梯次利用電池在光伏儲能中的經(jīng)濟(jì)性研究

李 程 黃紹唐 趙學(xué)風(fēng) 韓軍林 劉繼濤 鮑 磊 廖強(qiáng)強(qiáng)

1.國網(wǎng)漢中供電公司

2.上海電力大學(xué)

3.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院

4.國網(wǎng)陜西綜合能源服務(wù)有限責(zé)任公司

0 引言

使用儲能電池（BES）能提升戶用光伏（PV）的自利用，從而減少饋入電網(wǎng)的光伏電力，由此可以增加電網(wǎng)的穩(wěn)定性。Quoilin等人[1]對歐洲國家的家用光伏電池系統(tǒng)的自利用和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了量化，認(rèn)為作為光伏系統(tǒng)和電池尺寸的函數(shù)，自利用和經(jīng)濟(jì)盈利能力是非線性的，鋰離子電池系統(tǒng)需要進(jìn)一步降低電池成本或間接補(bǔ)貼。Huang等[2]調(diào)查了分布式光伏電池系統(tǒng)的系統(tǒng)級效益，結(jié)果表明，相對較小的電池尺寸可以顯著降低家庭用電量，在聚合水平上協(xié)調(diào)平滑電網(wǎng)需求曲線，系統(tǒng)級的好處可以作為激勵消費(fèi)者加速電池存儲的動力。Luthande等[3]通過將單個儲能系統(tǒng)變?yōu)楣蚕韮δ芟到y(tǒng)，光伏電池系統(tǒng)的利潤可以增加，從社區(qū)到電網(wǎng)的最大功率可以減半，可以有效緩解公用電網(wǎng)的壓力。Ranaweera等[4]提出了住宅光伏電池系統(tǒng)的動態(tài)規(guī)劃，以最大限度地提高挪威的住宅經(jīng)濟(jì)效益，蓄電池的應(yīng)用有助于減少電網(wǎng)的供電量，并在發(fā)電高峰時段維持電壓穩(wěn)定。Zhang等[5]對美國PV-BES系統(tǒng)的財務(wù)激勵政策進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的激勵政策可以將加州和夏威夷的投資回收期縮短到10年以下。

然而在中國，由于電價較低，尤其在民用領(lǐng)域，提高光伏自用所減少電網(wǎng)電力獲得的收益是相對較少的。新的儲能電池成本居高不下，且中國目前還沒有出臺統(tǒng)一的儲能補(bǔ)貼政策，導(dǎo)致了中國推行家用式儲能較為困難。如果能將從電動汽車上退役后的電池應(yīng)用于光伏儲能系統(tǒng)中，一方面減少間歇性的光伏電力對電網(wǎng)的沖擊，另一方面也大幅降低儲能成本。鋰離子電池有著能源轉(zhuǎn)化效率高和壽命較長等優(yōu)點，但是它的成本也相對較高，而梯次利用電池雖然在效率和壽命上不如前者，但是它的成本卻更低廉。

本文以中國陜西西安市某一居民發(fā)用電負(fù)荷為例，采用成本效益模型對固定容量的光伏和儲能電池系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究，在全壽命周期內(nèi)分析了新鋰離子電池，以及退役鋰離子電池在光伏儲能中的經(jīng)濟(jì)性，評價退役電池儲能的競爭力。

1 研究方法

本文以并網(wǎng)式用戶側(cè)光伏電站的3種運(yùn)行場景進(jìn)行對比，采用模擬和仿真手段研究了退役鋰離子電池（LIB-2nd）以及新鋰離子電池（LIB）光伏儲能的經(jīng)濟(jì)性。三種場景分別為：Scenario 1(S1)：系統(tǒng)僅安裝光伏，且光伏的所有發(fā)電量全部賣給電網(wǎng)；Scenario 2(S2)：系統(tǒng)僅安裝光伏，光伏發(fā)電優(yōu)先供給負(fù)載，剩余電量賣給電網(wǎng)；Scenario 3(S3)：系統(tǒng)安裝光伏和儲能電池，光伏發(fā)的電優(yōu)先供負(fù)載使用，多余的電存儲在電池中，再多余的電賣給電網(wǎng)；光伏不足的時候，電池放電給負(fù)載使用；光伏和電池電量不足時由電網(wǎng)供電。

1.1 電量控制策略

由于S1和S2不包含儲能，電能控制策略較為簡單，因此本文重點介紹S3中光伏儲能的用電策略。由于我們討論的地區(qū)在一年中有部分月份存在分時電價，在分時電價和固定電價下的電量控制模式又有稍許不同。圖1為S3在分時電價下的電量控制流程圖。用電時候以電網(wǎng)的電價時段（，）、儲能電池的SOC實時狀態(tài)（）、光伏的實時發(fā)電功率與負(fù)載的實時用電功率（，）作為判斷和電量控制依據(jù)，下標(biāo)的t是一天中以小時為單位的時間(t=1，2，…，24)。同時，本文設(shè)置了一個光伏有效天數(shù)理想化概念，即在非光伏有效天數(shù)下，不存在光伏發(fā)電，它取決于當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r。當(dāng)光伏發(fā)電功率不小于負(fù)載用電功率時，光伏在該時段的總發(fā)電量等于該時間段內(nèi)的光伏給負(fù)載放電量、光伏給儲能電池充電量、光伏賣給電網(wǎng)電量以及該時間段內(nèi)電能轉(zhuǎn)換過程中的損耗之和。其中的計算方法如圖1所示，和分別表示逆變器和儲能電池的電能轉(zhuǎn)換效率。同理，當(dāng)＜時，負(fù)載的用電總和等于該時間段的光伏給負(fù)載放電量乘以決策因子a、儲能給負(fù)載放電量乘以決策因子b、電網(wǎng)給負(fù)載放電量乘以決策因子c以及該時段的電能轉(zhuǎn)換過程中的損耗之和。其中決策因子的4種情況如圖1所示，（1）a=1，b=1，c=0表示只有光伏和儲能給負(fù)載供電；（2）a=1，b=1，c=1表示光伏、儲能和電網(wǎng)同時給負(fù)載供電；（3）a=1，b=0，c=1表示只有光伏和電網(wǎng)給負(fù)載供電；(4)a=0，b=1，c=1表示只有儲能和電網(wǎng)同時給負(fù)載供電，即電池峰谷套利的模式。要注意的是，(4)僅在非有效光伏天數(shù)里進(jìn)行。

圖1 分時電價下S3的光伏儲能系統(tǒng)電量控制策略流程圖

而當(dāng)在固定電價時期，不管哪種模式都統(tǒng)一按照圖2的電量控制流程進(jìn)行。因為不存在分時電價，在沒有光伏發(fā)電的時就不存在儲能電池進(jìn)行峰谷套利。

圖2 固定電價下S3的光伏儲能系統(tǒng)電量控制策略流程圖

1.2 光儲系統(tǒng)的成本-效益模型

凈現(xiàn)值（NPV）是一種廣泛應(yīng)用于光伏和儲能分析中的經(jīng)濟(jì)效益分析方法[6]。本文利用該方法計算光伏或光伏儲能系統(tǒng)在全壽命周期中的經(jīng)濟(jì)收益，公式如下：

為了對比3種不同運(yùn)行情景（S1，S2，S3）的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)公式（1）至（3）中的計算模型，針對上述3種運(yùn)行場景定義了不同的成本和收益計算方式。其收益模型分別為：

其成本模型分別為：

公式（4）、（5）、（6）分別表示S1、S2、S3的收益模型，其中公式（4）中不包含給負(fù)載供電的收益，公式（6）包含在第j年內(nèi)光伏給負(fù)載供電收益、儲能通過存儲光伏電量然后給負(fù)載供電收益和儲能在非光伏有效天數(shù)通過存儲電網(wǎng)低谷電量給負(fù)載供電的收益；公式（8）代表S1和S2的成本模型，公式（9）表示S3成本模型，相對多了電池成本和電池的更新成本，以及在非光伏有效天數(shù)電池利用電網(wǎng)低谷電價充電的費(fèi)用。

由于電池的過充、過放電行為會導(dǎo)致電池性能的加速下降[7]，因此本文限定了電池的SOC范圍，見公式（10）。且儲能電池的充放電功率不應(yīng)超過最大功率限制[8]，見公式(11)和(12)。

雖然對光伏或光儲系統(tǒng)的成本、收益以及NPV值的計算在上述公式中已定義，但通過這些公式仍無法詳細(xì)計算每一部分的成本和收益，因此對構(gòu)成成本和收益的各部分計算模型進(jìn)一步進(jìn)行了補(bǔ)充（公式13-20）。

其中rg為光伏上網(wǎng)電價，和分別為國家補(bǔ)貼和地方補(bǔ)貼。

2 案例研究

本文選取了陜西省西安市某一居民的實際用電數(shù)據(jù)和該地區(qū)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，并基于上述模型框架進(jìn)行計算。

2.1 并網(wǎng)式用戶側(cè)光儲系統(tǒng)的分布圖

圖3為用戶側(cè)光儲系統(tǒng)的示意圖，圖中包含光伏、電網(wǎng)、儲能與負(fù)載。光伏優(yōu)先給負(fù)載供電，多余光伏優(yōu)先存儲在電池里，再賣給電網(wǎng)；光伏和儲能優(yōu)先給負(fù)載供電，不夠時由電網(wǎng)來補(bǔ)充。

圖3用戶側(cè)光伏儲能系統(tǒng)示意圖

2.2 光伏發(fā)電效率與負(fù)載用電需求

圖4 為陜西省西安市某家庭的具有代表性的一天用電負(fù)荷圖和當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘囊惶斓墓夥蕡D，光伏效率定義為瞬時光伏功率除以額定功率。在參考了陜西省西安市天氣的情況下，設(shè)定每個月的有效光伏天數(shù)為25天[9]。

圖4 代表性一天中的光伏發(fā)電效率與用戶負(fù)荷需求功率

2.3 光伏補(bǔ)貼與西安市電價政策

國家針對戶用分布式光伏且采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式的補(bǔ)貼依據(jù)最新的規(guī)定以0.08元/kWh進(jìn)行補(bǔ)貼，而根據(jù)西安市政策規(guī)定，西安市分布式光伏全發(fā)電量補(bǔ)貼為0.25元/kWh，連續(xù)補(bǔ)貼5年。因此西安市當(dāng)?shù)貞粲梅植际焦夥l(fā)電補(bǔ)貼（）前5年為0.33元/kWh，后15年為0.08元/kWh[10，11]。此外居民分布式光伏采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式的光伏上網(wǎng)電價為0.354 5元/kWh[12]。西安市電網(wǎng)公司在每年的11月份到第二年的3月份進(jìn)行了峰谷電價的探索，以此引導(dǎo)和鼓勵居民用戶參與電力移峰填谷，滿足居民電采暖、電儲能等個性化用電需求。其余月段為固定電價，為0.498 3元/kWh。實行峰谷電價的月份，其高峰時段（8:00-22：00）以0.548 3 元/kWh、用電低谷時段（22:00-8:00）以0.298 3元/kWh計算電費(fèi)。而對于光伏規(guī)模，在咨詢利益相關(guān)者的基礎(chǔ)上，假設(shè)光伏容量為5 kW。電池儲能容量設(shè)定為6.5 kWh。整個系統(tǒng)以20年為一個壽命周期，電池的成本下降率為15%，貼現(xiàn)率r設(shè)定為8%[13]。

2.4 光伏和儲能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定

表1為當(dāng)下市場的光伏系統(tǒng)和使用的逆變器所能達(dá)到的技術(shù)參數(shù)，表2為3種不同儲能電池的技術(shù)參數(shù)。

表2 不同電池儲能系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)果與討論

圖5顯示了3種場景下的NPV隨年份的變化情況。雖然三種場景的NPV都隨年份在增長，有趣的是，從全生命周期的NPV來看，S2＞S1＞S3，說明光伏產(chǎn)生的電力自我消納比完全賣給電網(wǎng)的盈利更高，但是光伏儲能系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下是不具備競爭力的；從回收成本最快的角度來看，S2（9年），S1（12年），S3-LIB2nd(13年)，但是有以新鋰離子電池作為儲能系統(tǒng)的場景在整個系統(tǒng)周期里無論怎樣都回收不了成本。雖然光伏儲能系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下的收益不太樂觀，但是梯次利用鋰離子電池與新鋰離子電池相比是具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的。

圖5不同應(yīng)用場景下的全生命周期內(nèi)光伏或光儲系統(tǒng)NPV值

圖6 顯示了各個場景模式下20年的收益與支出。可見在S1中，電量全部賣給了電網(wǎng)，能獲得更高的，但總的收益也相對較少。而在S2中一部分電量是在本地消耗的，從而增加了這項收益。在S3中無論是新鋰離子電池還是退役電池，得益于電池將光伏時移，獲得了更大的，而也相對減少了，但總的收益是增加的。各個場景模式中，占據(jù)最大份額，尤其在S3中，電池的成本是不可忽略的，且新鋰離子電池的成本明顯大于梯次利用電池。值得注意的是，這項兩者差距不大，主要緣于新離子電池更新了1次而梯次利用電池更新了3次，導(dǎo)致了梯次利用電池的更新成本也逐漸上升。

圖6 不同應(yīng)用場景模式下光伏或光儲系統(tǒng)20年的收益與支出

圖7 顯示了光伏電池系統(tǒng)中的能量流，在僅有光伏時，只有7.863 kWh在當(dāng)場被消耗，自利用率僅為35.13%，再加入電池后，自利用率能達(dá)到58.37%，增加了23.24個百分點。從新鋰離子電池和梯次利用電池轉(zhuǎn)移光伏的性能上來說并無差別，只是梯次利用電池因為效率較低，損失的能量更多，相對賣給電網(wǎng)的能量也相對減少。

圖7 光儲系統(tǒng)中能量流

住宅光伏系統(tǒng)的主要評價指標(biāo)通常是光伏系統(tǒng)的自利用率[14]。自利用率定義為光伏發(fā)電消耗量與光伏發(fā)電總量之比，見公式(21)。

鑒于較高的儲能成本，為了推動儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國也正在積極探索儲能系統(tǒng)補(bǔ)貼的合理方案。見表3。

表3 達(dá)到S1或S2對應(yīng)的NPV所要給予的補(bǔ)貼

目前主要有兩種方案：一是基于儲能系統(tǒng)的初始裝機(jī)容量進(jìn)行補(bǔ)貼，第二種是基于儲能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的實際放電量。本文以5 kW光伏+6.5 kWh電池的光儲系統(tǒng)為例，討論不同補(bǔ)貼方式對儲能系統(tǒng)的影響，特別是對退役電池儲能系統(tǒng)的NPV的影響。

圖8和圖9分別顯示了S3的NPV對基于儲能系統(tǒng)初始容量補(bǔ)貼和儲能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼的依賴性。

在圖8中，新鋰離子電池和梯次利用電池，不是按照相同比例在增加，因為在整個光伏儲能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)，新鋰離子電池會補(bǔ)貼2次，梯次利用電池會補(bǔ)貼4次。而在圖9中，無論是新鋰離子電池還是梯次利用電池都是基于5.2 kWh的有效放電量。政府決策者可能會更傾向于基于儲能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼，因為這樣也可以減輕他們的財務(wù)壓力。表3顯示了達(dá)到S1或S2對應(yīng)的NPV所要給予的補(bǔ)貼。S3-LIB要達(dá)到S2的NPV，如果按基于初始容量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以1.287 4元/kWh，補(bǔ)貼8 372元，每10年補(bǔ)貼一次。如果按照基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.725 8元/kWh，每年補(bǔ)貼1 246元；而S3-LIB2nd要達(dá)到S2的NPV，如果按基于初始容量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.248 4元/kWh進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)貼1 615元，每5年一次。如果按照基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.236 6元/kWh，每年補(bǔ)貼為406元。從以上分析可以看出，基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，政府長期的經(jīng)濟(jì)壓力是小的。而且從政府層面而言，更應(yīng)該提倡“光伏+梯次利用電池儲能”，因為所需的梯次利用電池儲能補(bǔ)貼資金更少。

圖8 S3模式的NPV對基于儲能系統(tǒng)初始容量補(bǔ)貼的依賴性

圖9 S3的NPV對基于儲能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼的依賴性

4 結(jié)論

本文研究了陜西省西安市梯次利用電池在戶用光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，以NPV為經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)。結(jié)論如下：

1）基于該地區(qū)較低的戶用電價以及較小的峰谷電價差，由于電池初始成本過高，戶用光伏儲能系統(tǒng)目前仍然無法與單光伏系統(tǒng)競爭。

2）雖然梯次電池在性能和壽命上不如新鋰離子電池，但其初始成本更低，梯次利用電池比新鋰離子電池更具競爭性。

3）戶用光伏儲能系統(tǒng)的推廣離不開政府對電池的補(bǔ)貼。采用基于梯次利用電池儲能放電量進(jìn)行補(bǔ)貼的方案是合理的，因為政府投放的儲能補(bǔ)貼資金更少。