分布式儲能優化配置影響因素的評價方法研究

摘 "要： 合理的分布式儲能配置不僅可以推動可再生能源的應用，還可提高分布式電源的運行穩定性、維持系統頻率和電壓穩定、補償負荷隨機波動、降低供電成本等。在此基礎上提出了一種分布式儲能系統綜合評估體系，該體系除了考慮儲能系統的影響因素及技術性能外，還綜合儲能的經濟性、安全性和可靠性等，并結合多方專家干預選取典型技術指標及經濟指標，以導則規定、成熟的技術結論及運行經驗為指標評價判據，能夠準確應用到工程評價，得到科學的評價結果。通過對實際工程進行評估，得到儲能配置情況分析結果，驗證分布式儲能系統評估體系的有效性，同時也為系統控制策略調整、儲能配置優化方向提供指導。

關鍵詞： 分布式儲能系統; 影響因素; 綜合評估體系; 評價指標

中圖分類號： TN919?34; TM615 " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0152?06

Evaluation method of distributed energy storage system in consideration of optimization configuration influence factors

YANG Yi1， LIU Jie1， YU Jian?cheng2， ZHANG Pan2， WANG Xu?dong3， XIAO Jun4

（1. Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.， Ltd， Tianjin 300384， China;2. Tianjin Electric Power Corporation， Tianjin 300010， China;

3. Electric Power Research Institute， Tianjin Electric Power Corporation， Tianjin 300384， China;

4. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： Reasonable distributed energy storage configuration can not only promote renewable energy application， but also improve the running stability of the distributed power， maintain the system frequency and voltage stability， compensate the random fluctuation of load， reduce the power supply cost， etc. In consideration of these， a comprehensive evaluation system for distributed energy storage system is put forward in this paper， in which the influence factors and technical performance of energy storage system， as well as the efficiency， security and reliability of integrated energy storage are considered. In combination with many experts’ interventions to select typical technical indexes and economic indexes， and by taking guide rule stipulation， mature technology conclusion and running experience as evaluation criterion， it is able to accurately be applied to the engineering evaluation to obtain scientific evaluation results. Energy storage configuration analysis results can be obtained by evaluating the actual project to verify the validity of the distributed energy storage evaluation system. It also provided a guidance for the control strategy adjustment and energy storage configuration optimization direction.

Keywords： distributed energy storage system; influencing factor; comprehensive evaluation system; evaluation indicator

0 "引 "言

隨著電力系統的發展，分布式發電技術越來越受到人們的重視。但是分布式電源并網會產生很多問題，根本原因在于其出力具有間歇性和隨機性。因此儲能系統作為分布式發電系統必要的能量緩沖環節，其作用越來越重要。

分布式儲能是指在用電側將電能轉換成機械能、化學能等其他能量形式存儲起來，在需要時再轉換成電能釋放出來的一種裝置。在規劃分布式電源的同時引入分布式儲能環節，以實現需求側的管理，消除系統晝夜間峰谷差，平滑間歇性分布式電源并網點的功率波動[1]。分布式儲能裝置的引入，不僅可以更有效地降低供電成本，還可以促進可再生能源的大規模應用，同時也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的手段[2]。儲能技術作為保證供電質量和分布式發電系統效率的有效途徑，已經成為促進可再生能源應用和提高輸配電系統穩定性的重要手段。

目前已有很多國內外學者對分布式儲能的優化配置進行了相關研究，取得了許多理論和實踐方面的成果：文獻[3]針對風光復合發電系統中儲能單元的容量優化問題進行了研究，利用蓄電池儲能與飛輪儲能的互補特性，將二者綜合考慮，以最小成本為優化目標，系統性能指標為約束，應用基于隨機模擬的遺傳算法，進行容量的組合優化設計，但由于其約束條件沒有考慮經濟性、可靠性等因素，勢必造成結果不準確;文獻[4]針對同一問題，通過詳細分析儲能容量合理取值受到的各種影響因素，利用儲能容量成本及風電場輸出功率平滑效果輔助判據，得出風電場儲能容量合理的取值范圍。研究成果均可用于對儲能進行配置，理論研究技術相對成熟，但是由于技術局限性及誤差，無法判定配置結果是否滿足工程需求。文獻[5?6]提出一些衡量風光儲系統供電可靠性的指標，如負載缺電率和蓄電池組荷電狀態等。

綜上所述，目前并未形成科學的分布式儲能系統配置合理性評估方法，所有研究工作主要以功率平衡和提高供電可靠性為目標，如何正確評估儲能優化配置，包括現狀配置和規劃設計優化配置的評估，是提出儲能最優配置方案的前提。本次研究針對分布式儲能配置的應用現狀提出了一種包含儲能技術指標、經濟指標的綜合評估方法，用以判斷儲能規劃的混合儲能是否能夠滿足提高供電可靠性，提高可再生能源利用率，提高經濟性等要求。

1 "儲能容量配置影響因素分析

儲能容量配置影響因素是關系到儲能性能的重要方面，直接影響到儲能容量配置對供電可靠性、可再生能源利用率及儲能經濟性的高低，同時也關系到儲能容量配置評估體系的指標提取[7]。

1.1 "外部因素

（1） 環境因素

影響到儲能容量優化配置的重要方面之一是外界環境的影響，具體包括3個方面：環境溫度、環境濕度和灰塵。不同的環境溫度和濕度對儲能的正常運行有不同的影響，溫度、濕度過高或者灰塵過多都會影響儲能的壽命，從而影響整個系統的經濟性。影響儲能性能的環境因素如圖1所示。

（2） 外部條件因素

影響到儲能容量優化配置的還有來自外界條件的一些因素，包括負荷需求、分布式能源的出力。根據負荷的需求變化和分布式能源出力的大小來合理配置儲能的容量，從而影響整個系統的總投資計劃。影響儲能性能的外界條件因素如圖2所示。

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圖1 影響儲能性能的環境因素lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼24t2.tifgt;

圖2 影響儲能性能的外界條件因素

在給定負荷條件下考慮儲能容量規劃的問題，由于分布式電源為間歇性的，負荷也是波動性的，電力儲能規劃應該考慮現有負荷水平。若負荷水平大于分布式電源出力和電力儲能的容量之和，則無優化的必要;而如果負荷水平遠小于分布式電源的出力和電力儲能的容量之和，則有優化的空間。

1.2 "內部因素

儲能的自身特性也是影響儲能容量配置的重要因素之一，影響儲能自身特性的因素很多，主要包括：能量密度、功率密度、循環壽命、能量轉換效率、充電效率、放電效率。

影響儲能性能的內部因素如圖3所示。

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圖3 影響儲能性能的內部因素

2 "儲能容量配置評估體系構建

儲能容量配置評估體系構建方法采用傳統評估體系[8]，其指標選取應遵循數據一致性、真實性與可度量性等原則。

2.1 "評估體系指標選取

評估體系指標選取國內外儲能研究中的通用指標，并結合儲能技術及經濟特點給予專家干預，進行篩選。

（1） 供電可靠性

隨著風電的大規模開發，其功率波動對系統的沖擊越來越突出，嚴重的威脅到電力系統的安全穩定運行。國際上較多參考文獻采用的供電損失率[ηLPSP]和持續供電能力作為衡量聯合系統供電可靠性的指標。

供電損失率[ηLPSP]是一個廣泛運用于風光儲聯合系統中優化儲能容量配置的工程應用指標標準，因此選擇供電損失率為供電可靠性的一級指標。

（2） 補償效果

儲能裝置應用于大規模的、并網型間歇式的電源中，其主要目標是平抑功率波動，提高電能質量。因此，選取功率波動為補償效果的一級指標，其具體指標超出約束次數、方均根偏差、絕對波動率為二級指標。

（3） 綜合效率

儲能系統綜合效率指標涵蓋了整個儲能系統的損耗，包括逆變器的效率、儲能充放電的效率以及網絡效率。綜合效率越高，各個設備的損耗越低，整個系統的性能越好。考慮設備的損耗受到設備自身的特性影響，評估指標僅考慮網損率。

（4） 可再生能源利用率

國際上較多參考文獻采用能量浪費率[ηexc]指導風光儲容量配比，該指標屬于衡量風光儲聯合系統可再生能源利用率的指標，可以間接評價儲能的配置對可再生能源利用率的影響。

（5） 經濟性

目前已經開發出了多種高性能儲能元件，部分成本很高，由于建設智能電網對儲能裝置需求量較大，儲能元件的合理成本也是影響儲能配置方案的重要因素之一。

由于與儲能配合的各類分布式電源在運行特性和受環境影響方面不同，這里主要采用總凈現值、內部收益率、投資回收期3個指標來評價儲能經濟性，該指標體現了儲能配置應用的綜合效果，可有效減少分布式電源特殊性造成的影響。

2.2 "評估體系結構

按照指標體系構建方法，結合專家多方面意見，確定如圖4所示的儲能優化配置綜合評價指標體系。

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圖4 儲能優化配置綜合評價指標體系結構

3 "底層指標計算方法及評價判據

3.1 "底層指標計算方法

供電可靠性

供電損失率[ηLPSP]是系統不能滿足的負荷需求量與評估期總負荷需求量的比值。

當蓄電池放電至最小值[Cbatmin]時，控制系統斷開蓄電池和負荷的連接，負荷需求即不能滿足。[t]時間內的供電損失值為：

[ELPS（t）=PloadΔt-[PPV（t）Δt+PWG（t）Δt+ " " " " " " " Cbat（t）-Cbatmin]ηinv]

評估期T內，供電損失率表示為：

[ηLPSP（t）=t=1TELPS（t）/t=1TPloadΔt]

式中：[Δt]為用于計算的步長;T為評估期，并假設評估期內風、光發電出力保持不變。

3.2 "補償效果

（1） 超出約束次數[NOP]是指全數據長度內，各點同目標曲線偏差的絕對值超出允許偏差功率的次數。其計算公式為：

[NOP=i=1NOPi， i=1，2，…，N]

式中：[OPi=1， " " " " PC igt;PClim0， " " " " PC i≤PClim]。

（2） 方均根偏差RMS是指全數據長度內，各點同目標曲線偏差的平方和除以數據點數后開平方。方均根偏差的計算公式為：

[RMS=i=1N（PC i-PClim）2N]

（3） 波動率是指相鄰的兩個時間窗口的平均值之差與額定功率之比。其計算公式為：

[Rflur（n）=Pramp（n）PN=Pmean（n+1）-Pmean（n）PN]

式中[PN]為可再生能源額定功率。

3.3 "綜合效率

系統損耗率為電量傳輸過程中的損失量與供電量的比值。

[系統損耗率=供電量-售電量供電量]

3.4 "可再生能源利用率

能量浪費率[ηexc]為風力、光伏發電浪費的功率與評估期負載總的功率要求的比值[9]。

當[PWG（t）+PPV（t）+Pbat（t）=Ptotal（t）gt;Pref（t）]時，風力和光伏發電浪費能量的計算公式為：

[EWE（t）=[PPV（t）+PWG（t）]Δt-{PrefΔtηinv+ " " " " " " "[Cbatmax-Cbat（t-1）ηcha]}]

式中[EWE（t）]是在滿足負荷要求和儲能元件充電要求的基礎上，風力發電和光伏發電浪費的能量[10]。能量浪費率的計算公式為：

[ηexc（T）=EWE（T）2t=1TPload（t）Δt]

3.5 "經濟性

（1） 凈現值。凈現值是項目方案整個壽命期內各年的收益、費用或凈現金流按一定的折現率折現得到的現值代數和，是反映項目盈利能力的最重要指標。

[NPV=t=0n（CI-CO）（1+i）-t]

式中：CI為第t年的現金流入;CO為現金流出;i為基準收益率;n為項目壽命。

（2） 內部收益率

內部收益率是指使方案在研究期內一系列收入和支出的現金流量凈現值為零時的折現率，也是反映項目盈利能力的重要指標。

[t=0nPt（1+i*）t=0]

式中：[Pt]為第[t]年的凈現金流;[i*]為待求的內部收益率;n為設備經濟使用年限。

（3） 投資回收期

投資回收期是工程項目的凈收益抵償全部投資所需要的時間，是反映項目財務投資回收能力的重要指標。分靜態投資回收期和動態投資回收期兩種。

[P0=t=1PtRt1+it]

式中：[P0]為初投資;[i]為基準收益率;[Rt]為每年的凈收益;Pt為投資回收期。

3.6 "指標評價判據

在對儲能配置進行綜合評價過程中，需要對各項指標進行評價，這些指標只有在一定的范圍內時，對儲能才會達到最好的配置效果，因此需要確定這些指標的合理運行范圍[11]。

已選指標選擇評價判據和評分標準根據分布式儲能的特點和評價目的確定，參考了相關導則、相應的理論推導，借鑒一些相關理論成形的結論，并邀請多位專家進行干預。

儲能優化配置綜合評價指標的判據主要來源有4個方面，總結如下：

（1） 導則中規定的數值;

（2） 通過導則中所規定的一些數據所進行的理論研究;

（3） 大量文獻中成形的、被認可的結論;

（4） 在理論研究中個別值根據長期運行、規劃經驗確定。

通過以上方法得到評估指標評價判據具體如下：

（1） PI值、均方根、超出約束次數。PI值越小補償效果越好;均方根偏差越小補償效果越好，超出約束次數越少，補償效果越好。

（2） 能量浪費率。依據《儲能系統接入配電網技術規定》中規定數值，計算能量浪費率，其值越小，表明可再生能源利用率越高。

（3） 絕對波動率、波動率。絕對波動率值越小，說明補償效果越好。波動率反應的是可再生能源出力的情況，理想情況下，可再生能源波動越小越好。

（4） 總凈現值。在經濟評價中，若凈現值大于等于零，則該方案在經濟上可以接受;若凈現值小于零，則該方向在經濟上不可接受。凈現值越大，方案越優，投資效益越好。

（5） 內部收益率。在單方案評價中，內部收益率大于基準收益率 ，方案可行，且IRR越大越好;在多方案評選中，IRR越大，方案越優。因此，該指標為收益性指標，取值愈大愈好。

（6） 投資回收期。在單方案評價中，Pt小于國家或有關部門規定的基礎投資回收期，方案可行，且Pt越小越好;在多方案評選中，Pt越小，方案越優。因此，該指標為成本型指標，取值愈小愈好。

4 "實例分析

4.1 "智能營業廳概況

本文以天津市中新生態城智網營業廳為依據，采用分布式儲能系統評估方法對其進行評估。

智網營業廳的微電網系統是由30 kWp光伏、6 kW風機構成分布式電源，以15 kW×4 h鋰離子電池作為儲能設備，以10 kW照明和5 kW電動汽車充電樁共15 kW作為微網負荷，于2011年9月17日正式投入運行，其運行方式為并網運行。

智網營業廳，分布式儲能系統運行控制目標為削峰填谷和控制聯絡線功率，運行效果如下：

（1） 微網系統運行供電可靠性達到99.999%;

（2） 儲能電池在一天中充放電頻繁，多達百余次;

（3） 實現微網并離網模式安全切換;

（4） 并網模式下市電與微網系統的交換功率波動較大，與預期規定的 ±2 kW偏差較大，致使微網對母線產生一定的沖擊，當期不影響系統運行的安全、穩定。

該項目在運行過程中存在一些問題，后期為合理改建優化儲能配置，使其達到理想運行效果，需對其進行儲能配置評估。

4.2 "儲能配置評估

此處僅在削峰填谷場景下對智能營業廳儲能配置進行評估。當前已有智能營業廳儲能一個季度運行數據，通過對比分析，選取2012年6月13日的運行數據進行評估分析。

（1） 供電損失率

在智網營業廳外部電網停電時，儲能配置能夠滿足智網營業廳在孤網運行的負荷供電需求，達到可靠性提升效果的要求。因此，其供電損失率為0。

（2） 功率波動

功率波動在削峰填谷場景下的評估指標為：功率越限次數、方均根偏差。由于智網營業廳微網僅為光儲微網系統，評估數據選取光伏開啟至關閉時間段。

① 功率越限次數。按照聯絡線功率在±2 kW的區間內波動，儲能運行功率超過約束曲線150次。實際聯絡線功率與目標運行曲線如圖5所示。

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圖5 實際聯絡線功率與目標運行曲線

② 方均根偏差。根據聯絡線功率交換情況，和預期控制聯絡線的交換功率目標值，通過公式計算得到聯絡線交換功率的方均根偏差RMS=3.67。

（3） 系統損耗率

網損率主要體現蓄電池的型號、逆變器的類型以及儲能的接入位置，本次的儲能配置情況評估是單點儲能配置情況，儲能的接入位置影響可忽略，僅僅與儲能系統自身的能量轉換、傳輸效率相關：

[系統損耗率=供電量-售電量供電量=市電送電量+光伏發電量-儲能放電量-負荷用電量市電送電量+光伏發電量]

通過儲能充放電數據分析和計算可得智網營業廳儲能系統網損率為21.52%。

（4） 能源浪費率

從智網營業廳整個微網系統并網運行，但是，受到聯絡線功率波動控制的限制，對多余的光伏發電進行切除，造成部分能量的浪費。

[能量浪費率=浪費的電量最大發電量=光伏提供最大的發電量-光伏實際發電量+系統損耗電量光伏提供最大的發電量+市電提供電量]

經統計計算可知，智能營業廳全天的能源浪費率為41.26%，能源浪費率處于較高水平。微網光伏系統最大出力與實際出力曲線如圖6所示。

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圖6 微網光伏系統最大出力與實際出力曲線

（5） 經濟效益

根據智網營業廳的儲能配置結果，計算得到凈現值為-97.9萬元。由于內部收益率的邊界條件是NPV必須大于0，若NPV小于0，則內部收益率IRR、投資回收期計算沒有意義。

根據評估體系和評估方法，對智網營業廳儲能配置情況進行評估分析，評估結果如表1所示。

表1 評估指標匯總

針對以上計算結果進行分析，實際配置結果能夠滿足期望運行要求，但儲能補償效果較差，尤其是功率波動和能量的損耗及浪費，主要原因表現為：控制策略過于簡單;現狀負荷遠小于光伏系統發電容量。基于評估結果，建議隨著負荷的增長及時調整智網營業廳微網的控制策略：仍以聯絡線的功率波動為控制目標，調整控制邊界條件;允許光伏并網上網，以平滑聯絡線功率為控制目標，調整控制邊界條件，使智網營業廳微網達到最佳效果。

5 "結 "語

本文提供了一套科學合理、可操作性強的儲能容量配置綜合評估體系和方法，通過該體系能夠全面評估儲能規劃的混合儲能是否滿足供電可靠性、可再生能源利用率、經濟性等方面的提高效果，并以此為依據可提出改善儲能配置效果的方案策略，為儲能容量優化配置提供量化標準，指導儲能容量配置的設計，為混合儲能建設項目的優化提供科學依據，提升儲能容量安排合理性，規范分布式電源及微網建設項目投資管理，減少盲目投資及短期行為，增強投資的全局觀念，提高電網公司總體效益。

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