光伏儲能系統(tǒng)的電池容量配置研究

吳邊

四川大唐國際新能源有限公司 四川 成都 610031

引言

對于國民經(jīng)濟(jì)而言，能源是其重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原動力，可以直接決定人們的生活質(zhì)量。在能源需求日益增長的背景下，大多數(shù)國家都已經(jīng)在開發(fā)及利用可再生能源的過程中展開了積極探索和踴躍實踐。與此同時，我國的生活電力消費(fèi)量也表現(xiàn)出較為明顯的增長趨勢，需要積極探索提升電力生產(chǎn)量的方式，不斷提升能源轉(zhuǎn)換效率，提高對于新能源發(fā)電技術(shù)的充分關(guān)注，以提升清潔能源的發(fā)電比重。

1 案例分析

光伏發(fā)電常表現(xiàn)出與環(huán)境無害、清潔等多種特點(diǎn)，其主要收益來源可分為3個方面，分別為所節(jié)約的電費(fèi)、政策補(bǔ)貼及售電所得收入。利用電能儲能技術(shù)，可以實現(xiàn)對于過剩電量的儲存，以便及時獲取接收所需的電能，更好適應(yīng)系統(tǒng)的電負(fù)荷需求，讓系統(tǒng)對間歇性可再生能源的接納水平得到充分提升。在光伏發(fā)電裝置之中融入儲能系統(tǒng)，可以有效提升系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)性，為用戶爭取大量的收益[1]。通?？梢詫⒐夥鼉δ芎碗姵貎δ荞詈系氖找娓爬閮蓚€方面，其一為系統(tǒng)中所存儲的多余光伏電力電網(wǎng)電價和外送電價的差值；其二則為系統(tǒng)中所存儲的多余電力電網(wǎng)電價和電力釋放時所產(chǎn)生的電網(wǎng)電價差。

現(xiàn)階段，在實施光伏儲能系統(tǒng)研究時普遍集中于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型，綜合利用多種方法進(jìn)行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型制作，以實現(xiàn)對于儲能電池光伏發(fā)電系統(tǒng)的充分評估，確定其經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)此確定儲能電池的實際經(jīng)濟(jì)效益。利用目前所使用的各類光伏發(fā)電設(shè)備，可以實現(xiàn)對于電池容量及功率狀態(tài)的充分配置，并將其作為開展光伏儲能系統(tǒng)規(guī)劃的重要前提。由于電池容量過小，則可能相應(yīng)影響光伏電力的消納水平，若電池容量過大，則可能相應(yīng)增加電池的投資成本。為此，要求充分做好電池容量及價格的平衡工作，爭取在二者之間建立一個最佳的平衡機(jī)制。目前國內(nèi)外學(xué)者都做了大規(guī)模的系統(tǒng)配置運(yùn)行調(diào)度研究工作，強(qiáng)調(diào)將住宅及樓房作為主要的調(diào)度單位，著眼于個體視角，切實提升系統(tǒng)配置的整體收益。然而，目前世界范圍內(nèi)都缺乏對于區(qū)域光伏儲能系統(tǒng)容量問題的深入研究，且研究進(jìn)度仍然有待提升，同時，因為受到國家政策及區(qū)域資源的多重限制，導(dǎo)致我國難以照搬國外的先進(jìn)經(jīng)驗和研究結(jié)論。我國目前應(yīng)用相對廣泛的技術(shù)為結(jié)合具體的負(fù)荷量及光伏日發(fā)電預(yù)測曲線確定相應(yīng)的光伏儲能系統(tǒng)模型，并以此為前提，實現(xiàn)對于電池容量的充分優(yōu)化和有效配置，以充分保障模型的適用性。

以某從化工業(yè)園區(qū)的光伏儲能系統(tǒng)為例，利用園區(qū)的光伏出力可以很好適應(yīng)電能負(fù)荷的需求，并將其出售給電網(wǎng)，以相應(yīng)增加儲能設(shè)備，為儲能電池進(jìn)行充電?？梢酝ㄟ^內(nèi)部收益率衡量儲能電池所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，該數(shù)值與資金流入現(xiàn)值總額及資金流出現(xiàn)值總額先進(jìn)，其數(shù)值越高，則相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益也就越為突出。針對儲能電池中的內(nèi)部收益率進(jìn)行計算，則需充分關(guān)注電池投資成本及年儲能電池收益等內(nèi)容，同時，在具體的優(yōu)化程序中計算出相應(yīng)數(shù)值。

本文數(shù)據(jù)都是在工業(yè)園區(qū)示范項目中所計算的，包含園區(qū)方案負(fù)荷預(yù)測、電價、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）出力等數(shù)據(jù)。需要結(jié)合不同園區(qū)之中的企業(yè)和行業(yè)數(shù)據(jù)確定園區(qū)內(nèi)的電負(fù)荷，通過年最大負(fù)荷利用小時數(shù)法確定園區(qū)之中的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)情況。本文重點(diǎn)關(guān)注光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，可以在園區(qū)負(fù)荷功率的基礎(chǔ)上減掉CHP發(fā)電功率，將其視作一種有效負(fù)荷[2]。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡湫湍隁庀髤?shù)情況和園區(qū)之中的光伏設(shè)備參數(shù)信息，可以確定園區(qū)在2020年的實際光伏發(fā)電功率情況，最終得出該園區(qū)之中的光伏發(fā)電功率為8760h，且呈現(xiàn)出相對明顯的周期性光伏變化趨勢。該園區(qū)之中白天光伏發(fā)電功率相對較高，但是夜間基本不會出現(xiàn)明顯的變化，全年光伏出力峰值則為26MW。

在園區(qū)中已經(jīng)初步建成了光伏設(shè)備，針對設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益予以計算，通常無須關(guān)注設(shè)備投資成本?？梢詫⒐夥l(fā)電提供給負(fù)荷和儲能電池進(jìn)行充電，也可以將其售賣給電網(wǎng)，該地區(qū)的光伏上網(wǎng)電價為0.4515元/kWh，而所獲取的發(fā)電補(bǔ)貼則為0.42元/kWh。

然而，在政策的影響下，該地區(qū)的光伏補(bǔ)貼及上網(wǎng)電價都出現(xiàn)了不同程度的降低，且降低幅度日益增加，隨著光伏度電補(bǔ)貼的日益降低，勢必降低園區(qū)中光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，其具體的補(bǔ)貼金額往往受到全年實際光伏發(fā)電量的影響，而不會被儲能變化所影響。隨著上網(wǎng)電價的不斷降低，可能對電池的充放電策略造成一定影響，為此，在上網(wǎng)電價中往往不包含上述數(shù)值。

要求將園區(qū)光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益當(dāng)作重點(diǎn)關(guān)注對象，這一指標(biāo)將會通過系統(tǒng)全年支出指標(biāo)予以展現(xiàn)，可以將其當(dāng)作所需確定的目標(biāo)函數(shù)。針對儲能電池進(jìn)行投資，通常為一次性支出，可以將其全年費(fèi)用支出定義如下：針對電池所需的全部投資進(jìn)行均攤，分?jǐn)偟诫姵厮苁褂玫拿總€年限中，同時，額外附加購電、補(bǔ)貼及售電費(fèi)用，將上述費(fèi)用之和作為儲能電池設(shè)備的全年總費(fèi)用。至于光伏及儲能設(shè)備，由于在使用過程中無須進(jìn)行過多的維護(hù)，與電費(fèi)及所需的投資成本相比，維護(hù)過程中所需消耗的成本微乎其微，因此，往往只需關(guān)注電費(fèi)支出及投資成本即可。

針對光伏儲能電池實施優(yōu)化配置，要求在系統(tǒng)中分別輸入電池相關(guān)參數(shù)及容量、系統(tǒng)年負(fù)荷值、分時電價情況、光伏出力預(yù)測數(shù)據(jù)、并網(wǎng)價格及電池容量、功率等數(shù)據(jù)信息。運(yùn)行所設(shè)計的針對性優(yōu)化程序，可以得出最為合理的電池容量及功率配置結(jié)果，在此基礎(chǔ)上確定最佳的電池充放電策略，確定此背景下系統(tǒng)在整年288h系統(tǒng)之中的實際電池充放電功率，得出所需的系統(tǒng)實際購電售電功率信息，同時，也可以確定該優(yōu)化程序下的系統(tǒng)在測試整年中的實際費(fèi)用支出情況，計算出儲能電池投資的內(nèi)部收益率和光伏自我消納率，以便結(jié)合具體數(shù)值展開分析，并確定最佳的配置方案，讓光伏儲能電池的效率得以提升，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢[3]。

2 優(yōu)化結(jié)果分析

針對園區(qū)全年低方案負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、電價數(shù)據(jù)及光伏處理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其導(dǎo)入到優(yōu)化程序之中，將光伏上網(wǎng)電價的參數(shù)和度電補(bǔ)貼分別調(diào)整為0.4515和0.42元/kWh，將儲能電池的報價確定為250萬元/每兆瓦時。該優(yōu)化程序的運(yùn)行結(jié)果顯示功率配置與電池容量一致，且二者均為0，由此可見，電池投資的成本相對交工，而利用電池儲能的方式則往往難以回收所投入的大量成本。隨著電池容量及功率投資成本的持續(xù)降低，需要針對程序參數(shù)實施針對性優(yōu)化，同時不改變其他無關(guān)數(shù)據(jù)，以得出與電池成本變化情況相關(guān)聯(lián)的電池容量及電池充放電功率信息，進(jìn)而判斷儲能電池的實際充放電效率。

隨著電池投資產(chǎn)成本的持續(xù)降低，可配置電池的容量及功率也會發(fā)生相應(yīng)的變化，使其經(jīng)濟(jì)效益大幅提升。此外，在優(yōu)化結(jié)果中所展現(xiàn)的實際功率值可以展現(xiàn)出具體的系統(tǒng)功率流動情況。

一般在夜間電價低谷時針對儲能電池進(jìn)行充電，至于放電時間，則通常安排在電價高峰期，以便削弱相應(yīng)的購電電費(fèi)，而電池儲能在這一系統(tǒng)中展現(xiàn)了十分重要的峰谷差價套利優(yōu)勢。隨著電池容量成本的持續(xù)下降，電池容量的增幅也呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢，然而，實際配置的電池功率則未表現(xiàn)出明顯的增長態(tài)勢，其原因主要在于光伏儲能系統(tǒng)中的電能負(fù)荷有限，將電池所放的電能全部應(yīng)用在園區(qū)負(fù)荷之中，一旦其放電功率配置過大，則難以進(jìn)行高效利用，也就不可避免地帶來了許多資源損失。

由于受到負(fù)荷需求的限制，若完全借助電池放電滿足所需的負(fù)荷量，需始終將負(fù)荷功率保持在放電功率值以上，讓電池容量得以免受日負(fù)荷總量的限制。避免在加裝電池中設(shè)置系統(tǒng)購電峰值，以更好適應(yīng)電池容量需求。容電池成本相對較低，則相應(yīng)的容量及功率配置需要有一定限制。

隨著電池成本的不斷下降，光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策也發(fā)生了相應(yīng)的變化，光伏上網(wǎng)電價呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，也因此帶來了光伏度電補(bǔ)貼變化，這一補(bǔ)貼逐年減少，甚至有被取消的風(fēng)險。由此可見，光伏補(bǔ)貼將會直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，然而，這一補(bǔ)貼卻不會對儲能電池規(guī)劃及充放電策略造成過多的影響，與之相反，光伏上網(wǎng)電價則會直接影響電池充放電策略及系統(tǒng)功率流向等問題[4]。

如果并網(wǎng)電價在谷段電價以下，則采取光伏充電的方式更為高效，但會導(dǎo)致光伏發(fā)電并網(wǎng)內(nèi)容大幅減少。由此可見，利用儲能電池可以充分提升光伏的自我消納能力。而若光伏出力的數(shù)值過高，但負(fù)荷較低，則光伏可以在適應(yīng)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，留下一定電力進(jìn)行充電。若光伏出力表現(xiàn)出更低的相對負(fù)荷值，則以此為前提適當(dāng)降低光伏處理值。此過程中，不僅可以使用光伏進(jìn)行充電，還可以在夜間谷段實施充電。若并網(wǎng)的電價在谷段電價以下，則可以讓光伏充電展現(xiàn)出更高的優(yōu)先級，只有在光伏充電量有限時，才需采取購電的方式予以充電，至于并網(wǎng)電價，在其電價高于谷段電價時，優(yōu)先級則正好相反。

3 結(jié)束語

本文針對光伏—儲能系統(tǒng)構(gòu)建了線性整數(shù)規(guī)劃模型，統(tǒng)一計算了園區(qū)光伏儲能系統(tǒng)中電池的充放電功率及購電售電功率等多項參數(shù)，并實施了優(yōu)化計算，在此基礎(chǔ)上確定最為合理的電池充放電策略及電池配置方案，明確在電池成本、上網(wǎng)電價及電池壽命等多種因素變化下的配置結(jié)果變化情況?，F(xiàn)階段，我國在儲能電池領(lǐng)域的投資力度相對較大，但是，電池使用壽命卻相對較短，無法及時收回園區(qū)之中所加裝的儲能電池，也無法及時回收相應(yīng)的投資成本。電池價格的持續(xù)降低在一定程度上增加了儲能電池的經(jīng)濟(jì)效益，而光伏發(fā)電補(bǔ)貼及光伏上網(wǎng)電價的持續(xù)降低，也相應(yīng)降低光伏發(fā)電的收益，可以有效提升電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

若光伏并網(wǎng)的電價高于谷段電價，則可以在電價低谷時購電，并在電價高峰時予以放電，以獲取差價利潤。利用光伏為電池充電，若優(yōu)先級較低，則需將電池的放電功率調(diào)整到負(fù)荷功率以內(nèi)；若谷段電價超出了并網(wǎng)電價，則可以利用光伏進(jìn)行充電，并在電價低谷時采取購電充電的方式予以補(bǔ)充，以切實提升系統(tǒng)的光伏發(fā)電消納能力。