修曉青，李建林，惠東

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引言

近年來，隨著人民生活水平的提高和電力負(fù)荷的快速增長，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐步增大，與此同時(shí)，隨機(jī)性、波動(dòng)性、不可調(diào)度性的可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)的調(diào)峰問題更加突出，也給電力調(diào)度造成一系列的困難。電力系統(tǒng)中電源及輸配電設(shè)備均按照電網(wǎng)高峰負(fù)荷規(guī)劃建設(shè)，但電網(wǎng)高峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)致為滿足高峰負(fù)荷需求而規(guī)劃建設(shè)的電力設(shè)備資產(chǎn)利用率較低。研究解決電網(wǎng)調(diào)峰問題、提高資產(chǎn)利用率是現(xiàn)階段電網(wǎng)建設(shè)面臨的一個(gè)重要課題。

我國的電源結(jié)構(gòu)以火電為主，大多數(shù)常規(guī)火電機(jī)組能夠靈活調(diào)節(jié)出力的能力不足額定容量的50%，當(dāng)負(fù)荷峰谷差低于火電機(jī)組的調(diào)整范圍時(shí)，需要部分小容量機(jī)組啟停調(diào)峰或壓火調(diào)峰，甚至需投資建設(shè)更多的機(jī)組并改進(jìn)火電機(jī)組的運(yùn)行方式來滿足調(diào)峰需求，從而大幅增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本［1-3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來我國電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差為38% ～48%［4］。以遼寧電網(wǎng)為例，2011年遼寧電網(wǎng)峰值負(fù)荷為22 362 MW，低谷負(fù)荷為12 708 MW，峰谷差為43.2%。

調(diào)峰問題是電網(wǎng)運(yùn)行中的基本問題。啟停迅速、運(yùn)行方式靈活的調(diào)峰技術(shù)符合電網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)的應(yīng)用需求。在電力系統(tǒng)常規(guī)調(diào)峰技術(shù)中，相比于火電機(jī)組，水電機(jī)組啟停迅速、運(yùn)行方式靈活，且調(diào)峰深度接近100%［4-5］，但水電機(jī)組的建設(shè)受地理?xiàng)l件的限制，不能進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)因其快速響應(yīng)特性，具有優(yōu)越的調(diào)峰性能，可在用電低谷期作為負(fù)荷存儲(chǔ)電能，在用電高峰期作為電源釋放電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負(fù)荷調(diào)節(jié)，削減負(fù)荷峰谷差，且其建設(shè)不受地理?xiàng)l件限制。以鋰離子電池、全釩氧化還原液流電池、鈉硫電池為代表的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可有效延緩甚至減少電源和電網(wǎng)建設(shè)，提高能源利用效率和電網(wǎng)整體資產(chǎn)利用水平，改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式［6-7］。

影響儲(chǔ)能技術(shù)在電力領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)水平、安全性及經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量達(dá)到MW/MWh級(jí)規(guī)模能力、滿足MW/MWh級(jí)下的安全性、循環(huán)壽命達(dá)到5 000次及以上、充放電效率達(dá)到80%及以上時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的高成本成為限制其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，從而有必要研究儲(chǔ)能應(yīng)用的容量配置問題，進(jìn)而評(píng)估儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用研究主要包括2個(gè)層次:(1)在規(guī)劃前期，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用方向，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估;(2)在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用目標(biāo)，研究儲(chǔ)能系統(tǒng)在線優(yōu)化控制問題，文獻(xiàn)［8-9］對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷的在線優(yōu)化控制進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［10-15］研究了風(fēng)電場中儲(chǔ)能容量的配置方法。關(guān)于規(guī)劃前期，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)峰的容量配置及經(jīng)濟(jì)性問題對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大，本文將重點(diǎn)圍繞此問題展開研究。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意圖如圖1所示，儲(chǔ)能電池經(jīng)直交變換、升壓變壓器升壓后接入大電網(wǎng)。

儲(chǔ)能技術(shù)用于電網(wǎng)削峰填谷的容量配置，包括功率配置和容量配置。儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需滿足系統(tǒng)調(diào)峰的功率限值，功率和容量的計(jì)算公式為

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意Fig.1 Energy storage systems integrated to grid

式中:PESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率;EESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量;ΔPi為各個(gè)時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)出力需求;ΔT為樣本數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔;1～m1、m2～m3，mj～mn為樣本數(shù)據(jù)中需要儲(chǔ)能不間斷充電 /放電的數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，其中不間斷充電時(shí)間定義為連續(xù)不放電時(shí)間，不間斷放電時(shí)間定義為連續(xù)不充電時(shí)間。

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電平衡約束，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，控制策略如下:

(1)導(dǎo)入待處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)負(fù)荷的峰值與谷值;

(2)根據(jù)負(fù)荷峰谷值，設(shè)定儲(chǔ)能調(diào)節(jié)后合成出力低谷值Pref，并為合成出力峰值賦初值Pmax;

(3)系統(tǒng)循環(huán)賦初值n=1;

(4)比較負(fù)荷與Pref、Pmax的大小關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷小于Pref時(shí)，儲(chǔ)能電池充電;當(dāng)負(fù)荷大于Pmax時(shí)，儲(chǔ)能電池放電;負(fù)荷在Pref、Pmax之間時(shí)，儲(chǔ)能電池不動(dòng)作。

(5)n=n+1;

(6)若n小于所載入負(fù)荷數(shù)據(jù)的條數(shù)時(shí)，返回步驟(4)，否則進(jìn)行步驟(7);

(7)統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能電池的充電電量、放電電量;

(8)判斷儲(chǔ)能電池充放電是否平衡。若充電電量大于放電電量，減小Pmax，返回步驟(3);若充電電量小于放電電量，增大Pmax，返回步驟(3);若充放電平衡，由式(1)～(4)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率、容量。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 成本分析

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本主要包括初始投資成本和運(yùn)營維護(hù)成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本主要由功率成本和容量成本構(gòu)成。容量成本與儲(chǔ)能電池的投資有關(guān)，功率成本與儲(chǔ)能電池用雙向變流器、監(jiān)控系統(tǒng)的投資有關(guān)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本為維持儲(chǔ)能電站處于良好的待機(jī)狀態(tài)所需要的費(fèi)用。

儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命是其成本分析中的重要參量。儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命，即標(biāo)稱容量降至儲(chǔ)能電池初始額定容量的80%時(shí)，電池的完整充放電循環(huán)次數(shù)。影響電池循環(huán)壽命的主要因素包括極端溫度、過度充放電、充放電深度及充放電速率。儲(chǔ)能系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)充放電電流、電壓、溫度條件下工作時(shí)，其循環(huán)壽命為充放電深度的函數(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命年限為

式中:Tlife為對(duì)應(yīng)充放電深度下儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命;Lcyc_year為年充放電循環(huán)次數(shù)。

假定不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)正常使用期內(nèi)的設(shè)備更換成本，為便于分析，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和基準(zhǔn)收益率，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)的總投資成本在壽命期內(nèi)進(jìn)行成本分?jǐn)偅c儲(chǔ)能系統(tǒng)的年維護(hù)成本疊加，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的費(fèi)用年值。儲(chǔ)能系統(tǒng)費(fèi)用年值為

式中:Cp為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率成本;CE為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位容量成本;PESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率;EESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量;n為儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命年限;i為儲(chǔ)能項(xiàng)目投資收益率;Cm為儲(chǔ)能系統(tǒng)單位運(yùn)維成本;Q為儲(chǔ)能系統(tǒng)年發(fā)電量。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)定位為電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷，其經(jīng)濟(jì)效益包括直接效益和間接效益。直接效益主要來自于儲(chǔ)能系統(tǒng)采取削峰填谷模式運(yùn)營，通過電網(wǎng)用電高峰與用電低谷的電價(jià)差獲取的經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)能系統(tǒng)的間接效益主要包括節(jié)煤效益、環(huán)境效益以及儲(chǔ)能系統(tǒng)延緩發(fā)輸配電設(shè)備投資帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益Iincome可分為功率效益、容量效益和環(huán)境效益，計(jì)算式為

式中:Rp_vest為常規(guī)發(fā)電機(jī)組單位功率投資額;Rout為儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià);Rin為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電電價(jià);RTP為常規(guī)火電機(jī)組的單位供電成本;Vi為儲(chǔ)能減少第i種污染物排放帶來的環(huán)境效益;n為污染物總數(shù);Qi為第i種污染物的排放量。

影響儲(chǔ)能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)指標(biāo)主要包括峰谷價(jià)差，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率、容量、投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、充放電深度及相應(yīng)充放電深度下的循環(huán)壽命［16-17］，以及常規(guī)火電機(jī)組投資額、發(fā)電成本、環(huán)境成本等。用于評(píng)估削峰填谷的儲(chǔ)能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型為

由式(8)可知，僅當(dāng)S＞0時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資具備經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)投資具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的條件為

3 仿真研究

以某地區(qū)2011年11月份的實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，該地區(qū)凌晨0:00～6:00為用電低谷期，上午11:00前后為用電小高峰，晚17:00前后為用電高峰期。峰值負(fù)荷為 22 207 kW，低谷負(fù)荷為17 761 kW，峰谷差為20%。

采用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰，將用電低谷期負(fù)荷抬升至18 761 kW時(shí)，可將峰荷期常規(guī)機(jī)組出力降至20 525 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)完成一個(gè)完整充放電過程，所需儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為1 681 kW，容量為4 100 kW·h，此時(shí)峰谷差降為8.6%。負(fù)荷與儲(chǔ)能的合成出力及負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 負(fù)荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)合成出力曲線Fig.2 Synthetic output curves of load and energy storage system

參與電網(wǎng)調(diào)峰的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)峰程度、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷特性密切相關(guān)。儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量需求如圖3所示。本地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷，隨著調(diào)峰程度的增加，所需儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率、容量隨之增加。儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率受限于峰值負(fù)荷的調(diào)節(jié)量，仿真結(jié)果表明，該地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率與峰值負(fù)荷功率的減小量相同。

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命，仿真過程中設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)范圍為［0.1，0.9］，每天完成1個(gè)完整充放電循環(huán)，并且以天為單位滿足充放電平衡約束，使用壽命約為15年。根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置與電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)量的關(guān)系，從社會(huì)整體效益和投資者角度分別分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量需求曲線Fig.3 Power demand and capacity demand curves of energy storage system

(1)社會(huì)整體效益角度。以S為目標(biāo)函數(shù)，分析儲(chǔ)能系統(tǒng)不同容量配置下的經(jīng)濟(jì)性。在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平下，鋰離子儲(chǔ)能電池成本約為4 500元/(kW·h)，監(jiān)控成本為5 000元/kW，常規(guī)火電機(jī)組的單位投資成本為374.72元/(kW·a)，220 kV輸電設(shè)備的單位投資成本為594元/(kW·a)，相關(guān)參量設(shè)置見表1［18-20］。

表1 參量設(shè)置Tab.1 Parameters setting

電網(wǎng)中配置儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷的經(jīng)濟(jì)效益如圖4所示。從圖4中可看，隨著所配置儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)年收益先升高后降低。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率為753 kW、容量為684 kW·h時(shí)，年收益最大為13 740元，此時(shí)的峰谷差為15.3%，峰谷差降低了4.7%。分析儲(chǔ)能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型可得，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率增大時(shí)，造成年收益下滑的主要原因是現(xiàn)階段儲(chǔ)能系統(tǒng)成本過高。因此有必要分析儲(chǔ)能電池在不同成本下的收益曲線情況。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷經(jīng)濟(jì)效益Fig.4 Economic benefits of peak load shifting of energy storage system

儲(chǔ)能系統(tǒng)不同成本下的收益如圖5所示。根據(jù)圖5可知，隨著每kW·h儲(chǔ)能成本C［單位為元/(kW·h)］的降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益上升。當(dāng)儲(chǔ)能電池成本高于3 000元/(kW·h)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)投資規(guī)模不經(jīng)濟(jì)。儲(chǔ)能電池成本降為2 500元/(kW·h)時(shí)，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模的增大，儲(chǔ)能投資的年收益隨之增大，表明儲(chǔ)能成本降至該值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。

圖5 不同儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下的經(jīng)濟(jì)效益Fig.5 Economic benefits under different costs of energy storage system

(2)投資者角度。對(duì)投資者而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)的間接效益體現(xiàn)為儲(chǔ)能項(xiàng)目的政府補(bǔ)貼，因此不考慮目標(biāo)函數(shù)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的間接效益，僅從直接效益、政府補(bǔ)貼和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。峰谷價(jià)差與儲(chǔ)能項(xiàng)目的收益直接相關(guān)，政府補(bǔ)貼為500元/kW時(shí)，不同峰谷價(jià)差下儲(chǔ)能系統(tǒng)年收益如圖6所示。

圖6 不同峰谷價(jià)差下儲(chǔ)能系統(tǒng)年收益Fig.6 Annual revenue of energy storage system under different peak-valley difference

圖6(a)為儲(chǔ)能電池成本等于4 500元/(kW·h)時(shí)，不同峰谷價(jià)差下儲(chǔ)能系統(tǒng)的年收益。峰谷價(jià)差K小于2元/(kW·h)，儲(chǔ)能項(xiàng)目的投資不經(jīng)濟(jì);峰谷價(jià)差大于2元/(kW·h)，投資具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。

圖6(b)為儲(chǔ)能電池成本等于2 500元/(kW·h)時(shí)，不同峰谷價(jià)差下儲(chǔ)能系統(tǒng)年收益。峰谷價(jià)差小于1元/(kW·h)，儲(chǔ)能項(xiàng)目的投資不經(jīng)濟(jì);峰谷價(jià)差大于1.5/(kW·h)，投資具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

(1)用于電網(wǎng)削峰填谷時(shí)，電網(wǎng)調(diào)峰量不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率、容量也隨之不同。儲(chǔ)能系統(tǒng)功率值取決于系統(tǒng)調(diào)峰量的大小，容量值與峰值負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

(2)在本文算例中，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率為峰值負(fù)荷的3.4%時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。

(3)在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，電池成本需降到2 500元/(kW·h)。

(4)為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，不僅需要廠商加大研究力度，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)性能，降低生產(chǎn)成本;而且需要政府出臺(tái)相關(guān)政策，支持儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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