獨(dú)立光伏系統(tǒng)中考慮小型壓縮空氣儲(chǔ)能的容量配置

楊 安，楊江濤，劉 佳，劉俊恒，劉 天

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽(yáng)供電分公司， 湖南 岳陽(yáng) 414000; 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中考慮小型壓縮空氣儲(chǔ)能的容量配置

楊 安1，楊江濤2，劉 佳3，劉俊恒1，劉 天1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽(yáng)供電分公司， 湖南 岳陽(yáng) 414000; 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

小型壓縮空氣儲(chǔ)能是一種新型的儲(chǔ)能方式，可與光伏配合組成獨(dú)立光伏系統(tǒng)，基于用戶(hù)對(duì)供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性的雙重需求，合理配置儲(chǔ)能和光伏系統(tǒng)的容量，可促進(jìn)儲(chǔ)能和光伏產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。在考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率2個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，計(jì)及裝置設(shè)備的初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、殘值和各部分收益，建立系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，以年費(fèi)用最低為目標(biāo)，配置最優(yōu)的光伏容量和小型壓縮空氣儲(chǔ)能容量。結(jié)果表明，綜合考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率，合理配置容量，可以保證系統(tǒng)供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

小型壓縮空氣儲(chǔ)能；光伏發(fā)電；容量配置；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

化石能源供應(yīng)的緊缺以及環(huán)境污染的加重，使光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)越發(fā)突出。而光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，需要引入儲(chǔ)能來(lái)解決。液氣壓縮空氣儲(chǔ)能作為小型壓縮空氣儲(chǔ)能的一種，是一種新型的電力存儲(chǔ)形式，利用液體壓縮空氣，減少了氣體泄露，且零污染[1-2]，采用壓力容器存儲(chǔ)，不依賴(lài)地下溶洞，使用區(qū)域更廣泛隨意，建造規(guī)模根據(jù)實(shí)際情況可大可小，無(wú)需建立大型電站，能直接和光伏發(fā)電或風(fēng)能發(fā)電等新能源配套使用，建造容易。在遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島或者牧場(chǎng)、邊防哨所等地，環(huán)境特殊人煙稀少，電力需求量較少，但由于地形、交通等限制，燃料運(yùn)輸和線路架設(shè)困難，使電能供應(yīng)成為難題。引入光伏發(fā)電即可從根本上解決其供電困難問(wèn)題，當(dāng)其與小型壓縮空氣儲(chǔ)能裝置相互配合構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，不但彌補(bǔ)了光伏發(fā)電夜間無(wú)出力的局限性，更確保了該區(qū)域的供電可靠性，沒(méi)有環(huán)境污染，勢(shì)必具備很好的發(fā)展前景。

目前儲(chǔ)能的初始投資成本較貴，短時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)的單位建造成本改變不大，儲(chǔ)能的容量配置太小，對(duì)擬改善的問(wèn)題效果不明顯，太大又會(huì)造成不必要的投資冗余，影響經(jīng)濟(jì)性。在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，容量配置和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合在一起，常把函數(shù)目標(biāo)定為系統(tǒng)成本最小，把約束條件定為供電可靠性等進(jìn)行優(yōu)化配置[3-4]。文獻(xiàn)[5]在儲(chǔ)能的配置中考慮了電池儲(chǔ)能的特殊性，壽命跟放電深度密切相關(guān)，采用雨流計(jì)算法量化使用壽命，再以年均成本最小為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化。但是這些都只單純考慮配置儲(chǔ)能的容量[6]，較少考慮光伏、儲(chǔ)能和負(fù)荷的配合關(guān)系。

本文以年費(fèi)用最小為目標(biāo)，考慮光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)以及和負(fù)荷三者間的能量交換，并且兼顧影響系統(tǒng)供電可靠性的負(fù)荷缺電率和能量溢出率指標(biāo)，配置系統(tǒng)容量，討論系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

1 模型分析

1.1 帶儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

基于小型壓縮空氣儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤裝置(MPPT)、雙向控制器、壓縮空氣儲(chǔ)能裝置、逆變器、交流負(fù)載和直流負(fù)載組成。

圖1 帶儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于用戶(hù)負(fù)荷并不遵循 “日出而作，日落而熄”，會(huì)出現(xiàn)白天有電剩余，晚上缺少電量的情況，采用小型壓縮空氣儲(chǔ)能裝置作為電能的存儲(chǔ)單元，可實(shí)現(xiàn)電量在光伏發(fā)電和用戶(hù)使用電量間的調(diào)度。并且可以提高系統(tǒng)的供電可靠性，確保重要負(fù)荷的用電需求。

1.2 光伏系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

可用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的測(cè)量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算其他非標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下光伏的出力，PV的功率輸出模型[7]如下：

(1)

其中，光伏組件的實(shí)際溫度測(cè)量較困難，可通過(guò)測(cè)試環(huán)境溫度，由經(jīng)驗(yàn)公式估算得出光伏組件溫度：

(2)

式中：Ppv(t)為t時(shí)刻光伏輸出實(shí)際功率；PSTC表示標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下輸出的額定功率，kW；G(t)為t時(shí)刻太陽(yáng)輻照度，W/m2；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽(yáng)輻照度，1 000 W/m2；k表示功率溫度修正系數(shù)，-0.004 7/℃；TC(t)為t時(shí)刻組件實(shí)際的溫度，℃；TE(t)為t時(shí)刻環(huán)境溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的參考溫度，25 ℃。

1.3 小型壓縮空氣儲(chǔ)能數(shù)學(xué)模型

區(qū)別蓄電池等常規(guī)儲(chǔ)能方式，小型CAES有一大優(yōu)勢(shì)就是CAES沒(méi)有自放電[8]?？捎煤呻姞顟B(tài)Soc衡量?jī)?chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)儲(chǔ)存電量情況，式(3)和(4)分別表示充電和放電狀況下前后時(shí)刻的荷電狀態(tài)遞推關(guān)系。

(3)

(4)

式中：Soc(t)表示第t時(shí)段結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能剩余電量，它與(t-1)時(shí)刻的荷電狀態(tài)以及t時(shí)段的充放電功率有關(guān)。Soc(t-1)表示第(t-1)時(shí)段結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能剩余電量；η表示儲(chǔ)能的充放電效率；Pyq(t)表示t時(shí)段充放電功率；Δt表示仿真t時(shí)段大??；Wyq.max表示儲(chǔ)能額定容量。

2 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

2.1 負(fù)荷缺電率

在確定的負(fù)載水平下，在光伏系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能，可以提高系統(tǒng)供電可靠性。但是在一定負(fù)載條件下，如果供電可靠性過(guò)高，需要光伏容量和配置的儲(chǔ)能容量會(huì)很大，相應(yīng)的投資也將增大，會(huì)越不經(jīng)濟(jì)。供電可靠性過(guò)低，所對(duì)應(yīng)的缺電或停電勢(shì)必影響生產(chǎn)生活，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至社會(huì)損失。所以，在確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)必須設(shè)置一定的可靠性系數(shù)。

當(dāng)供電可靠性系數(shù)λ=1時(shí)，系統(tǒng)的功率滿(mǎn)足：

Ppv(t)+ηPyq(t)=Pload(t)

(5)

(6)

其中，式(5)表示儲(chǔ)能放電時(shí)，光伏和儲(chǔ)能共同給用戶(hù)供電的功率平衡情況；式(6)表示儲(chǔ)能充電時(shí)，光伏發(fā)電給用戶(hù)供電，多余的電量給儲(chǔ)能充電的功率平衡情況。

儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)容量遞推關(guān)系如下所示：

Wyq(t+1)=Wyq(t)-

(7)

Wyq(t+1)=Wyq(t)+

(8)

其中，式(7)表示儲(chǔ)能放電時(shí)的容量遞推關(guān)系；式(8)表示儲(chǔ)能充電時(shí)的容量遞推關(guān)系。

在光伏發(fā)電量小于負(fù)荷所需電量時(shí)，由光伏和儲(chǔ)能聯(lián)合給用戶(hù)供電，如果當(dāng)儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)已達(dá)到最小的極限Socmin，都小于用戶(hù)所需的電量，即：

Wyq(t+1)=Wyq.min(t)

(9)

Ppv(t)+ηPyq(t)

(10)

這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)供電不足，則需要切除一部分負(fù)荷，以保證重要負(fù)荷的正常運(yùn)行。負(fù)荷缺電率λq定義為負(fù)荷缺少的電量與負(fù)荷總需求電量的比值[9]，可表示為：

(11)

負(fù)荷缺電率反映著供電可靠性，λq的值在[0,1]間，當(dāng)λq取值為0時(shí)，供電可靠性最高，可需要配置很大的儲(chǔ)能系統(tǒng)才能滿(mǎn)足要求，勢(shì)必對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響；當(dāng)λq取值為1時(shí)，供電可靠性最差，用戶(hù)的正常用電生活都會(huì)受到影響。

2.2 能量溢出率

當(dāng)光伏發(fā)電量大于負(fù)荷所需電量，多余的電量給儲(chǔ)能充電，若儲(chǔ)能裝置完全充滿(mǎn)，荷電狀態(tài)Soc達(dá)到最大的極限Socmax，還有多余的電量，即：

Wyq(t+1)=Wyq.max(t)

(12)

(13)

這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)有電量剩余，能量溢出，需要對(duì)光伏電池進(jìn)行棄光處理減少系統(tǒng)發(fā)電出力。能量溢出率λy定義為系統(tǒng)溢出的能量與光伏總發(fā)電量的比值，可表示為：

(14)

能量溢出率在工程上常被用來(lái)權(quán)衡可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模大小，取值在0.05～0.3間，當(dāng)λy取值為0時(shí)，表示系統(tǒng)所發(fā)的正好被負(fù)荷全部使用，沒(méi)有能量溢出，λy越大，說(shuō)明系統(tǒng)中光伏發(fā)電量溢出的越多被利用的電能越少，會(huì)造成很大的浪費(fèi)。

3 系統(tǒng)容量配置模型

本文中整個(gè)帶小型壓縮空氣儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)的所有者是用戶(hù)。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)系統(tǒng)要能滿(mǎn)足供電可靠性，使基本生產(chǎn)生活受到保障，并且能帶來(lái)一定收益。所以從用戶(hù)的角度來(lái)研究系統(tǒng)的成本和收益，并且考慮可靠性，來(lái)配置系統(tǒng)容量。

3.1 系統(tǒng)收益模型

系統(tǒng)的年收益由發(fā)電補(bǔ)貼收益、電費(fèi)收益，以及光伏組件和儲(chǔ)能裝置的殘值收入組成。整個(gè)系統(tǒng)年收益表示為：

IySum=Ib+Id+Ipvc+Iyqc

(15)

(1)發(fā)電補(bǔ)貼效益

由于光伏發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比不存在經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)國(guó)家政策規(guī)定，對(duì)光伏發(fā)電可以提供一定補(bǔ)貼，以促進(jìn)光伏的發(fā)展進(jìn)程，所以年發(fā)電補(bǔ)貼效益可表示為：

(16)

式中：Cbt為補(bǔ)貼電價(jià)，元/(kW·h)。

(2)電費(fèi)效益

安裝獨(dú)立系統(tǒng)的地區(qū)一般是無(wú)法從電網(wǎng)購(gòu)電的地區(qū)，電費(fèi)效益表現(xiàn)為在節(jié)省電費(fèi)上的盈利，一年產(chǎn)生的電費(fèi)效益有2部分：一部分是光伏電池發(fā)電用戶(hù)直接使用；另一部分為光伏電池產(chǎn)生的多余電量經(jīng)儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存之后再在缺電的情況下放出供電使用。年電費(fèi)效益表示為用戶(hù)年用電量與當(dāng)?shù)胤謺r(shí)電價(jià)的乘積：

(17)

式中：C0表示電價(jià)，元/(kW·h)；Pload(t)表示t時(shí)段的用戶(hù)負(fù)荷用電量。

(3)光伏組件年等值報(bào)廢殘值

在項(xiàng)目使用年限結(jié)束之后，光伏還具有一定的殘值價(jià)值，可折算成年等值報(bào)廢殘值：

(18)

式中：Ipvc表示光伏年等值報(bào)廢殘值，元；Dpvc表示光伏組件單位容量的殘值，元/kW；n表示項(xiàng)目使用壽命，年。

(4)儲(chǔ)能裝置年等值報(bào)廢殘值

儲(chǔ)能裝置使用壽命結(jié)束時(shí)，剩下的金屬材料等都具有回收利用價(jià)值，換算為年等值形式表示為：

(19)

式中：Iyqc表示儲(chǔ)能裝置年等值報(bào)廢殘值，元；Dyqc表示單位容量的儲(chǔ)能裝置殘值，元/kW·h。

3.2 系統(tǒng)成本模型

整個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的總成本費(fèi)用包括光伏發(fā)電的初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本，以及小型CAES裝置的初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。一般工程使用年限為20 n，光伏發(fā)電使用壽命25年左右，小型CAES的使用壽命在30 n以上，所以在工程的運(yùn)行年限內(nèi)均不需要考慮更新置換成本。

(1)系統(tǒng)初始投資成本

系統(tǒng)的初始投資成本包括光伏和小型CAES裝置的初始投資成本，光伏的投資成本與功率有關(guān)，而小型CAES的投資成本與功率和容量都有關(guān)。

Mt=CpvtPpv+CyqwWyq.max+CyqpPyq.max

(20)

式中：Mt表示系統(tǒng)初始投資成本，元；Cpvt表示單位裝機(jī)容量成本，元/kW；Ppv表示光伏裝機(jī)功率，kW；Cyqw表示儲(chǔ)能單位能量成本，元/kW·h；Cyqp表示儲(chǔ)能單位功率成本，元/kW；Pyq.max表示儲(chǔ)能額定功率，kW。

由于，初始投資成本為一次性投入，考慮資金的時(shí)間價(jià)值，可以用年等值投資成本表示：

Mtn=Mtf

(21)

(22)

式中：Mtn表示系統(tǒng)年等值投資成本，元；f表示年資金回收率；r表示折現(xiàn)率。

(2)系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)成本

在設(shè)備使用過(guò)程中，需要定期維修保養(yǎng)，支付工人的工資等，年運(yùn)行維護(hù)成本可表示為：

Mh=CpvhPpv+CyqhPyq.max

(23)

式中：Cpvh為光伏年單位運(yùn)行維護(hù)成本，元/kW；Cyqh為單位儲(chǔ)能的年運(yùn)行維護(hù)成本，元/kW。

綜上所述，系統(tǒng)年總成本費(fèi)用為：

MySum=Mtn+Mh

(24)

3.3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

根據(jù)系統(tǒng)的成本和各項(xiàng)收益，建立以系統(tǒng)年費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)：

minF=MySum-IySum

(25)

考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，得到系統(tǒng)容量配置的約束條件：

-Pyqmax

(26)

0≤Wyq(t)≤Wyq.max

(27)

Socmin≤Soc≤Socmax

(28)

0≤Ppv(t)≤Ppv.max

(29)

λq≤λq.max

(30)

λy≤λy.max

(31)

式(26)、(27)、(28)是儲(chǔ)能裝置電量約束、容量約束、功率約束條件。式(29)為光伏發(fā)電的功率約束條件，式(30)、(31)為系統(tǒng)可靠性約束。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以華中地區(qū)(東經(jīng)134°，北緯30°)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[10]為例，根據(jù)該地區(qū)的年輻照度、溫度和負(fù)荷需求情況，采用本文提出的模型進(jìn)行容量配置，并進(jìn)行相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性分析。表1是單位容量光伏和儲(chǔ)能裝置的相關(guān)費(fèi)用及運(yùn)行數(shù)據(jù)，圖2為該地月平均溫度曲線，圖3為該地區(qū)年輻照度曲線，圖4為典型用戶(hù)日負(fù)荷功率需求情況。假設(shè)該地的電價(jià)為C0=0.682元/kW·h，小型CAES裝置的初始Soc=0.5，變化范圍為0.1～0.9。政府補(bǔ)貼電價(jià)為Cbt=0.42元/kW·h，折現(xiàn)率r=0.05，負(fù)荷缺電率λq·max=0.1，能量溢出率λy·max=0.2。

表1 單位容量光伏和小型壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的相關(guān)費(fèi)用及運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖2 月平均溫度曲線

圖3 年輻照度曲線

圖4 典型日負(fù)荷功率需求情況

4.2 仿真結(jié)果與分析

由于在每天光伏發(fā)電工作時(shí)段內(nèi)溫度差較小，可采用該月的平均溫度代替該月每天的溫度。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)全年每天的負(fù)荷需求情況相同，以某一典型日負(fù)荷需求情況來(lái)模擬。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和經(jīng)濟(jì)性模型，在確定的負(fù)載條件下，考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率，來(lái)配置最優(yōu)的儲(chǔ)能容量和光伏容量，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

圖5為負(fù)荷缺電率與光伏容量和儲(chǔ)能容量的關(guān)系圖。

圖5 負(fù)荷缺電率與儲(chǔ)能容量和光伏容量的關(guān)系

由圖5可看出：(1)圖5(a)在確定的負(fù)載需求和儲(chǔ)能容量下，增大光伏容量可以提高供電可靠性。如在儲(chǔ)能容量為20 kW·h時(shí)，增大光伏容量到16 kW時(shí)，負(fù)荷缺電率從0.5降到了0.38，即供電可靠性從0.5提高到了0.62；(2)圖5(b)中在確定的負(fù)載需求和光伏容量下，增大儲(chǔ)能容量可以減小負(fù)荷缺電率。如在光伏容量為8 kW時(shí)，增大儲(chǔ)能容量到80 kW·h時(shí)，負(fù)荷缺電率從0.6降到了0.22；(3)對(duì)比圖5(a)和圖5(b)看出，在確定的負(fù)載需求下，系統(tǒng)中的光伏容量增大，所需配置的儲(chǔ)能容量可減小，而對(duì)應(yīng)的供電可靠性也越高。反之，配置的儲(chǔ)能容量越大，所需光伏容量越小，對(duì)應(yīng)的供電可靠性也越高。圖5(b)中曲線的變化率明顯大于圖5(a)的曲線變化率，表明增大儲(chǔ)能容量對(duì)減小負(fù)荷缺電率增大供電可靠性的作用明顯優(yōu)于增大光伏的容量。

圖6表示的是供電可靠性和系統(tǒng)成本的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，負(fù)荷缺電率越小，供電可靠性越高，系統(tǒng)成本投入越高，并且在負(fù)荷缺電率0～0.1范圍內(nèi)，成本變化速度很快，說(shuō)明在缺電率為0.1時(shí)，如果要再減小負(fù)荷缺電率，將要投入很大的成本作為代價(jià)。所以為保證用戶(hù)的供電可靠性和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，需要允許一定的負(fù)荷缺電率。

圖6 負(fù)荷缺電率與系統(tǒng)成本的關(guān)系

圖7是能量溢出率與光伏容量和儲(chǔ)能容量的關(guān)系。

圖7 能量溢出率與儲(chǔ)能容量和光伏容量的關(guān)系

由圖7可得出：(1)圖7(a)中在一定的負(fù)載條件下，光伏容量很小時(shí)，負(fù)荷所需的功率大于光伏發(fā)電功率，沒(méi)有多余的能量溢出。儲(chǔ)能的規(guī)模越大，開(kāi)始有能量溢出時(shí)的光伏容量也越大，在相同的光伏規(guī)模下，儲(chǔ)能容量越大溢出的電能越少，且隨光伏規(guī)模越大，同一能量溢出率所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能容量越大。說(shuō)明儲(chǔ)能能夠儲(chǔ)存多余的光伏發(fā)電量，減少電能的溢出。(2)圖7(b)中在一定的負(fù)載條件下，儲(chǔ)能容量相同時(shí)，光伏容量越大，能量溢出率越大，例如在10 kW·h時(shí)，光伏容量分別為8 kW、10 kW、16 kW、32 kW時(shí)，能量溢出率分別為0.17、0.22、0.4、0.55。儲(chǔ)能的容量越大能夠存儲(chǔ)的電量也越多。

由以上分析可見(jiàn)，λq和λy與光伏容量、儲(chǔ)能容量有著耦合關(guān)系。在光伏容量很小時(shí)，能量溢出率小，但是負(fù)荷缺電率大，不能滿(mǎn)足用戶(hù)的用電需求。在滿(mǎn)足供電可靠性下，光伏容量越大，負(fù)荷缺電率越小，但能量溢出率增大。為此，可以增大配置儲(chǔ)能容量來(lái)儲(chǔ)存多余的光伏發(fā)電量，減少能量的溢出，且儲(chǔ)能的容量越大，作用越明顯。但是儲(chǔ)能容量配置越大，系統(tǒng)所需的成本越大。所以為了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性要合理考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率2個(gè)指標(biāo)，合理的配置光伏容量和儲(chǔ)能容量。

在算例給定的負(fù)荷缺電率λq.max=0.1，能量溢出率λy.max=0.2的情況下，可得到符合的光伏容量和儲(chǔ)能容量關(guān)系如圖8所示。

圖8 光伏容量和儲(chǔ)能容量關(guān)系

以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，在圖中可尋找到最優(yōu)的光伏裝機(jī)功率和儲(chǔ)能容量。得到光伏裝機(jī)功率和儲(chǔ)能配置容量的最佳組合是16 kW和80 kW·h，儲(chǔ)能的額定功率為12 kW。年最小費(fèi)用為-35 618元。各項(xiàng)成本和收益見(jiàn)表2。從表2中可看出，每年光伏系統(tǒng)的投資者支付系統(tǒng)的等值投資成本為29 690元，運(yùn)行維護(hù)成本為2 332元，共計(jì)32 022元。在獲得每年的光伏發(fā)電補(bǔ)貼效益，電費(fèi)效益和殘值收入之后，每年實(shí)際支出的成本為-35 618元，即每年可收入35 618元，可知系統(tǒng)是盈利的。在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行期20 n內(nèi)，投資者可獲得總收益為71.2萬(wàn)元。

表2 系統(tǒng)各部分成本和收益 元

5 結(jié)論

用小型壓縮空氣儲(chǔ)能和光伏發(fā)電組成獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電難題，并且無(wú)環(huán)境污染。負(fù)荷缺電率和能量溢出率影響著供電可靠性、容量配置和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。本文在考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，以年費(fèi)用最低為目標(biāo)，配置最優(yōu)的光伏容量和儲(chǔ)能容量。結(jié)果表明，綜合考慮負(fù)荷缺電率和能量溢出率指標(biāo)，配置最合理的容量，系統(tǒng)能給用戶(hù)解決用電難題并且?guī)?lái)經(jīng)濟(jì)效益。

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Capacity Configurations of Stand-alone Photovoltaic System Based on Small Scale Compressed Air Energy Storage

YANG An1, YANG Jiangtao2, LIU Jia3, LIU Junheng1， LIU Tian1

(1.State Grid Hunan Electric Power Company Yueyang Power Supply Company,Yueyang 414000,China;2.State Grid Hunan Electric Power Company Maintenance Company, Changsha 410000,China; 3.Changsha University of Science and Technology Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control, Changsha 410004,China)

As a new energy power generation, the small scale compressed air energy storage works in with photovoltaic energy to constitute a stand-alone photovoltaic system, and the economy as well as the reliability are considered to deploy the energy storage and system capacity.Take two important indexes into account, namely the load power shortage rate and energy overflow rate, and an economic model is established with the costs and benefits included, such as the initial investment in equipment, operation and maintenance cost, salvage value and part of the proceeds.Aiming at minimizing the annual cost, the optimal PV capacity and energy storage is calculated.The results show that considering the load power shortage rate and energy overflow rate, the rational allocation of capacity can guarantee the reliability and economical efficiency of power supply system.

small scale compressed air energy storage; photovoltaic generation; capacity configurations; economy analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.003

2017-01-12。

TM919

A

1672-0792(2017)06-0012-07

楊安(1990-)，女，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，壓縮空氣儲(chǔ)能的研究與運(yùn)用。