鈦酸鋰電池城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析模型

陳婉瑩, 林泓濤, 常海青

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司閩侯縣供電公司，福建 福州 350199；3.國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司，福建 福州 350013)

近年來，可再生能源在城區(qū)供電中的大規(guī)模應(yīng)用對城區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成較大影響，儲能技術(shù)的發(fā)展為改善城區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量提供了重要的技術(shù)支撐[1-4]。電池儲能作為電能存儲的重要方式，具有配置靈活、響應(yīng)速度快，受環(huán)境影響小等優(yōu)勢，是解決新能源并網(wǎng)問題、輔助電網(wǎng)運行最常用的儲能技術(shù)。隨著電池儲能技術(shù)的發(fā)展，電池種類愈加豐富。其中，鈦酸鋰電池由于具有安全性高、充放電倍率大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于儲能系統(tǒng)中，它不僅大幅度減少了電池配置數(shù)量，還極大提高了系統(tǒng)安全性能[5-6]。目前，關(guān)于儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究主要是對鉛酸電池、鋰電池等常見電池類型的投資收益進(jìn)行評價[7-10]，鮮見以最新的鈦酸鋰電池作為儲能元件的相關(guān)研究。并且，學(xué)界和業(yè)界對現(xiàn)有電力市場環(huán)境下城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析研究還較少，現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)性評價模型未充分考慮儲能元件的技術(shù)特性和壽命周期對其價值的影響。為此，本文結(jié)合最新的鈦酸鋰電池儲能技術(shù)，充分考慮鈦酸鋰電池的技術(shù)特性和循環(huán)壽命的影響，建立城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價模型，對儲能系統(tǒng)不同預(yù)期控制效果下的儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性展開研究。

1 儲能系統(tǒng)的組成

城區(qū)儲能系統(tǒng)一般用于解決城區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰問題，主要由電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)組成[11-12]。

1)電池系統(tǒng)。電池是電化學(xué)儲能系統(tǒng)中最重要的組成部分。由于串聯(lián)形式的蓄電池可以得到更高的輸出電壓，故電池系統(tǒng)由多個電池組串聯(lián)組成。

2)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)電能的雙向流動。

3)電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)的核心部分，是電池系統(tǒng)的“大腦”，通過分析運行中電池系統(tǒng)的電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)，估算電池內(nèi)部狀態(tài)，實現(xiàn)對蓄電池組的充放電控制及故障診斷，預(yù)防過充或過放的情況；通過平衡蓄電池組內(nèi)單體電池的電壓，提高電池的利用效率，實時估算電池電量和電池壽命。

2 城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價模型的構(gòu)建

城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的收益(R)包含儲能系統(tǒng)總收入和儲能系統(tǒng)全壽命周期年均成本2部分，可表示為

R=W-C。

(1)

式(1)中：W為儲能系統(tǒng)的總收入；C為儲能系統(tǒng)全壽命周期年均成本。

為此，本研究之城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價模型主要由這兩部分構(gòu)成，并充分考慮儲能的類型、技術(shù)特性和壽命周期對其價值的影響。

2.1 儲能系統(tǒng)收入模型

儲能系統(tǒng)的總收入可分為直接和間接收益兩部分。直接效益部分是儲能系統(tǒng)安裝和運行的過程中所獲得的經(jīng)濟(jì)收益，包括運行收益、電量收益和其他收益。間接收益部分是指因采用儲能系統(tǒng)，從而使得系統(tǒng)建設(shè)投資或運行成本的減少的這部分收益。

1)運行效益。儲能設(shè)備在負(fù)荷低谷的低電價時段充電，在負(fù)荷高峰、高電價時段放電，在該運行模式下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益年值即為儲能系統(tǒng)的運行效益，可表示為

W1=(ehQ-elQ/η)n。

(2)

式(2)中：W1為運行收益；eh為峰時電價；el為谷時電價；Q為儲能配置容量；η為充放電效率；n為每日充放電循環(huán)次數(shù)。根據(jù)“兩充兩放”原則，一般每日充放電循環(huán)次數(shù)≤2次，分別在谷期和平期時間充電，在峰期進(jìn)行放電。

2)電量收益。儲能系統(tǒng)在用電高峰期利用過剩的能源所產(chǎn)生的電能而帶來的收益即為電量收益，以光伏發(fā)電為例，其電量收益可表示為

W2=epvEpv。

(3)

式(3)中：W2為電量收益；epv為光伏發(fā)電上網(wǎng)電價；Epv為儲能系統(tǒng)接納多余的光伏電量年值。

3)其他收益。包括政府補(bǔ)貼、提高供電可靠性帶來的收益等。

在配電網(wǎng)安裝用于削峰填谷的儲能裝置可獲得政府補(bǔ)貼。儲能系統(tǒng)用于電網(wǎng)削峰填谷政府補(bǔ)貼產(chǎn)生的收益可表示為

(4)

式(4)中：W3為政府給與的削峰填谷的補(bǔ)貼；mg,t為政府對儲能系統(tǒng)減少單位峰值功率的補(bǔ)貼；max(0,Pb, t)為儲能系統(tǒng)放電的最大功率。

另外，儲能系統(tǒng)能夠提供電力供應(yīng)的補(bǔ)充，提高供電可靠性，減少停電所帶來的損失，該部分收益可表示為

W4=pRE·min(PAV,PES)TRE。

(5)

式(5)中：W4為提高供電可靠性帶來的收益；pRE為故障時給與用戶的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償；PAV為用戶的平均用電負(fù)荷；PES為故障停電期間儲能系統(tǒng)的放電功率；TRE為停電時長。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，鋰離子電池儲能系統(tǒng)的收益依賴于峰谷電價差，說明峰谷電價差是儲能系統(tǒng)是否盈利的關(guān)鍵，政府補(bǔ)貼、提高供電可靠性帶來的收益對儲能系統(tǒng)收益的影響不大，故本文不考慮其他收益的影響。

在目前電價的模式下，儲能盈利性水平主要與峰谷價差、循環(huán)次數(shù)等指標(biāo)有關(guān)。儲能系統(tǒng)的總收入W可表示為

W=365Q(ehdηd,t-eld/ηch,t)。

(6)

式(6)中：W為儲能系統(tǒng)的總收入；d為放電深度；ηd,t為儲能的放電效率；ηch,t為儲能的充電效率。

2.2 儲能系統(tǒng)全壽命周期年均成本模型

2.2.1 電池循環(huán)壽命

儲能裝置的壽命循環(huán)次數(shù)受溫度、放電功率、充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換及放電深度(depth of discharge, DOD)等因素的影響[14]。針對電池的放電深度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，文獻(xiàn)[15]指出在倍率不變的條件下降低放電深度能夠延長電池壽命，同樣的壽命周期可以輸出更多的能量，對壽命循環(huán)次數(shù)的影響較大。本文以文獻(xiàn)[16-18]中應(yīng)用的TOSHIBA 20 A·h鈦酸鋰電池參數(shù)為依據(jù)，計算電池的循環(huán)壽命次數(shù)。20 A·h鈦酸鋰電池在不同放電深度階段對應(yīng)的壽命循環(huán)次數(shù)如表1所示。

表1 20 A·h鈦酸鋰電池在不同放電深度階段對應(yīng)的壽命循環(huán)次數(shù)Table 1 Life cycle number of 20 A·h lithium titanate battery at different DOD stages

鈦酸鋰電池下降至容量的80%時的循環(huán)次數(shù)和電池運行過程中每日循環(huán)次數(shù)直接決定了電池儲能的循環(huán)壽命年限，以放電深度和日循環(huán)次數(shù)為變量的電池壽命可表示為

m=N/365n。

(7)

式(7)中：m為電池可用年限；N為壽命循環(huán)次數(shù)。

2.2.2 全壽命周期年均成本

儲能系統(tǒng)全壽命周期年均成本由電池成本、變換器成本、設(shè)備維護(hù)成本和回收價值構(gòu)成[19]，可表示為

C=Ci1+Ci2+Cm-Crec。

(8)

其中：

(9)

(10)

Crec=γ(Ci1+Ci2)。

(11)

式(8)～(11)中：C為儲能系統(tǒng)全壽命周期年均成本；Ci1為電池投資成本；Ci2為變換器投資成本；Cm為設(shè)備維護(hù)成本；Crec為回收價值；eq為容量單價；Pm為儲能最大功率；ei2為變換器功率單價；γ為回收系數(shù)。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

以福州某城區(qū)電網(wǎng)為例，該地區(qū)分時電價如下：峰時(08：30—11：30，14：30—17：30，19：00—21：00)電價為0.863 8元·(kW·h)-1，平時(7：00—8：00，11：30—14：30，17：30—19：00，21：00—23：00)電價為0.575 9元·(kW·h)-1，谷時(23：00—次日7：00)電價為0.287 9元·(kW·h)-1。

圖1為該城區(qū)單日有功曲線。根據(jù)該地區(qū)有功曲線可以看出，1日內(nèi)主要存在2個極小值，分別落在谷電價時段23：00—7：00、平電價時段11：30—14：30；存在2個極大值，分別落在峰時段8：30—11：30、14：30—17：30。

圖1 某地區(qū)單日有功曲線Fig.1 Daily active power curve of a certain area

取峰、平時段內(nèi)最低點為基準(zhǔn)，谷時段內(nèi)最高點為基準(zhǔn)，對不同時段的功率曲線進(jìn)行積分，得到各時段最大電量，具體如表2所示。

表2 各時段最大電量值Table 2 Maximum electric value of each period

由此可知，儲能系統(tǒng)參與電力儲能的盈利點主要為這4個時段內(nèi)的削峰填谷，通過電量的時空轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)谷價、平價時段吸收電能，峰價時段輸出電能，賺取電價差。

算例中使用的儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)值Table 3 Parameter values of energy storage system

3.2 結(jié)果與分析

城區(qū)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價模型通常采用枚舉法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法進(jìn)行求解。本文使用枚舉法即可滿足需求，以枚舉法計算可得每年盈虧結(jié)果如表4所示。

表4 福州市某城區(qū)電網(wǎng)年盈虧結(jié)果表Table 4 Calculation results of annual profit and loss in an area of Fuzhou city

依據(jù)鋰離子電池循環(huán)壽命隨放電深度增加呈指數(shù)下降的趨勢，當(dāng)儲能系統(tǒng)放電深度較大時，如表中放電深度為70%、80%的情況，循環(huán)壽命降低過快，將出現(xiàn)電池更換成本，從而增大年均成本，經(jīng)濟(jì)性較差。合理控制放電深度將有效控制儲能系統(tǒng)成本，創(chuàng)造出盈利機(jī)會，從表5中數(shù)據(jù)看，放電深度越小，如50%、60%時，越能夠獲得盈利。此外，適宜的放電深度下，電池配置容量越大，收益越高，削峰填谷效果也將越好，如表中數(shù)據(jù)將在容量配置為50 MW·h，放電深度50%的情況下獲得最高利潤120萬元·a-1。

整體上看，儲能系統(tǒng)的成本與電能轉(zhuǎn)移的收益大致在同一水平，需要通過合理的容量配置與控制策略設(shè)計，實現(xiàn)對放電深度等電池運行參數(shù)的控制，以降低損耗、延長使用壽命，從而減小成本，創(chuàng)造盈利。

從長期看，隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電池材料的不斷更新，電池內(nèi)阻與極化問題也將得到逐步改善，從而充放電效率將進(jìn)一步提升，儲能系統(tǒng)的成本也將逐漸下降。因此，其在參與電力系統(tǒng)運行的過程中，實現(xiàn)電能時空轉(zhuǎn)移的能力將更強(qiáng)，創(chuàng)造盈利的機(jī)會也更多。

4 結(jié)論

本文結(jié)合最新的鈦酸鋰電池儲能技術(shù)，考慮其循環(huán)壽命及放電深度對儲能系統(tǒng)成本的影響等因素，建立了基于鈦酸鋰電池的城區(qū)電網(wǎng)儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價模型，并通過算例進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)城區(qū)電網(wǎng)中鈦酸鋰電池儲能系統(tǒng)的成本控制，可在壽命周期內(nèi)實現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。本研究可為儲能系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃提供儲能元件類型及其配置的指導(dǎo)和評估，具有一定的實際意義和參考價值。由于目前鈦酸鋰電池在我國的研發(fā)與應(yīng)用還未大范圍普及，僅在城區(qū)范圍內(nèi)有應(yīng)用試點，故暫無對非城區(qū)范圍的研究。隨著可再生能源的發(fā)展，鈦酸鋰電池儲能技術(shù)也會實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，其在非城區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)用研究也將在今后進(jìn)一步開展。此外，在后續(xù)研究中也將進(jìn)一步優(yōu)化計算模型，加強(qiáng)算法應(yīng)用，提高模型適用性。