工作時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量優(yōu)先供給負(fù)載使用，若光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量小于負(fù)載所需電量，則需要由儲(chǔ)能電池供給其余所需電量，但如果此時(shí)儲(chǔ)能電池?zé)o多余電量，則需要由電網(wǎng)供給；若光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大于負(fù)載所需電量，則多余電量會(huì)優(yōu)先供給儲(chǔ)能電池，為儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電，若儲(chǔ)能電池電量已滿，此時(shí)多余電量將會(huì)供給電網(wǎng)，即所謂的“余量上網(wǎng)”模式。

2)經(jīng)濟(jì)模式。本工作模式的工作原理是：谷值電價(jià)時(shí)充電，峰值電價(jià)時(shí)放電。針對采用峰谷電價(jià)的國家或地區(qū)，可對戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充、放電時(shí)間設(shè)置，當(dāng)電價(jià)處于谷值時(shí)，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)調(diào)電為儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)電價(jià)處于峰值時(shí)，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)從儲(chǔ)能電池放電，以供負(fù)載使用或進(jìn)行上網(wǎng)。該模式不僅可以充分利用峰谷電價(jià)差值使經(jīng)濟(jì)性最大化，同時(shí)對電網(wǎng)還具有削峰填谷的作用，優(yōu)化電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。但經(jīng)濟(jì)模式應(yīng)用的前提是當(dāng)?shù)鼐用耠妰r(jià)采用峰谷電價(jià)，且峰谷電價(jià)差值越大，該模式的經(jīng)濟(jì)性就越好；與此同時(shí)，補(bǔ)貼也是影響經(jīng)濟(jì)收益的重要因素之一。因此采用該模式時(shí)，經(jīng)濟(jì)收益與國家或地區(qū)的電價(jià)及補(bǔ)貼政策密切相關(guān)。

3)離網(wǎng)模式。該模式主要是針對偏遠(yuǎn)及海島等與大電網(wǎng)隔絕的地區(qū)，因此該模式的使用具有一定局限性，且戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置主要是依據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娗闆r及連續(xù)陰雨天數(shù)而定。在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足離網(wǎng)用戶的日常用電需求，所有用電量均由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，若光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大于負(fù)載用電量，則多余電量可為儲(chǔ)能電池充電；若儲(chǔ)能電池滿電，則多余電量便會(huì)浪費(fèi)。因此，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)在采用本模式時(shí)，首先要考慮系統(tǒng)的最佳容量設(shè)計(jì)。

上述戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)通常具備的3種工作模式中，通用模式和經(jīng)濟(jì)模式可依據(jù)不同地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)、用電成本、電價(jià)政策、補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、用戶用電量及用電規(guī)律進(jìn)行靈活選擇；而離網(wǎng)模式由于應(yīng)用條件受限，很難得到大規(guī)模地推廣。因此，本文重點(diǎn)分析通用模式及經(jīng)濟(jì)模式下戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置。

2 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方法

設(shè)計(jì)戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)依據(jù)不同地區(qū)的電價(jià)及補(bǔ)貼政策，以及不同用戶的用電情況進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。關(guān)于大型集中式或商業(yè)型光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的文獻(xiàn)通常以電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)為約束條件進(jìn)行容量配置設(shè)計(jì)，但本文的研究方向是戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏裝機(jī)容量較小，最大光伏裝機(jī)容量不超過100 kW，因此其對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的影響可以忽略不計(jì)。因此，本文旨在為用戶找到一種簡單的進(jìn)行戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置，并保證用戶的經(jīng)濟(jì)收益最大化的方法。

戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)在進(jìn)行容量配置時(shí)，首先要對項(xiàng)目地基本信息進(jìn)行搜集，完成后，還需依據(jù)不同工作模式分別設(shè)計(jì)不同的容量配置方案作為待選，然后依據(jù)不同容量配置方案時(shí)的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果來最終確定最優(yōu)容量配置方式。下文對戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 搜集項(xiàng)目地的居民電價(jià)及補(bǔ)貼政策

搜集項(xiàng)目地的居民電價(jià)及補(bǔ)貼政策[6]主要涉及是否執(zhí)行峰谷電價(jià)、峰谷電價(jià)差值是多少、是否執(zhí)行階梯電價(jià)、補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)是多少，并利用專業(yè)軟件計(jì)算出項(xiàng)目地的日均峰值日照小時(shí)數(shù)h，以便于后面計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

根據(jù)項(xiàng)目地的居民電價(jià)及補(bǔ)貼政策來決定戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)采用何種工作模式，一般的原則為：若當(dāng)?shù)責(zé)o峰谷電價(jià)，則采用通用模式；若當(dāng)?shù)鼐哂忻鞔_的峰谷電價(jià)，且差值較大，則選擇經(jīng)濟(jì)模式；若當(dāng)?shù)貫槠h(yuǎn)地區(qū)，無電網(wǎng)，則只能選擇離網(wǎng)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 調(diào)查用戶的用電情況及用電規(guī)律

調(diào)查用戶的用電情況及用電規(guī)律，主要包括用戶的日用電量P、日用電規(guī)律等基本信息；并依據(jù)日用電量進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能電池的容量設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則為：在考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，保證用戶的基本用電需求。

2.3 依據(jù)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行不同方案的容量配置設(shè)計(jì)[7]

依據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，結(jié)合不同的工作模式，對光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行不同容量配置方案設(shè)計(jì)。2.3.1 采用通用模式時(shí)的容量配置方案設(shè)計(jì)

1)首先進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)。在不超過戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大裝機(jī)容量100 kW的前提下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量W至少應(yīng)滿足：

式中，PR為戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)直流端到交流端的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，該值的經(jīng)驗(yàn)值選取范圍為80%～85%。

2)其次進(jìn)行儲(chǔ)能電池的容量設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能電池的容量V，需滿足：

式中，P夜為用戶的夜間用電量(夜間用電時(shí)段以各地電價(jià)政策為準(zhǔn))；ω為儲(chǔ)能電池的放電效率，即雙向逆變器的工作效率；μ為儲(chǔ)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，即儲(chǔ)能電池放出電量與儲(chǔ)能電池充入電量的比值；ε為儲(chǔ)能電池的放電深度，即儲(chǔ)能電池放電量與儲(chǔ)能電池額定容量的百分比。

2.3.2 采用經(jīng)濟(jì)模式時(shí)的容量配置方案設(shè)計(jì)

當(dāng)項(xiàng)目地的居民電價(jià)有明確峰谷電價(jià)時(shí)，可考慮采用經(jīng)濟(jì)模式，然后將經(jīng)濟(jì)模式與通用模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析，選擇更優(yōu)的容量配置方式。一般而言，峰谷電價(jià)差值越大，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好，此時(shí)更適合使用經(jīng)濟(jì)模式。

1)首先進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)。在不超過戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大裝機(jī)容量100 kW的前提下，此時(shí)W至少應(yīng)滿足：

2)其次進(jìn)行儲(chǔ)能電池的容量設(shè)計(jì)，此時(shí)V需滿足：

式中，d為連續(xù)陰雨天氣時(shí)希望儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠保證用戶電器正常運(yùn)行的天數(shù)，一般依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件并結(jié)合用戶要求來確定。

需要說明的是，公式(4)中左右兩側(cè)的關(guān)系為大于而不是等于，這主要是因?yàn)樵诮?jīng)濟(jì)模式下，儲(chǔ)能電池的容量首先應(yīng)滿足用戶最基本的用電需求，然后再根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)及用戶要求進(jìn)行一定的調(diào)整。但容量變化后的經(jīng)濟(jì)性需結(jié)合后文的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，然后再選擇合適的容量。

3 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算[8]

在完成不同工作模式下戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方案設(shè)計(jì)后，需對幾種待選方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證，用戶可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果最終選擇最具經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)工作模式及容量配置。戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算思路流程圖如圖2所示。

圖2 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算思路流程圖Fig. 2 Economic calculation thought flow chart of household PV + storage energy system

本文依據(jù)國內(nèi)外的電價(jià)特點(diǎn)，對戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法進(jìn)行了簡化，依據(jù)不同工作模式，給出推算戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益的簡單方法。

3.1 通用模式下系統(tǒng)的月收益

為提高能源利用效率，國家對居民用電實(shí)行階梯電價(jià)。階梯電價(jià)是指將戶均用電量設(shè)置為若干個(gè)階梯，分段或分檔次定價(jià)計(jì)算電費(fèi)。

通用模式下的戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的月收益C的計(jì)算公式為：

式中，Q1為第1階梯自用光伏電量；Q2為第2階梯自用光伏電量；Q3為第3階梯自用光伏電量；E1為第1階梯電價(jià)；E2為第2階梯電價(jià)；E3為第3階梯電價(jià)；Q為上網(wǎng)電量；S為光伏電價(jià)補(bǔ)貼；E為當(dāng)?shù)孛摿蛉济弘妰r(jià)。

公式(5)為考慮階梯電價(jià)因素后進(jìn)行的收益計(jì)算，若用戶用電量僅達(dá)到Q2，那么Q3的取值為零，并不影響計(jì)算結(jié)果；同時(shí)，本公式未考慮峰谷電價(jià)差值。

3.2 經(jīng)濟(jì)模式下系統(tǒng)的月收益

存在峰谷電價(jià)差值且差值較大時(shí)，戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)模式下具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。該模式下系統(tǒng)的月收益C的計(jì)算公式為：

式中，P峰為峰值電價(jià)；P谷為谷值電價(jià)。

公式(6)綜合考慮了峰谷電價(jià)差值及階梯電價(jià)因素，是較為詳細(xì)的收益計(jì)算方法。

3.3 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)投資的可行性分析

為了研究戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)投資的可行性，完成公式(5)、公式(6)的計(jì)算后，可進(jìn)一步進(jìn)行如下計(jì)算：

1)計(jì)算戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資成本I。

2)計(jì)算壽命周期內(nèi)系統(tǒng)的總收益Ctotal，計(jì)算公式為：

式中，n為系統(tǒng)的壽命周期。

3)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，最終計(jì)算得出項(xiàng)目回收周期及內(nèi)部收益率，選擇項(xiàng)目回收期最短或內(nèi)部收益率最高的系統(tǒng)容量配置方案。

4 結(jié)論

本文根據(jù)戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式，從用戶經(jīng)濟(jì)收益最大化的角度，介紹了戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方式，并提供了簡單的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法。得到如下結(jié)論：

1) 戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式主要有通用模式、經(jīng)濟(jì)模式及離網(wǎng)模式3種，模式的選擇需依據(jù)當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)及補(bǔ)貼政策，以及峰谷電價(jià)差值，并針對經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇。

2)戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量配置時(shí)，除需考慮不同地區(qū)的電價(jià)及補(bǔ)貼政策、用戶用電需求等基本信息外，還可結(jié)合各方案的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果，選取最具經(jīng)濟(jì)性的工作模式。一般而言，峰谷電價(jià)差值較大的地區(qū)，更適合采用經(jīng)濟(jì)模式；無峰谷電價(jià)差值時(shí)，電價(jià)越高的地區(qū)，越適合采用通用模式。

3)由于相較于其他大型集中式或商業(yè)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)影響很小，因此本文未考慮戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)對儲(chǔ)能系統(tǒng)的限制，簡化了計(jì)算模型，提供了一種更直觀、更簡單的戶用光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方法。