協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院■王典 李義強(qiáng) 王惠 田擁軍 鄧偉 王彬彬

0 引言

微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的補(bǔ)充，不但具有靠近用戶側(cè)、靈活、抗災(zāi)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且還可以提高可再生能源的利用率。近年來(lái)，由于光伏發(fā)電具有清潔、可再生性，以光伏為主的微電網(wǎng)發(fā)展迅速。但由于光伏發(fā)電受天氣、溫度等多種環(huán)境因素的影響，具有波動(dòng)性。為了保證供電的可靠性，光伏微電網(wǎng)需要配置合理容量的儲(chǔ)能裝置。

不同于獨(dú)立型微電網(wǎng)，并網(wǎng)型微電網(wǎng)的優(yōu)化配置具有以下特點(diǎn)：1)并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行，且以并網(wǎng)運(yùn)行為主；2)微電網(wǎng)作為自治系統(tǒng)，需要具備足夠的自發(fā)自用能力，且運(yùn)行中與外電網(wǎng)的交換電量受限[1]。GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求，“微電網(wǎng)應(yīng)具備一定電力電量自平衡能力，分布式發(fā)電年發(fā)電量不宜低于微電網(wǎng)總用電量的30%，微電網(wǎng)模式切換過(guò)程中不應(yīng)中斷負(fù)荷供電，獨(dú)立運(yùn)行模式下向負(fù)荷持續(xù)供電時(shí)間不宜低于2 h”。儲(chǔ)能是光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)中削峰填谷和降低微電網(wǎng)與電網(wǎng)交換電量的關(guān)鍵設(shè)備，為了滿足微電網(wǎng)的獨(dú)立供電能力，儲(chǔ)能容量不能配置太小，但配置太多又必然會(huì)降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，因此，針對(duì)具體負(fù)荷需求，研究光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)中光伏和儲(chǔ)能容量的大小與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，對(duì)光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)的推廣具有重要意義。

本文主要針對(duì)并網(wǎng)型光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)的優(yōu)化配置進(jìn)行研究，基于全年逐時(shí)電(含冷、熱)負(fù)荷，以平準(zhǔn)化度電成本最小為目標(biāo)，以孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間、年最低發(fā)電量和年電量交換率等為約束條件建立模型，對(duì)工商業(yè)、住宅等不同場(chǎng)景進(jìn)行模擬，在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上研究光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量配置方法，并分析不同儲(chǔ)能策略對(duì)并網(wǎng)型微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的影響，最終給出不同場(chǎng)景下的微電網(wǎng)最佳容量配置及適用性評(píng)價(jià)。

1 系統(tǒng)模型

在項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法中，平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)，也稱度電成本，是一項(xiàng)用于分析各種發(fā)電技術(shù)成本的主要指標(biāo)。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)平準(zhǔn)化度電成本的定義為：發(fā)電項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)發(fā)生的所有成本與全部發(fā)電量的比值。由于平準(zhǔn)化度電成本是單位電力的均衡價(jià)格，計(jì)算結(jié)果與發(fā)電技術(shù)無(wú)關(guān)，因此，可將其用于多個(gè)項(xiàng)目精確的橫向比較。對(duì)于分布式電源的微電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，平準(zhǔn)化度電成本是一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[2]。

對(duì)于光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)而言，其度電成本L的定義為：光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本與用戶總用電量的比值，即單位電量的成本。L可表示為：

式中，C0為初始投資成本；Cm為年運(yùn)行維護(hù)成本；CT為光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交易成本；W為年總用電量；ICRF為等年值系數(shù)，可用式(2)表示為：

式中，r為折現(xiàn)率，取5%；N為相應(yīng)設(shè)備的壽命周期。

1)初始投資成本可表示為：

式中，Ppv為光伏陣列的裝機(jī)容量；Pes為儲(chǔ)能設(shè)備的裝機(jī)容量；Es為儲(chǔ)能容量；δ1、δ2分別為光伏陣列和儲(chǔ)能設(shè)備單位額定功率的初投資成本；δ3為儲(chǔ)能設(shè)備的單位可存儲(chǔ)容量投資成本。

2)年運(yùn)行維護(hù)成本可表示為：

式中，Wpv為太陽(yáng)電池的年發(fā)電量；Wes為儲(chǔ)能設(shè)備的年充放電量總和；δ4、δ5分別為光伏陣列單位發(fā)電量和儲(chǔ)能設(shè)備單位充放電量的運(yùn)行成本。

3)光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交易成本可表示為：

式中，Cbuy為購(gòu)電成本，可利用式(6)求得；Csell為售電成本，可利用式(7)求得。

式中，pt,buy為t時(shí)刻的購(gòu)電電價(jià)，是考慮實(shí)時(shí)峰、谷、平的電價(jià)；Wt,buy為t時(shí)刻的購(gòu)電電量；T為年度總小時(shí)數(shù)，取8760。

式中，pt,sell為t時(shí)刻向大電網(wǎng)售電電價(jià) (即脫硫脫硝電價(jià)+光伏補(bǔ)貼)；Wt,sell為t時(shí)刻的售電電量。

1.1 優(yōu)化配置模型

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)

使光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)的度電成本L達(dá)到最小，即：

1.1.2 約束條件[3-5]

1)功率平衡約束條件為：

式中，Psd,t為儲(chǔ)能t時(shí)刻的放電功率；Psc,t為儲(chǔ)能t時(shí)刻的充電功率；Pbuy,t、Psell,t分別為微電網(wǎng)t時(shí)刻的購(gòu)電、售電功率；Ppv,t為t時(shí)刻的光伏發(fā)電功率；Pl,t為微電網(wǎng)t時(shí)刻的總負(fù)荷。

2)儲(chǔ)能的約束條件包括儲(chǔ)能設(shè)備的裝機(jī)容量和儲(chǔ)能t時(shí)刻的剩余容量?jī)煞矫妗?/p>

儲(chǔ)能設(shè)備的裝機(jī)容量需滿足：Pesmin≤Pes≤Pesmax。

儲(chǔ)能t時(shí)刻的剩余容量Es,t可表示為：

式中，ηc、ηd分別為儲(chǔ)能充、放電效率；ΔT為時(shí)間步長(zhǎng)，取1 h；Es,t-1為儲(chǔ)能在t-1時(shí)刻的剩余容量。

儲(chǔ)能t時(shí)刻的剩余容量的最大、最小限值需滿足：ε1Es≤Es,t≤εhEs。

其中，ε1、εh分別為儲(chǔ)能的最小、最大剩余容量率，分別取0和95%。

3)可靠性約束涉及到電量交換率。電量交換率R可表示為：

式中，Wbuy、Wsell分別為年購(gòu)電總量和售電總量。

電量交換率限值R0需滿足R0≥R。

1.2 光伏功率系數(shù)的確定[6]

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率主要由日輻射強(qiáng)度及電池溫度決定，其發(fā)電特性不僅具有隨機(jī)性和間歇性，且不能調(diào)度，季節(jié)、氣候的變化會(huì)使輸出功率產(chǎn)生較大變化。

環(huán)境溫度與組件工作溫度的關(guān)系可表示為[2]：

式中，TC為組件工作溫度；Ta為環(huán)境溫度；G為光照強(qiáng)度；C2為一個(gè)系數(shù)，通常取0.03。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率可表示為：

式中，GAC為光輻射強(qiáng)度；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(太陽(yáng)輻照度為1 kW/m2、環(huán)境溫度為25 ℃)下的最大測(cè)試功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光輻射強(qiáng)度，取1 kW/m2；k為功率溫度系數(shù)，取-0.47%/K；Tr為參考溫度，取25 ℃。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率系數(shù)可表示為：

1.3 系統(tǒng)容量邊界

1)光伏裝機(jī)容量下限約束條件。根據(jù)GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中第4.1條的要求，微電網(wǎng)應(yīng)具備一定電力電量自平衡能力，分布式發(fā)電年發(fā)電量不宜低于微電網(wǎng)總用電量的30%。則最小光伏裝機(jī)容量為：

其中，光伏年等效發(fā)電小時(shí)數(shù)是由光伏逐時(shí)發(fā)電系數(shù)累加得到的。

2)儲(chǔ)能容量下限約束條件。GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定：微電網(wǎng)模式切換過(guò)程中不應(yīng)中斷負(fù)荷供電，獨(dú)立運(yùn)行模式下向負(fù)荷持續(xù)供電時(shí)間不宜低于2 h。為滿足這一要求，將逐時(shí)負(fù)荷與光伏逐時(shí)發(fā)電量作差，得到逐時(shí)的用電差值，將連續(xù)2 h的差值累加，得到一系列數(shù)據(jù)，將其中的最大差值作為儲(chǔ)能容量的下限。計(jì)算式可表示為：

式中，Lt為t時(shí)刻的用電負(fù)荷；Pt為t時(shí)刻的光伏發(fā)電量；j為時(shí)刻。

1.4 儲(chǔ)能工作策略

儲(chǔ)能工作策略包括經(jīng)濟(jì)性最佳策略和可靠性最佳策略。

1)經(jīng)濟(jì)性最佳策略：儲(chǔ)能發(fā)揮削峰填谷的作用，充分利用峰谷價(jià)差，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。即儲(chǔ)能只在低谷電價(jià)時(shí)段和光伏發(fā)電多余時(shí)充電，在高峰時(shí)段放電。

2)可靠性最佳策略：儲(chǔ)能發(fā)揮平抑光伏發(fā)電波動(dòng)性和減少高峰從電網(wǎng)購(gòu)電的作用，最大化消納光伏發(fā)電，以便于最大限度地保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。即儲(chǔ)能只在光伏發(fā)電多余時(shí)充電，在電網(wǎng)電力自給不足時(shí)放電。

2 算例仿真與結(jié)果分析

2.1 典型仿真場(chǎng)景

選取上海地區(qū)面積分別為1萬(wàn)m2的辦公建筑、酒店建筑和居民住宅建筑，采用DEST軟件模擬3類建筑的全年逐時(shí)用電負(fù)荷曲線，具體如圖1～圖3所示。

圖1 辦公建筑的全年逐時(shí)用電負(fù)荷

圖2 酒店建筑的全年逐時(shí)用電負(fù)荷

圖3 住宅建筑的全年逐時(shí)用電負(fù)荷

根據(jù)上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算得到上海地區(qū)光伏全年逐時(shí)效率系數(shù)，如圖4所示。

圖4 上海地區(qū)光伏全年逐時(shí)效率系數(shù)

2.2 設(shè)備參數(shù)及成本

計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)成本時(shí)，壽命期按20年計(jì)算。計(jì)算儲(chǔ)能設(shè)備成本時(shí)，選取三元鋰電池，存儲(chǔ)容量能夠以額定功率連續(xù)充放電3 h，放電深度為95%，可以充放電6000次；若按照每天充放電2次估算，則其壽命為取整數(shù)為8年。計(jì)算所需數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

2.3 購(gòu)售電電價(jià)

購(gòu)電電價(jià)選取上海市的實(shí)時(shí)電價(jià)。上海工商業(yè)電價(jià)在非夏季和夏季峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)如表3所示，其中，夏季季節(jié)性電價(jià)在每年的7月1日～9月30日之間調(diào)整執(zhí)行，本文以2017年電價(jià)為準(zhǔn)。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備的成本

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備的等年值系數(shù)

表3 上海市一般工商業(yè)電價(jià)

上海居民購(gòu)電電價(jià)如表4所示。

表4 上海居民購(gòu)電電價(jià)

售電電價(jià)為“脫硫燃煤標(biāo)桿電價(jià)+國(guó)家光伏發(fā)電補(bǔ)貼”，其中，脫硫燃煤標(biāo)桿電價(jià)為0.4元/kWh，國(guó)家光伏發(fā)電補(bǔ)貼為0.37元/kWh。

2.4 結(jié)果分析

1)首先，在光伏裝機(jī)容量固定的情況下，研究3種類型建筑的儲(chǔ)能容量和度電成本的關(guān)系，具體如圖5～圖7所示。

圖5 辦公型建筑中儲(chǔ)能容量與度電成本L的關(guān)系

圖6 酒店型建筑中儲(chǔ)能容量與度電成本L的關(guān)系

圖7 住宅型建筑中儲(chǔ)能容量與度電成本L的關(guān)系

由圖5～圖7可知，在光伏裝機(jī)容量固定的前提下，系統(tǒng)度電成本L隨儲(chǔ)能容量的增加而增加。因此，在滿足微電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范中孤網(wǎng)運(yùn)行小時(shí)數(shù)和與電網(wǎng)年電量交換率等要求的前提下，儲(chǔ)能配置越小，經(jīng)濟(jì)性越好。

在光伏裝機(jī)容量為1500 kW時(shí)，度電成本L出現(xiàn)了負(fù)值，這主要是由于系統(tǒng)收益較好，所以在20年的光伏發(fā)電系統(tǒng)有效壽命期內(nèi)，度電成本L才會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

2)GB/T 33589-2017《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求，微電網(wǎng)應(yīng)該滿足獨(dú)立運(yùn)行連續(xù)2 h供電的需求，基于上文的研究結(jié)果，選取3種類型建筑連續(xù)2 h最大實(shí)際電負(fù)荷需求作為儲(chǔ)能最小配置容量，在光伏裝機(jī)容量固定的情況下，此儲(chǔ)能容量即為最佳配置容量。

基于上述分析，當(dāng)儲(chǔ)能滿足規(guī)定要求的最佳配置容量時(shí)，分別研究光伏裝機(jī)容量和度電成本L的關(guān)系，以及光伏裝機(jī)容量同光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率之間的關(guān)系，具體如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知，在儲(chǔ)能最佳配置容量下，度電成本L隨著光伏裝機(jī)容量的增加而減小。因此，在項(xiàng)目實(shí)際場(chǎng)地和電網(wǎng)接入條件允許的前提下，光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)中的光伏裝機(jī)容量越大越好；光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)年電量交換率隨著光伏裝機(jī)容量的增加，先降低后增加，存在最優(yōu)值。

圖8 辦公型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(經(jīng)濟(jì)性最佳)

圖9 酒店型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(經(jīng)濟(jì)性最佳)

圖10 住宅型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(經(jīng)濟(jì)性最佳)

3)根據(jù)《推進(jìn)微電網(wǎng)并網(wǎng)的試行辦法》，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交換電量最好不要超過(guò)年用電量的50%，我們發(fā)現(xiàn)，3種建筑類型均未滿足這一約束的合理配置。這是由于前述儲(chǔ)能策略的設(shè)定是以經(jīng)濟(jì)性為前提，即儲(chǔ)能只能在夜間低谷電價(jià)時(shí)段充電，白天高峰電價(jià)時(shí)段放電，所以交換電量較多，超過(guò)年用電量的50%。

基于上述分析，將儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性最佳策略調(diào)整為可靠性最佳策略，得到相同配置下光伏裝機(jī)容量與微電網(wǎng)的度電成本L的關(guān)系，以及光伏裝機(jī)容量同微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率之間的關(guān)系，具體如圖11～圖13所示。

通過(guò)將圖11～圖13與圖8～圖10進(jìn)行對(duì)比可知：

1)在調(diào)整儲(chǔ)能工作策略后，微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率明顯降低，在一定裝機(jī)容量?jī)?nèi)辦公型建筑的年電量交換率降至50%以下，但在酒店型建筑和住宅型建筑中，二者之間的交換電量仍未達(dá)到《推進(jìn)微電網(wǎng)并網(wǎng)的試行辦法》中低于50%的要求，因此在上海地區(qū)，酒店型建筑和住宅型建筑中光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率較大，需要采取其他措施來(lái)滿足規(guī)范的要求。

2)因調(diào)整儲(chǔ)能工作策略后，不再以經(jīng)濟(jì)性為前提，所以微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率雖然明顯降低，但其度電成本L卻隨之增加。因此，在建設(shè)光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)時(shí)，可根據(jù)建設(shè)方和電網(wǎng)等相關(guān)部門(mén)的具體要求，設(shè)置儲(chǔ)能的具體工作策略。

圖11 辦公型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(可靠性最佳)

圖12 酒店型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(可靠性最佳)

圖13 住宅型建筑中光伏裝機(jī)容量與度電成本L和年電量交換率的關(guān)系(可靠性最佳)

3 結(jié)論

本文建立了光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性模型，并以上海地區(qū)3種類型建筑為研究對(duì)象，分析了該種微電網(wǎng)應(yīng)用于這3類建筑時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和適用性。得出以下結(jié)論：

1)在滿足規(guī)范相關(guān)要求的前提下，儲(chǔ)能配置越小，微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性越好；在儲(chǔ)能最佳配置容量下，光伏裝機(jī)容量越大，微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性越好。

2)可分別以經(jīng)濟(jì)性最佳或可靠性最佳為前提，設(shè)置儲(chǔ)能的不同工作策略。儲(chǔ)能低谷充電、高峰放電策略的經(jīng)濟(jì)性好，但會(huì)使微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率增加；儲(chǔ)能可靠性最佳策略的經(jīng)濟(jì)性較差，但會(huì)使微電網(wǎng)與電網(wǎng)年電量交換率降低。

3)辦公型建筑的負(fù)荷特性相比酒店型建筑和住宅建筑而言，更易滿足并網(wǎng)型微電網(wǎng)的規(guī)范要求。