严 鹏, 王 坤, 何 凯

(国网电动汽车服务江苏有限公司, 江苏 南京 210019)

0 引 言

目前,我国多地实现峰谷电价政策,用户在峰段时刻对用电的需求日益增加,大量负载接入电网给系统运行带来压力,在用户侧加装储能装置对缓解电网压力,对保证电网稳定可靠运行具有重要意义。此外,通过优化储能配置,还能带来各方面的经济效益。国内外学者对储能的控制和经济性建模方面进行深入的研究工作,并且基于不同的角度分析针对储能应用场景提供优化配置方案及其经济性分析。

国内方面,文献[1]探讨了用户侧储能容量配置,对其应用价值以及成本控制策略进行分析并针对性地提出最优运行模型。文献[2]从储能应用方面提出应加强储能运行模拟、多重组合利用、集中和分散相结合等建议。文献[3]根据运行倍率、放电深度、循环寿命的关系,建立电池循环寿命模型,实现了等效评估峰谷套利服务和调频服务的循环寿命,然后基于该模型考虑电池更换次数,以净收益最大化为目标,建立储能全生命周期的成本收益模型,并提出了用户侧储能参与调频服务的经济性评估方法。文献[4]分析了当前对分布式储能的需求并提出运营平台架构设计方案,按照省级运营平台与储能管理平台分开部署,从总体架构、物理架构、功能架构、应用架构与技术架构5方面开展研究,对支撑平台运营的通信技术和数据模型,以及运营评价模块和辅助决策模块进行详细分析。文献[5]从电网全环节出发,建立了基于全寿命周期成本-效益现值法的用户侧储能综合效益模型,并结合算例分析了其经济可行性,最后,结合经济模型的盈亏平衡点预测了用户侧储能的市场规模。文献[6]从储能在电力系统应用价值的角度详细分析了电网侧储能的应用场景,结合典型国家电网侧储能政策环境和中国电力体制改革情况分析,考虑投资主体、成本、电价等因素,研究提出了中国电网侧储能潜在的典型商业模式及相关政策建议,引导电网侧储能健康有序发展。

国外方面,文献[7]提出了将可再生能源(如风能)整合到现有电网中的用户侧需求储能管理方法,不同规模的分布式储能可以实现本地可再生能源供应商的调度,考虑了单位规模的减少会导致更多的信息需求和流量,以确保在本地电网约束范围内进行充分控制,最后通过市场模型对经济效益进行评估。文献[8]研究了针对用户侧的最佳储能系统容量和针对聚集器的最佳单价储能系统问题,通过数值研究得出,储能可以减少主电网的能量负荷并减少峰值功率。文献[9]提出一种考虑了发电、存储和可移动设备调度的组合性质的居民区能耗调度。时移设备的调度策略集本质上是离散的和组合的,因此使用优化单个用户支付功能的粒子群算法,结果证明了该方法在降低能源价格和系统峰值方面的有效性,同时考虑用户的隐私和舒适性。

因此,国内外对于各类储能的应用场景与需求管理等方面已经有相当多的研究。本文重点研究用户侧储能配置策略以及对储能项目进行经济性评估。

1 用户侧储能配置原则分析

电化学储能应用广泛,通过灵活配置,从而在功率和能量上满足不同用户需求。电化学储能响应速度快,对电能直接进行存储和释放,不受地理地形条件的限制。根据储能系统的类型与容量可以选择多种不同类型的电池,每种电池具有各自特点,根据化学物质不同可以分为铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池储能等。电化学储能目前面临的问题是电池的使用寿命不长,投资成本昂贵,因此有必要通过对储能系统进行优化来提高收益。

在配电网建设方面,工业用电量大,负荷特性稳定,负荷本身不存在峰谷差;居民用电量小、负荷大,负荷特性较差,会形成负荷峰谷差。电网设备的利用效率与峰谷差值大小有关,降低峰谷差值,可以有效减少电网的建设成本。因此,与工业用电对比,峰谷差对居民用电的配电网设施建设影响更大,为了提高配电网的设备利用效率,电池储能系统应着重用于居民负荷侧。

针对居民用户负荷,以铅酸电池、全钒液流电池和锂电池为主的储能系统的容量配置要遵循按所在区域居民最大负荷的30%、充放电时间2～3 h的原则。供电模式以配电变压器为主,配置的储能类型主要为功率型,储能装置仅在高峰时段使用。

一般储能系统是在用电低谷时存储电能,在用电高峰时刻给用户供电;当储能系统投入运行后,相当于在负荷侧进行负荷调整,不仅能够对负荷的变化作出快速响应,而且可以降低电网负载率,提高系统基础设施利用率。储能系统给用户供电和对电厂进行调频时,一般对多个储能装置进行统一规划,根据用户的用电需求,完成相应的调度。

当系统出现由扰动导致的电网频率偏差时,一般由发电机组自动响应频率变化,调整出力。但是发电机组一次调频响应速度相对较慢,且调整出力过大,不利于电网安全稳定运行。储能装置投运后,可在很大程度上弥补依靠发电机组调节速度慢的不足,快速响应频率偏差,减小频率偏差,提高系统运行稳定性。

2 储能项目经济性收益评估方法

2.1 储能成本模型

对于电池储能系统的成本计算,可以使用蓄电池储能系统等年值计算式作为目标函数:

minAc=(Pbessα+Ebessβ)

(1)

(2)

式中:Ac——蓄电池储能系统等年值;

Pbess——储能系统额定功率规划值;

α——储能系统分期偿还功率投资成本;

Ebess——储能容量规划值;

β——储能分期偿还容量投资成本;

Ce——储能系统容量投资成本;

T——储能系统使用寿命;

Cm——维护成本;

λ——储能系统功率投资与容量投资费用比。

不同储能系统的容量和运行方式各不相同,使用寿命也不同,而储能系统寿命年限直接影响到系统的投资成本与收益。一般影响电池使用寿命的因素有放电深度和充放电次数。为了更加合理地评估储能系统投资成本,建立了电池寿命的计算模型。当电池容量下降到额定容量的80%时,认为其寿命达到极限,根据电池的循环寿命与放电深度的函数关系,可以得出电池经过N次充放电后的剩余寿命Tres为

(3)

式中:Kcyc,D(i)——放电深度为D(i)时电池循环寿命。

为了延长储能系统使用年限,提高系统总体收益,一般给定充放电功率和充放电状态的最大值和最小值来延长电池使用寿命。各约束条件:

Pb,min≤Pb,t≤Pb,max

(4)

Pb,min=-|Pbess|,Pb,max=Pbess

(5)

Ebess·SOCmin≤Eb,t≤Ebess

(6)

Eb,t=Eb,t-1+ηchPb,t

(7)

Eb,t=Eb,t-1-Pb,t/ηdis

(8)

式中:Pb,t——时段t内储能充电放电功率;

Pb,max——储能设备充放电功率的最大值;

Pb,min——储能设备充放电功率的最小值;

Pbess——储能系统的额定功率;

Ebess——储能系统的容量值;

SOCmin——储能设备充放电状态的最小值;

Eb,t——时段t内储能系统储存的能量;

ηch——储能系统充电效率;

ηdis——储能系统放电效率。

不同电池储能系统造价构成与成本也各不相同。系统造价一般由运行系统、调度系统、监控系统等建造成本构成,此外还有电池成本和维护成本。

2.2 储能收益模型

(1) 削峰填谷收益。用户把高峰需求抑制到最低或转移高峰需求到低谷段,不仅不会带来电量消耗的变化,还能起到移峰填谷的作用,由于低谷段的电价比高峰段低,其中的差值可带来收益。削峰填谷收益EP为

EP=Ebess(Pp-Pv)D

(9)

式中:Ebess——储能系统的容量值;

Pp——峰段电价;

Pv——谷段电价;

D——储能系统运行天数。

(2) 调频运行收益。调频模式储能充放频繁,相较于削峰填谷电价模式,其放电深度更浅,循环次数更多。加入储能系统参加电厂调频后,电网调频能够快速响应,平稳提高电厂出力以及负荷率。调频收益Ef为

Ef=(Pc+Pmm)CaTf

(10)

式中:Pc——调频容量单价;

Pm——调频里程单价;

m——调频里程;

Ca——调频容量;

Tf——调频运行的时段。

(3) 可靠性收益。储能系统投运后,相当于在配电网中配置大量的电源,其输出电压、功率得到有效控制,有利于改善配电网中的低电压问题。同时电力系统能够平稳运行,供电区域可靠性得到保障,避免出现大面积停电,而由于停电次数与时间的减少,系统每年可为用户提供更多的电量。可靠性供电收益Er主要来源于多供电量带来的输配电效益和储能收益:

Er=ΔQPQT

(11)

式中: ΔQ——多供电量;

PQ——单位平均电价;

T——储能系统使用寿命。

3 算例分析

为了研究不同电池组成的储能系统带来的收益,针对用户侧电池储能的经济性分析,选取了铅酸电池、全钒液流电池和锂离子电池3种储能系统。不同类型的电池具有不同的性能参数,3种电池所组成的储能系统使用寿命与造价也不相同,其中全钒液流电池的全生命周期最大充放电次数最多,为9 000次;锂离子电池次之,为4 000次;铅酸电池的充放电次数较少,一般为1 800次。各储能系统造价如表1所示。

表1 各储能系统造价

由表1可见,铅酸电池投资成本最低,锂离子电池次之,全钒液流电池最高,但同时使用寿命也最长。在这3种电池组成的储能系统中,只有锂离子电池具备每日多次充放电循环运行的条件。

使用3种不同的电池分别设计了3种储能系统方案。方案一中配置了容量为1 MW/2 MWh的铅酸电池储能系统,可每日完全充放电一次;方案二配置了容量为4 MW/8 MWh的全钒液流电池储能系统,同样只能每日完全充放电一次;方案三配置了容量为0.5 MW/1 MWh的锂离子电池储能系统,锂离子电池可以实现每日多次充放电循环,但本方案采取单日完全充放电一次的策略。

峰谷电价也称“分时电价”,是在高峰用电时电价较高,而在低谷用电时电价低的一种电价机制。根据苏价工[2018]89号文件约定,江苏省高峰时间段为8∶00～12∶00,17∶00～21∶00;平峰时间段为12∶00～17∶00,21∶00～24∶00;低谷时间段为0∶00～8∶00。用户峰平谷段电价如表2所示。

考虑铅酸电池充放电效率为70%,全钒液流电池充放电效率为70%,锂电池的充放电效率为80%。一般储能系统在低谷时作为负载进行充电,然后在峰段作为电源进行放电,供附近的用户使用,起到削峰填谷的作用。通过计算储能系统全生命周期内充放电电量,可得到3种系统削峰填谷收益。

选取调频容量单价为100元/MW,调频里程为2.75,单位时间调频里程单价为15元/MW,结合式(11)可求得3种电池储能系统的调频运行收益。

若储能系统每天在低谷负荷时充电,在高峰负荷时放电,对于可靠性方面,使用电池储能系统理论上每年可减少用户故障停电25 h,结合各储能系统的使用寿命可得到可靠性收益。3种储能系统各项收益如图1所示。

由图1可见,电池储能系统的主要收益来源于削峰填谷获得的电价差收益。在3种电池储能系统中,全钒液流电池的各项收益是最高的,这与储能系统本身的全寿命周期长有很大关系;与全钒液流电池系统相比,铅酸电池储能系统各项收益不显著,但因系统本身造价与维护成本不高,可在较短时间内实现系统的收益;锂离子电池储能系统收益很低,如果增加锂离子电池储能系统每日充放电循环次数,按照每日充放电循环2～3次模式运行,其静态投资回收期可以大大缩短。但是锂离子电池的寿命会随着每日充放电次数的增加而缩短,而且由于系统每日充放电循环次数增加,电池不可避免地会在峰段充电、在谷段放电,间接减少经济收益。

4 结 语

本文重点研究用户侧储能配置策略以及对储能项目进行经济性评估,给出了储能系统容量配置的原则。通过研究储能对电网调频的影响得出储能系统可使电网更加稳定可靠运行。研究了铅酸电池、全钒液流电池和锂离子电池3种储能系统,全钒液流电池收益最高,但是要运行2～3年才能实现系统收益;铅酸电池收益次之,且投运1年即可收回成本,但是电池充放电次数少,储能系统工作寿命短;锂离子电池收益不显著,但可通过单日多次充放电循环来缩短收益周期。