綜合能源規(guī)劃中配網(wǎng)/用戶側(cè)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究*

張永明，顏 哲，白 瑋，王培培，梁潤琪，靳文瑞

(1. 同濟(jì)大學(xué)，上海 200092; 2. 上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200092)

0 引言

能源是決定社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。多年來，石油、煤炭等化石燃料的迅速發(fā)展促進(jìn)了世界的發(fā)展，但由此導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重?；剂蠌V泛使用250年以來，大氣中CO2的含量增加了40%，全球氣候變化問題給人類社會(huì)的生存和發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，為了降低碳排放、改善氣候環(huán)境、建設(shè)低碳城市，未來的能源規(guī)劃應(yīng)側(cè)重于能源生產(chǎn)中的脫碳和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源具有可持續(xù)性，被認(rèn)為是最有可能替代化石能源的新能源。

然而，清潔可再生能源的快速發(fā)展隨之產(chǎn)生的問題也不容忽視。世界上可再生能源裝機(jī)總?cè)萘恳延?006年的10.2億kW增加到2016年的20.2億kW，年均增長率約為8%。可再生能源的發(fā)電能力是波動(dòng)的、間歇的、低可控的，很大程度上取決于天氣等自然因素。大量的可再生能源難以有效利用，甚至被廢棄。根據(jù)國家能源局公布的統(tǒng)計(jì)，2018年前三季度全國棄風(fēng)電量損失達(dá) 222kW·h， 棄光電損失達(dá)38.8億kW·h。因此，為適應(yīng)高容量的可再生能源，應(yīng)提高電力系統(tǒng)的靈活性。

另一方面，由于城市園區(qū)終端用戶不斷增多，社會(huì)能耗日益增加。2017年, 國內(nèi)能源消費(fèi)總量為44.9億t標(biāo)準(zhǔn)煤(tce)，工業(yè)能耗占70%，建筑能耗約占20%，交通能耗約占10%。其中，建筑能耗受空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)明顯，特別是在夏季，空調(diào)負(fù)荷的急劇增長使得用電負(fù)荷不斷攀升，部分地區(qū)為了應(yīng)對(duì)用電高峰、保證民生，對(duì)工業(yè)用戶采取拉閘限電措施。峰值負(fù)荷的持續(xù)增長加大了停電的可能性和供電的邊際成本。受外來電調(diào)峰能力不足、用電峰谷差逐年加大等因素影響，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出。為了緩解峰值電力需求，通常使用小容量發(fā)電機(jī)組(例如天然氣發(fā)電機(jī)組)，然而該類發(fā)電機(jī)組需要昂貴的運(yùn)行和維護(hù)成本。因此，還需尋找更為合適的調(diào)峰方式。

提高電力系統(tǒng)靈活性的途徑有多種，包括電網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)、儲(chǔ)能技術(shù)、需求側(cè)響應(yīng)等。儲(chǔ)能技術(shù)作為改革未來能源格局的關(guān)鍵技術(shù)，是有效協(xié)調(diào)可再生能源和電網(wǎng)在時(shí)間、空間和強(qiáng)度方耦合的關(guān)鍵。目前，儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過程中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。

在區(qū)域能源規(guī)劃中，儲(chǔ)能技術(shù)包含儲(chǔ)電、蓄熱、蓄冷(冰)技術(shù)。其中，儲(chǔ)電技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

近幾十年來，電儲(chǔ)能技術(shù)的研究和開發(fā)一直受到各行各業(yè)的重視。目前，電儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能技術(shù)和化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。其中，物理儲(chǔ)能技術(shù)包含飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能等；化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、鉛酸電池、超級(jí)電容器等電池。在多類電池儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、效率高等特性，更適合于工程技術(shù)應(yīng)用。

南方電網(wǎng)公司于2009年11月啟動(dòng)建設(shè)國內(nèi)第一個(gè)兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能電站，其工程規(guī)模為4MW/16MW·h，并已于2011年1月成功并網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓、孤島運(yùn)行等功能。

國家電網(wǎng)公司于2010年開始建設(shè)位于河北省張北縣的國家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)分別規(guī)劃安裝磷酸鐵鋰儲(chǔ)能裝置14MW/63MWh、液流儲(chǔ)能裝置2MW/8MW·h和鈉硫儲(chǔ)能裝置等。該項(xiàng)目已于2011年12月25日正式投運(yùn)。

1 鋰離子電池儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)研究

1.1 依據(jù)峰谷電價(jià)的充放電控制策略

發(fā)改委、電監(jiān)會(huì)等六部委聯(lián)合印發(fā)《電力需求側(cè)管理辦法》，并于2011年1月1日起實(shí)施，提出了電力需求側(cè)管理工作的十六項(xiàng)管理措施和激勵(lì)措施。其中提到第十一條中提到：推動(dòng)并完善峰谷電價(jià)制度，鼓勵(lì)低谷蓄能，支持實(shí)施電力需求側(cè)管理。隨著《電力需求側(cè)管理辦法》的實(shí)施，各地區(qū)價(jià)格主管部門根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際電力需求，陸續(xù)制定了峰谷時(shí)段與分時(shí)電價(jià)，將一天24h分為高峰時(shí)段、平時(shí)段、低谷時(shí)段，浙江、福建等地區(qū)還設(shè)置有2h的尖峰時(shí)段。

一般而言，依據(jù)峰谷時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略有：一充一放策略(低谷時(shí)段蓄電，高峰或尖峰時(shí)段放電)，一充兩放策略(低谷時(shí)段蓄電，兩個(gè)高峰或尖峰時(shí)段放電)，兩充兩放策略(兩個(gè)低谷或平時(shí)段蓄電，兩個(gè)高峰或尖峰時(shí)段放電)，三充三放策略等。其中，若在尖峰時(shí)段(2h)將電池組內(nèi)的電量全部放電，則至少需要0.5C的充放電倍率，對(duì)于鋰電池，其性能滿足該要求；但對(duì)于一般的鉛酸電池而言，其充放電倍率不超過0.125C(對(duì)應(yīng)充放電時(shí)間8h)，則只能采用一充一放或一充兩放策略。

1.2 實(shí)際約束下的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率、容量配置及相關(guān)因素研究

1.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電壓等級(jí)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的位置分別有用戶側(cè)與電廠側(cè)，用戶側(cè)接入的電壓等級(jí)一般有：10kV與110kV電壓等級(jí)如表1所示。若選擇10kV電壓等級(jí)，則可選擇接入10kV開閉所或110/10kV變電站二次側(cè)；若選擇110kV電壓等級(jí)，則可選擇接入110kV變電站進(jìn)線端或上一級(jí)變電站出線間隔(一般為220kV或330kV變電站)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)不同接入方式對(duì)應(yīng)覆蓋范圍和功率限制 表1

1.2.2 調(diào)峰政策要求

國家能源局于2017年印發(fā)《2017年能源工作指導(dǎo)意見》，其中提出“加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)”。各地區(qū)為保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證電能質(zhì)量，先后出臺(tái)關(guān)于電力輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制方案，其中提到利用蓄電設(shè)施在低谷或棄風(fēng)棄光時(shí)段吸收電力，在其他時(shí)段釋放電力，從而提供調(diào)峰服務(wù)的交易。福建、寧夏、新疆等地區(qū)規(guī)定了參與調(diào)峰服務(wù)的儲(chǔ)能設(shè)施的充電功率需在10MW及以上，參與調(diào)峰持續(xù)充電時(shí)間在4h及以上，對(duì)應(yīng)容量在40MW·h及以上。

2 鋰離子電池的技術(shù)特性

2.1 鋰離子電池容量衰減曲線

為探究鋰離子電池梯級(jí)利用的經(jīng)濟(jì)性，需對(duì)鋰離子電池的電池容量衰減曲線進(jìn)行探究。文獻(xiàn)[33]基于不同放電深度(DOD)，對(duì)鋰離子電池的電池容量保持率(SOC)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。電池容量保持率與循環(huán)次數(shù)(x)的關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，其表達(dá)式為：

SOCx=1+B·x+C·x2+D·x3

(1)

式中，參數(shù)B、C、D的擬合數(shù)值如表2所示。

擬合的參數(shù)數(shù)值 表2

并且，相較于淺充淺放的使用模式，深充深放的使用模式在電池能量轉(zhuǎn)移總量和能量效率上表現(xiàn)更優(yōu)。

2.2 鋰離子電池充放電效率

在鋰電池的實(shí)際應(yīng)用中，除容量衰減外，還需考慮電池充放電期間，由電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量所影響電池的實(shí)際充放電效率。

文獻(xiàn)[34]分析研究了單體鋰離子電池的充放電效率隨電流和SOC的變化特性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相同電流下電池組充放電效率與SOC變化的關(guān)系不大，而充放電電流對(duì)效率的影響較大。隨著電池電流的增大，電池充放電效率逐漸降低。在同一SOC時(shí)，電流越小，效率越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充放電倍率較高(1C)，鋰離子電池的充放電效率均能保持在95%以上，系統(tǒng)總效率不低于90%。

2.3 鋰離子電池充放電倍率

鋰離子電池的充放電倍率直接影響充放電電流大小，進(jìn)而影響充放電效率與容量衰減，并且對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略起到?jīng)Q定作用。

文獻(xiàn)[35]基于不同放電倍率，對(duì)鋰電池的容量、阻抗等參數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，鋰離子電池的容量受放電倍率的影響較大，高倍率下電池放出的能量較少，熱量產(chǎn)生較多，電池的電化學(xué)阻抗增加越快，老化速度加快，使用壽命降低。實(shí)驗(yàn)室條件下，充放電倍率可達(dá)2C，但對(duì)電池的損耗較大；在實(shí)際應(yīng)用中，充放電倍率在0.5C以下，對(duì)電池壽命影響較小，其中0.3～0.5C為鋰離子電池推薦的充放電倍率。

3 電池儲(chǔ)能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)研究

3.1 收益分析

收益分為直接收益和間接收益：直接收益來自于峰谷電價(jià)差的售電收益，間接收益來自于配電網(wǎng)線路損耗的降低。

3.1.1 峰谷電價(jià)直接經(jīng)濟(jì)收益

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要收益來自于峰谷電價(jià)。設(shè)銷售的高峰電價(jià)為ph，購買的低谷電價(jià)為pl，并且考慮放電效率與充電效率分別為η1與η2，將充放電帶來的損耗折算至電價(jià)內(nèi)，則折算后的峰谷差電價(jià)Δp為：

Δp=phη1-pl/η2

(2)

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減，設(shè)第一年容量為Q1，第n年容量為Qn，每年工作d天，每天充放電循環(huán)次數(shù)為k(一充一放k=1，兩充兩放k=2)，每次工作充放電深度均為DOD，結(jié)合前文2.1.2章節(jié)中的公式，得Qn為：

Qn=Q1×DOD×SOCn=Q1×DOD×

(1+B(n-1)kd+C(n-1)2k2d2+D(n-1)3k3d3)

(3)

若儲(chǔ)能系統(tǒng)使用梯級(jí)利用的鋰電池組，需根據(jù)梯級(jí)利用的鋰電池容量Q1+s重新標(biāo)定。在此，可簡化定義梯級(jí)利用電池為對(duì)應(yīng)使用(1+s)年的電池，則Qn+s為：

(4)

3.1.2 配電網(wǎng)線路損耗降低的間接經(jīng)濟(jì)收益

(5)

3.2 支出分析

3.2.1 初投資成本

設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)初次建設(shè)的容量為Q，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率為P， 對(duì)應(yīng)充放電時(shí)長為x小時(shí)，并且Q=P·x。其初投資成本I1一般有關(guān)于容量及功率兩部分的投資，即：

I1=Q·iQ+P·iP

(6)

3.2.2 二次投資成本

當(dāng)電池容量衰減至一定程度時(shí)，需對(duì)電池組及儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System， PCS)進(jìn)行全部更換，二次投資成本I2約等于初投資成本I1，即I2=I1。

3.2.3 運(yùn)行中不可忽視的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用

(7)

4 綜合能源規(guī)劃中儲(chǔ)能系統(tǒng)案例研究

4.1 園區(qū)情況與能源規(guī)劃

案例地點(diǎn)位于我國西北某市某園區(qū)，園區(qū)內(nèi)企業(yè)以高端裝備制造及新材料產(chǎn)業(yè)為主。根據(jù)前期調(diào)研和走訪，發(fā)現(xiàn)該園區(qū)能源供應(yīng)方面面臨成本高、臨配套服務(wù)不完善等問題。結(jié)合該園區(qū)的能源供應(yīng)現(xiàn)狀、未來規(guī)劃和用能需求預(yù)測，充分考慮園區(qū)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)階段的供能需求，對(duì)該園區(qū)進(jìn)行了能源規(guī)劃。能源規(guī)劃中預(yù)建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)一座，以提高園區(qū)內(nèi)若干對(duì)供電穩(wěn)定性要求較高企業(yè)的供電品質(zhì)，同時(shí)利用峰谷電價(jià)差獲取運(yùn)營收益。

該能源規(guī)劃中，預(yù)建設(shè)規(guī)模20MW/80MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，充放電速率定為0.25C，考慮電池組種類為磷酸鋰鐵電池組或梯級(jí)利用的磷酸鋰鐵電池組，建設(shè)位置臨近園區(qū)內(nèi)110/10kV變電站。

4.2 分時(shí)電價(jià)

儲(chǔ)能系統(tǒng)購電電價(jià)依據(jù)不同電壓等級(jí)分時(shí)電價(jià)如圖1和表3所示。

不同電壓等級(jí)分時(shí)電價(jià) 表3

高峰時(shí)段為8:00～12:00和18:00～22:00，平時(shí)段為12:00～18:00，低谷時(shí)段為22:00～8:00。該儲(chǔ)能系統(tǒng)購電電價(jià)采用大工業(yè)用戶直購電電價(jià)，對(duì)應(yīng)110kV的低谷與平時(shí)段電價(jià)。

圖1 不同電壓等級(jí)分時(shí)電價(jià)

4.3 充放電策略

按照選定的鋰電池，具有“一充一放”和“兩充兩放”兩種運(yùn)行模式的能力；其充電效率約95%，放電效率95%，總系統(tǒng)效率約為90%。(1)一充一放：在低谷時(shí)充一次電，在高峰時(shí)放一次電；(2)兩充兩放：在低谷、平時(shí)段各充一次電，在兩個(gè)高峰時(shí)段各放一次電。

4.4 電池壽命

依據(jù)電池廠商數(shù)據(jù)和鋰電池性能衰減曲線，每年工作350天，每次充放電深度DOD為100%，則梯級(jí)利用電池兩充兩放壽命為10年，梯級(jí)利用電池一充一放壽命為19年；新電池兩充兩放壽命為13年，新電池一充一放壽命為25年。

4.5 售電收益與空調(diào)運(yùn)行支出

以售電電價(jià)為0.639 3元/度(對(duì)應(yīng)10kV高峰時(shí)段電價(jià))為例，根據(jù)電池類型(新電池或梯級(jí)利用電池)與充放電方式(一充一放或兩充兩放)，計(jì)算售電收益以及空調(diào)運(yùn)行支出。

新電池一充一放，兩充兩放的售電收益與堅(jiān)調(diào)運(yùn)行支出數(shù)據(jù)見表4～5。階梯利用電池的相關(guān)數(shù)據(jù)見表6～7。

一充一放策略下新電池的售電收益與空調(diào)運(yùn)行支出 表4

兩充兩放策略下新電池的售電收益與空調(diào)運(yùn)行支出 表5

一充一放策略下梯級(jí)利用電池的售電收益與空調(diào)運(yùn)行支出 表6

兩充兩放策略下梯級(jí)利用電池的售電收益與空調(diào)運(yùn)行支出 表7

4.6 回收周期

假定購電電價(jià)不變，改變售電電價(jià)，并且改變新電池或梯級(jí)利用電池的成本單價(jià)，計(jì)算鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的靜態(tài)回收周期。一充一放及兩充兩放策略下的回收周期詳見圖2～5。

圖2 新電池一充一放策略下的回收周期

圖3 梯級(jí)電池一充一放策略下的回收周期

圖4 新電池兩充兩放策略下的回收周期

圖5 梯級(jí)電池兩充兩放策略下的回收周期

5 結(jié)束語