基于光儲(chǔ)充能源效率的最大化研究

京能集團(tuán)北京智慧互聯(lián)能源有限公司 孫 銳 京能集團(tuán)北京源深能源科技有限責(zé)任公司 周 聰

京能集團(tuán)北京高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)投資有限公司 趙 亮

隨著國(guó)家3060“碳達(dá)峰”“碳中和”的提出，能源戰(zhàn)略已逐步向新能源行業(yè)轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的能源行業(yè)已不能滿足新時(shí)代環(huán)境下的要求，而隨之興起的光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等綠色能源成為社會(huì)的翹楚，如何最大限度的充分利用各種綠色能源為我們服務(wù)，盡可能避免使用傳統(tǒng)能源，達(dá)到逐步取代傳統(tǒng)能源的目的成為我們研究的目的。

分布式綜合能源有諸多優(yōu)點(diǎn)：改善電網(wǎng)峰谷供電性能，提高供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性；有效利用清潔能源，改善環(huán)境污染；充分利用可再生能源；發(fā)電就地隨發(fā)隨用，不再需要過(guò)長(zhǎng)供電線路，減少線路損失及電量損失；將多種能源統(tǒng)一調(diào)度和分配，充分發(fā)揮能源最大化效益。因此，分布式新能源得到越來(lái)越多的關(guān)注，在整體發(fā)電量占比中也越來(lái)越重。

現(xiàn)階段光伏、充電樁、儲(chǔ)能、風(fēng)電等新能源相關(guān)發(fā)電技術(shù)越來(lái)越成熟，工業(yè)鏈體系也逐步得到完善。光伏成本正在逐年降低（主觀因素除外）；儲(chǔ)能電池也在積極研發(fā)更新迭代中，正在向更安全更低廉的方向迅速發(fā)展；充電樁更是如雨后春筍，形態(tài)各異，不管是從硬件還是從運(yùn)營(yíng)平臺(tái)都得到了很大提升，整個(gè)新能源行業(yè)都發(fā)生了質(zhì)的變化。

下面以現(xiàn)有主流的新能源綜合項(xiàng)目——光伏、儲(chǔ)能、充電樁一體化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱光儲(chǔ)充系統(tǒng)）為研究?jī)?nèi)容，分別從不同角度分析了影響其能源效率的各個(gè)因素，闡述了光伏發(fā)電的原理，并根據(jù)模型參數(shù)分析了影響光伏發(fā)電量的因素，解析了儲(chǔ)能在系統(tǒng)中的作用和優(yōu)點(diǎn)，最終達(dá)到能源效率最大化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效率最優(yōu)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

1.1 光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)，物體內(nèi)電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電流和電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。具體工作原理如圖1所示：如果光線照射在太陽(yáng)能電池上，并且光在界面層被吸收，那么在界面層P-N結(jié)上形成新的空穴—電子對(duì)，空穴—電子對(duì)在P-N結(jié)電場(chǎng)作用下，空穴由N區(qū)向P區(qū)流動(dòng)，電子則由P區(qū)向N區(qū)流動(dòng)，形成電動(dòng)勢(shì)，在線路接通情況下形成電流，這就是光伏發(fā)電的基本工作原理。

圖1 光伏發(fā)電原理圖

1.2 光伏發(fā)電的建模

根據(jù)P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)可以將光伏發(fā)電等效成以下電路，如圖2所示，圖中把光照下的P-N結(jié)可以等效為一個(gè)理想二極管并聯(lián)一個(gè)恒流源，Iph即為理想的光生伏特效應(yīng)的電流值，由于實(shí)際在電路回路中，各個(gè)電氣元件材料必定有一定的電阻率和內(nèi)阻，制作工藝的客觀因數(shù)也會(huì)導(dǎo)致一定的漏電，因此需要在等效電路中各串并聯(lián)一個(gè)等效電阻。

圖2 光伏等效電路圖

根據(jù)電路圖，光伏發(fā)電的電流方程為：Iph-IId-Ish=0

可進(jìn)一步化為：

上式中：I為光伏電池輸出電流，V為光伏電池輸出電壓，Iph為發(fā)生電流，I0為二極管飽和電流，Ish為流過(guò)二極管電流，q為電荷，Rsh為光伏電池并聯(lián)電阻，Rs為光伏電池串聯(lián)電阻，A為二極管特性因子，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池溫度。

通過(guò)上式可以看出發(fā)電量與電池的溫度、日照強(qiáng)度有直接關(guān)系，因此，光照輻射強(qiáng)度和溫度的大小是影響的光伏發(fā)電量的決定性因素，但通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，光伏系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)輻能量的利用效率只有10%左右，大部分的能量損耗表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)化效率、整體線路損失、各個(gè)組件組合損失、逆變器損失、灰塵遮擋損失、蓄電池效率等。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 儲(chǔ)能的作用

光儲(chǔ)充系統(tǒng)中儲(chǔ)能多為電化學(xué)儲(chǔ)能為主，按照用途可分為發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、用戶側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能。綜合能源系統(tǒng)主要是以用戶側(cè)儲(chǔ)能為主，主要是通過(guò)尖峰谷平電價(jià)差將市電在低價(jià)時(shí)存儲(chǔ)，高價(jià)時(shí)釋放，根據(jù)電價(jià)差額來(lái)獲得利潤(rùn)。儲(chǔ)能在存儲(chǔ)時(shí)可以消納電網(wǎng)上多余的綠電，比如風(fēng)電、光伏等，充分利用新能源達(dá)到節(jié)約能源、減碳的目的；同時(shí)也可以很好的解決由于建造大型充電樁，而造成的變壓器負(fù)荷不夠問(wèn)題；在峰谷電價(jià)差高的地區(qū)，還可以充分利用谷時(shí)電價(jià)來(lái)存儲(chǔ)，獲得利潤(rùn)最大化。目前根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，儲(chǔ)能整體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到85%以上，包括了各種元器件之間的轉(zhuǎn)換能源損耗和運(yùn)行損耗，轉(zhuǎn)化效率高，能源損耗低，是很好的能源解決方案，市場(chǎng)上有很好的推廣度。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成

儲(chǔ)能系統(tǒng)即可作為電源，也可以作為負(fù)載，在充電時(shí)候?yàn)橐回?fù)載，在放電時(shí)候即可作為電源，在整個(gè)系統(tǒng)中還必須配備防逆流裝置（一般有硬件防逆流和軟件防逆流），以防用戶側(cè)返送入大電網(wǎng)。大型儲(chǔ)能系統(tǒng)按照系統(tǒng)不同作用可分為三大主要系統(tǒng)，分別為EMS、PCS和BMS，BMS為電池管理系統(tǒng)，控制著最底層電池的各項(xiàng)詳細(xì)參數(shù)，如：電芯溫度、電芯電壓、電芯電流、電池均衡、SOC、SOH、充放電等功能，BMS同時(shí)通過(guò)總線方式與PCS、EMS實(shí)現(xiàn)信息交互；大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS又分為三級(jí)架構(gòu)，分別為電芯管理單元（BMU）、電池簇管理單元（BCMU）、電池堆管理系統(tǒng)（BAMS）。PCS為儲(chǔ)能變流器，可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。EMS為能源管理系統(tǒng)，統(tǒng)一管理能源分配和充放電策略，已實(shí)現(xiàn)計(jì)劃充放電、系統(tǒng)保護(hù)等功能，完成系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2.3 儲(chǔ)能的節(jié)能效率

儲(chǔ)能的節(jié)能效率主要是通過(guò)峰谷電價(jià)差來(lái)獲取收益，為了是收益最大化，就必須盡量拉大峰谷電量，即在低谷用電時(shí)盡量多充電，在高峰用電時(shí)將電量全部耗盡，此時(shí)才能得到效率最大化[1]。由于多地高峰時(shí)間段為兩個(gè)時(shí)間段，比如北京：高峰時(shí)段為10:00-15:00和18：00-21:00，為了擴(kuò)大收益，可以進(jìn)行兩充兩放，即除了在原來(lái)低谷時(shí)段23:00-7:00充電外，可以在平段15:00-18:00進(jìn)行適當(dāng)充電，在兩個(gè)高峰時(shí)間段10:00-15:00和18:00-21:00來(lái)進(jìn)行放電，根據(jù)實(shí)際消納情況來(lái)找到充放電的最佳平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整體效益對(duì)大化[2]。

3 充電樁特性及分析

電動(dòng)汽車充電樁是以電動(dòng)汽車客戶為消費(fèi)對(duì)象，及時(shí)為他們提供快速充電服務(wù)。作為系統(tǒng)內(nèi)唯一負(fù)載，外加其具有獨(dú)特的車流量不確定性和隨機(jī)性，造成了整個(gè)能源系統(tǒng)充放電的不確定性和無(wú)規(guī)律性，受外界偶然因素影響較大，屬于不可控負(fù)載[3]。其能源利用特性與充電樁所在位置、所在地電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有量、充電引流服務(wù)等有密切關(guān)系，主觀因素影響較大。只能根據(jù)歷史車輛記錄來(lái)大致判斷日用電消耗量，每個(gè)站點(diǎn)由于各自因數(shù)的不同，充電車輛數(shù)量也會(huì)有很大差別[4]。

4 能源管理系統(tǒng)分析

為了將光儲(chǔ)充系統(tǒng)統(tǒng)一接入電網(wǎng)，需要將各個(gè)系統(tǒng)通過(guò)配線來(lái)統(tǒng)一管理和并網(wǎng)。一般光儲(chǔ)充系統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)主接線：光伏，儲(chǔ)能，充電樁均接在同一電氣母線上，通過(guò)變壓器與市電進(jìn)行連接，在變壓器出口安裝有防逆流裝置防止逆流[5]。

根據(jù)對(duì)以上幾種能源的分析，結(jié)合配網(wǎng)接線圖，總體上來(lái)說(shuō)：若想實(shí)現(xiàn)能源利用最大化，需將光伏發(fā)電量達(dá)到最大，儲(chǔ)能充放電時(shí)段實(shí)現(xiàn)兩充兩放時(shí)最優(yōu)，充電樁能夠有最大用戶量，整體效益才能最大。具體到每個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)：光伏系統(tǒng)需要充分考慮光照強(qiáng)度，以及各種客觀因數(shù)（如灰塵、逆變器、線路損失等）；市電需考慮當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)政策，以及輔助服務(wù)等政策；儲(chǔ)能則應(yīng)該考慮設(shè)備成本、根據(jù)具體項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)消納情況充分利用兩充兩放策略；充電樁則應(yīng)該考慮社會(huì)整體電動(dòng)車占比、地理位置、引流等因素，最大程度保證充電樁使用率[6]。

綜上，從整體能源結(jié)構(gòu)可以看出，電源側(cè)為光伏和市電，負(fù)載為電動(dòng)汽車充電樁，儲(chǔ)能即為負(fù)載也為電源。從最大化提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，電源側(cè)光伏系統(tǒng)需要充分考慮光照強(qiáng)度，以及各種客觀因數(shù)（如灰塵、逆變器、線路損失等）；市電需考慮當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)政策，以及輔助服務(wù)等政策；儲(chǔ)能則應(yīng)該考慮設(shè)備成本、根據(jù)具體項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)消納情況充分利用兩充兩放策略；充電樁則應(yīng)該考慮社會(huì)整體電動(dòng)車占比、地理位置、引流等因素，最大程度保證充電樁使用率。只有將各個(gè)方面發(fā)揮到最大化，才能使系統(tǒng)達(dá)到利潤(rùn)最大化，新能源得到充分利用。