光伏發(fā)電項(xiàng)目?jī)?chǔ)能容量的計(jì)算分析

常穎 孫立寧

在我國(guó)對(duì)可再生能源的大力倡導(dǎo)及扶持政策的推動(dòng)下，新能源產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)規(guī)模迅速擴(kuò)大，并網(wǎng)容量快速攀升。然而，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)，因受自然（風(fēng)、光）條件影響，具有波動(dòng)性和間歇性，控制及調(diào)節(jié)難度大，大規(guī)模的并網(wǎng)，會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來(lái)影響，故其并網(wǎng)容量受到限制，導(dǎo)致我國(guó)新能源發(fā)電項(xiàng)目棄光、限電等現(xiàn)象屢見不鮮。

儲(chǔ)能作為電網(wǎng)中一種優(yōu)質(zhì)、靈活的調(diào)節(jié)資源，可進(jìn)行大容量快速充、放電，可有效地滿足新能源大規(guī)模接入和用戶用能方式升級(jí)帶來(lái)的系統(tǒng)平衡新需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)改變了電能生產(chǎn)、輸送和使用同步完成的傳統(tǒng)模式，使得實(shí)時(shí)平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得更加“柔性”，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，特點(diǎn)各異。從儲(chǔ)能介質(zhì)類型來(lái)看，儲(chǔ)能大致可分為機(jī)械類儲(chǔ)能（抽水蓄能電站、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能）、電氣類儲(chǔ)能（超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能）、電化學(xué)類儲(chǔ)能（鋰離子電池、液流電池、鉛碳電池）、化學(xué)類儲(chǔ)能（氫儲(chǔ)能）。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能在我國(guó)發(fā)展迅速，鋰離子電池主要分為磷酸鐵鋰體系、三元鋰體系和鈦酸鋰體系。其中磷酸鐵鋰電池由于其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、能量轉(zhuǎn)化率高、可快充快放等優(yōu)點(diǎn)，已被大規(guī)模應(yīng)用在電網(wǎng)和新能源的配套建設(shè)中。

1 項(xiàng)目概況

以某大型光伏配套儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，對(duì)儲(chǔ)能配置容量進(jìn)行計(jì)算分析。案例項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)近海海域,占海域面積約7.0 km2，光伏裝機(jī)容量為622.8 MWp。項(xiàng)目主要任務(wù)是給位于光伏場(chǎng)區(qū)附近的某化工廠（下面簡(jiǎn)稱A工廠）提供生產(chǎn)用電。在光伏發(fā)電時(shí)段，光伏場(chǎng)區(qū)除了向A工廠供電，還將多余電量存入儲(chǔ)能蓄電池，在非光伏發(fā)電時(shí)段再將儲(chǔ)存電能釋放，做到光伏所發(fā)電能盡量多的被A工廠消納。同時(shí)還可加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)間管理，利用電網(wǎng)電價(jià)差獲取收益。本項(xiàng)目配套儲(chǔ)能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電化學(xué)體系。

A 工廠為24 h生產(chǎn)運(yùn)行模式，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)大于8 000 h，A 工廠用電負(fù)荷為32 萬(wàn)kW·h，負(fù)荷常年基本穩(wěn)定。為了便于分析和計(jì)算，假設(shè)A工廠在一天當(dāng)中的任意時(shí)段負(fù)荷恒定，全年運(yùn)行。

2 儲(chǔ)能的應(yīng)用模式

我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用模式主要分為3類：電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、電源側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能用于電網(wǎng)的削峰填谷、一次調(diào)頻等；電源側(cè)儲(chǔ)能主要作用是電源側(cè)調(diào)頻和促進(jìn)新能源消納；用戶側(cè)儲(chǔ)能具有降低配電網(wǎng)負(fù)荷峰值，保證供電可靠性，降低企業(yè)用電成本，利用電價(jià)差獲取收益等功能。

案例工程的儲(chǔ)能系統(tǒng)是與光伏項(xiàng)目配套建設(shè)的，并且可服務(wù)于用電企業(yè)，因此同時(shí)具備電源側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能的性質(zhì)和功能。

3 儲(chǔ)能容量的計(jì)算

3.1 最大儲(chǔ)能容量的計(jì)算

“最大儲(chǔ)能容量”是一個(gè)理論計(jì)算值，即按光伏電站多年平均最大發(fā)電月份中日均最大發(fā)電量下不產(chǎn)生棄光所需要的儲(chǔ)能容量。

由于太陽(yáng)總輻射量在不同季節(jié)（月份）存在巨大差異，對(duì)光伏電站發(fā)電量有很大影響。以發(fā)電量最大月份5月的發(fā)電量（天津地區(qū)）作為計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)確定儲(chǔ)能容量上限，通過(guò)專業(yè)的分析軟件，將案例工程日發(fā)電量分解為每時(shí)的發(fā)電量進(jìn)行分析。

圖1為5月份5：00—19：00時(shí)的日平均光伏場(chǎng)區(qū)發(fā)電量、A工廠用電量和儲(chǔ)能量曲線。儲(chǔ)能容量、發(fā)電量及用電量三者之間的關(guān)系為：儲(chǔ)能容量=發(fā)電量-用電量（為便于分析，未計(jì)及蓄電池充、放電損耗）。經(jīng)計(jì)算，一天當(dāng)中儲(chǔ)能量最大時(shí)段在11：00—12：00時(shí)，容量約為61.3 MW·h，全天儲(chǔ)能容量約為165.76 MW·h。從理論上說(shuō)，如果按照61.3 MW/165.76 MW·h的功率/容量去配置儲(chǔ)能，則光伏場(chǎng)區(qū)全年無(wú)棄光現(xiàn)象。

圖1 每小時(shí)發(fā)電量、用電量及儲(chǔ)能量關(guān)系

但對(duì)于實(shí)際工程而言。由于最大儲(chǔ)能容量是按照一年當(dāng)中發(fā)電量最大的月份進(jìn)行測(cè)算的，按此儲(chǔ)能容量去配置儲(chǔ)能顯然是不合理的案例。工程一年當(dāng)中其他月份的儲(chǔ)能容量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各月份待儲(chǔ)能容量 kW·h

可見，如果以5月份的儲(chǔ)能量來(lái)配置儲(chǔ)能容量，在其他月份中儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到滿充狀態(tài)，甚至在9月—翌年1月期間，將沒(méi)有剩余電量進(jìn)行存儲(chǔ)，按照“最大儲(chǔ)能容量”方式配置顯然造成了儲(chǔ)能資源的浪費(fèi)。另外，現(xiàn)階段儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格為1.2~1.5元/（kW·h），居高不下的價(jià)格也阻礙了儲(chǔ)能容量的提高。

拓展儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益范圍是提高儲(chǔ)能收益和儲(chǔ)能容量的必要途徑。

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)收益分析

本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)具有電源側(cè)和用戶側(cè)2種性質(zhì)，儲(chǔ)能收益包括以下幾個(gè)部分：（1）儲(chǔ)新能源電力收益，由于儲(chǔ)能設(shè)施的建設(shè)而避免棄光的補(bǔ)償性電費(fèi)收益；（2）電價(jià)差套利收益，用戶側(cè)儲(chǔ)能電站在負(fù)荷低谷且電價(jià)較低時(shí)對(duì)儲(chǔ)能裝置充電，在負(fù)荷高峰且電價(jià)較高時(shí)放電，利用電網(wǎng)的電價(jià)差獲利；（3）容量費(fèi)收益，如A工廠由專用配電變壓器供電，每月需按照其申請(qǐng)用電的最大需量交納基本電費(fèi)。安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可減少用戶的峰值負(fù)荷數(shù)值，進(jìn)而減少了每月的容量電費(fèi)；（4）電力需求側(cè)響應(yīng)收益，在電力供應(yīng)緊張、電網(wǎng)嚴(yán)重故障或系統(tǒng)安全可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，電力用戶接收到供給側(cè)發(fā)出的減少負(fù)荷的服務(wù)補(bǔ)償通知后，改變其固有的用電方式，達(dá)到減少或者推移某時(shí)段的用電負(fù)荷的響應(yīng)，從而維護(hù)用電秩序平穩(wěn)的短期行為。

由此可知，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的獨(dú)特作用，儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益是多種多樣的。由于容量費(fèi)收益及電力需求側(cè)響應(yīng)收益涉及到各地用電政策和不同電網(wǎng)的要求，計(jì)算比較復(fù)雜，本案例僅分析前2種收益。

3.3 儲(chǔ)能平衡容量

在以上分析的基礎(chǔ)上，提出“儲(chǔ)能平衡容量”的概念，即在理論上存在一個(gè)容量使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)和收益兩者的費(fèi)用相等，即儲(chǔ)能的造價(jià)和收益達(dá)到平衡，此時(shí)儲(chǔ)能容量稱為“儲(chǔ)能平衡容量”。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)配置的儲(chǔ)能容量＜“儲(chǔ)能平衡容量”時(shí)，儲(chǔ)能造價(jià)＜儲(chǔ)能收益，則儲(chǔ)能收益與儲(chǔ)能造價(jià)的差額為正值，建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以獲得正收益。

（2）當(dāng)儲(chǔ)能容量＞“儲(chǔ)能平衡容量”時(shí)，儲(chǔ)能造價(jià)＞儲(chǔ)能收益，則儲(chǔ)能收益與儲(chǔ)能造價(jià)的差額為負(fù)值，建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨虧損。

（3）當(dāng)儲(chǔ)能容量=“儲(chǔ)能平衡容量”時(shí)，儲(chǔ)能造價(jià)=儲(chǔ)能收益，此時(shí)儲(chǔ)能收益與造價(jià)的差額為0，則這個(gè)可使儲(chǔ)能收益與造價(jià)的差額為0的容量即可以作為項(xiàng)目配套儲(chǔ)能容量的上限。

4 收益計(jì)算

4.1 儲(chǔ)能收益

計(jì)算使用數(shù)據(jù)：A工廠以0.78元/（kW·h）（投資方與用電企業(yè)簽訂電力收購(gòu)合同中的價(jià)格）收購(gòu)光伏發(fā)電廠和儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的電力，儲(chǔ)能造價(jià)按照1.4元/（kW·h），儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期與光伏項(xiàng)目統(tǒng)一為25年，考慮期間更換1次電池，價(jià)格不變。儲(chǔ)能系統(tǒng)年放電衰減系數(shù)按0.98 計(jì)，每日充放電各1 次，計(jì)算過(guò)程中不考慮放電深度的影響。

配置不同儲(chǔ)能容量時(shí)所對(duì)應(yīng)的棄光量、避免棄光量和儲(chǔ)能收益的數(shù)據(jù)見表2。

表2 棄光量，避免棄光量和儲(chǔ)能收益

4.2 電價(jià)差套利收益

4.2.1 運(yùn)行模式的制定

確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式是計(jì)算儲(chǔ)能收益的前提，假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在2—8月期間儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行正常的充放電運(yùn)行，在發(fā)電時(shí)段由光伏場(chǎng)區(qū)向蓄電池進(jìn)行充電，非發(fā)電時(shí)段由儲(chǔ)能裝置向A工廠供電；在9月—翌年1月之間采用電價(jià)差套利模式運(yùn)行，在電價(jià)谷時(shí)段從電網(wǎng)購(gòu)電向蓄電池充電，在電價(jià)峰時(shí)段由儲(chǔ)能裝置向A工廠供電。

4.2.2 計(jì)算公式

利用電價(jià)差年收益可表示為：

式中——儲(chǔ)能在第ih的放電功率，kW；

Mi——i時(shí)段的電價(jià)，元/（kW·h）；

n——儲(chǔ)能年投運(yùn)次數(shù)。

4.2.3 電價(jià)差套利計(jì)算

可知9月—翌年1月，共153 d，谷時(shí)段在0：00—8：00時(shí)，電費(fèi)暫按0.427 kW·h計(jì)，A工廠的收購(gòu)電價(jià)仍然使用0.78元/（kW·h）。理論上假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在每天的谷段內(nèi)將儲(chǔ)能容量從0 MW·h充至滿載165.76 MW·h，然后在高峰電價(jià)時(shí)間段將電能釋放到電網(wǎng)。則第一年的峰谷價(jià)差收益為894.49萬(wàn)元。

由上述算法可計(jì)算出，25 年電價(jià)差套利的收益，可見表3。

表3 9月—翌年1月電價(jià)差套利的收益（儲(chǔ)能容量165.76 MW·h）

4.2.4 儲(chǔ)能平衡容量的計(jì)算

以相同的運(yùn)行方式和計(jì)算方法可計(jì)算出不同儲(chǔ)能容量的電價(jià)差套利收益，將電價(jià)差收益與表2儲(chǔ)能收益疊加，并將收益總和與儲(chǔ)能造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果可見表4。

表4 不同儲(chǔ)能容量收益對(duì)比

由表4可知，如果以最大儲(chǔ)能容量165.76 MW·h來(lái)配置儲(chǔ)能，儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)將大于儲(chǔ)能收益的總和，收益與造價(jià)的差額為-3 189.13萬(wàn)元，可見以最大儲(chǔ)能容量165.76 MW·h來(lái)配置儲(chǔ)能從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮并不合理。

實(shí)際上，在運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù)確定的前提下，可以計(jì)算出儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能平衡容量，表中顯示本案的儲(chǔ)能平衡容量在44.68 MW·h 和146.98 MW·h之間，通過(guò)插值法反復(fù)試算，得出儲(chǔ)能平衡容量接近120 MW·h。

4.2.5 外部條件變化對(duì)“儲(chǔ)能平衡容量”的影響

在上述外部條件一定的前提下，本案例的儲(chǔ)能平衡容量接近于光伏裝機(jī)容量的19.3%。但隨著外部條件的變化，儲(chǔ)能平衡容量和占比將會(huì)發(fā)生很大變化。企業(yè)收購(gòu)電價(jià)、谷電價(jià)、儲(chǔ)能造價(jià)和運(yùn)行方式均是儲(chǔ)能平衡容量比較敏感的因素。

在其他外部條件不變的前提下，表5可體現(xiàn)出企業(yè)收購(gòu)電價(jià)的變化對(duì)儲(chǔ)能平衡容量的影響，表6可體現(xiàn)出儲(chǔ)能造價(jià)的變化對(duì)儲(chǔ)能平衡容量的影響：

表5 不同收購(gòu)電價(jià)下儲(chǔ)能平衡容量對(duì)比

表6 不同儲(chǔ)能造價(jià)下儲(chǔ)能平衡容量對(duì)比

由表5 和表6 可知：當(dāng)企業(yè)收購(gòu)電價(jià)以0.1 元/（kW·h）為一檔變化時(shí)，電價(jià)每變化一檔，都會(huì)對(duì)儲(chǔ)能平衡容量計(jì)算值產(chǎn)生很大的影響，電價(jià)越高，儲(chǔ)能平衡容量增長(zhǎng)的幅度越大；同樣，當(dāng)儲(chǔ)能造價(jià)以0.2 元/（kW·h）為一檔變化時(shí)，也會(huì)對(duì)儲(chǔ)能平衡容量產(chǎn)生較大的影響，但其影響程度要小于電價(jià)變化對(duì)儲(chǔ)能平衡容量的影響程度，可知電價(jià)是影響儲(chǔ)能平衡容量變化最為敏感的因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了“儲(chǔ)能平衡容量”的計(jì)算方法，并用此方法較為準(zhǔn)確地為案例項(xiàng)目計(jì)算出符合其投資企業(yè)內(nèi)部收益標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)能容量，為企業(yè)的決策提供了依據(jù)；儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益受到企業(yè)收購(gòu)電價(jià)、電網(wǎng)售電電價(jià)、系統(tǒng)本身的造價(jià)及系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素的影響，其中電價(jià)是影響“儲(chǔ)能平衡容量”變化最為敏感的因素；開展儲(chǔ)能系統(tǒng)多種收益模式的應(yīng)用，擴(kuò)大企業(yè)自建儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益范圍，是促進(jìn)企業(yè)開發(fā)儲(chǔ)能設(shè)施的必要途徑。

另外，儲(chǔ)能容量的確定，除了根據(jù)理論方法計(jì)算外，還應(yīng)遵守項(xiàng)目所在地的儲(chǔ)能政策，從項(xiàng)目通過(guò)電網(wǎng)審批的角度去配置容量。以天津地區(qū)為例，規(guī)模超過(guò)50 MW的風(fēng)電、光伏項(xiàng)目要承諾配套建設(shè)一定比例的儲(chǔ)能設(shè)施或提供相應(yīng)的調(diào)峰能力。目前，光伏項(xiàng)目要求配置的儲(chǔ)能容量為裝機(jī)容量的15%，放電時(shí)間為2 h。

新能源項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)容量的確定，當(dāng)以國(guó)家和地區(qū)的儲(chǔ)能政策為指引，并與理論計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，為業(yè)主的決策提供支撐。隨著電力交易市場(chǎng)化的完善，用戶側(cè)儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)側(cè)的響應(yīng)收益也將逐漸落實(shí)，需求響應(yīng)收益將按照每年響應(yīng)的次數(shù)、時(shí)間、響應(yīng)功率進(jìn)行核算，屆時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益還會(huì)有所增漲。