用戶側電池儲能動態經濟效益模型構建與應用研究

朱國榮 徐振超 成飛 翁羽玲

（1、國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，浙江 杭州 310008）（2、浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 310012 ）

一、引言

儲能系統的功率容量配置對于整個儲能系統的運行及技術性和經濟性具有重大影響，由于目前儲能容量價格比較昂貴，本文研究儲能系統設計方案技術性和經濟性的最優結合。首先以電池儲能系統技術參數及技經參數為基礎，結合用戶負荷特性、用電類別、峰谷電價等因素，分析用戶負荷特性，確定儲能電池配置功率范圍；匹配對應的電池充放電運行時序，求得儲能配置后的網供負荷曲線；通過測算配置儲能前后用戶用電成本和收益的變化，構建內部投資收益率模型；確定目標內部投資收益率水平下的電池功率，確定對應的最優容量配置策略以及技術經濟測算結果。

二、模型構建

用戶側負荷特征的電池儲能最優容量配置的動態優化算法中包括三個最優問題：用戶側電池儲能最優定容模型、儲能系統最優運行策略模型和用戶側電池儲能效益模型的聯立，保證全過程要素投入、產出轉化和成本收益的最優化。

（一）用戶側電池儲能最優定容模型

用戶側電池儲能最優定容模型基于用戶負荷數據，統計的峰谷差，并選取年度最大的日峰谷差作為初始值。結合放電深度和電池集裝箱配置來計算集裝箱的個數，由電池集裝箱的功率就能得到儲能電池的最大功率Pmax。根據約束條件1，用戶配置的儲能電池最優功率（單位：千瓦）范圍為[250，Pmax]。已知儲能電池的充電時長Tc，就能得到儲能電池的最優容量。根據用戶負荷數據，確定儲能電池最大容量Cmax范圍。

模型輸入參數：用戶日負荷數據（KW）：L、放電深度（%）：DoD、電池充電時長（h）：Tc

模型輸出參數：日負荷曲線的最大負荷值（KW）：Lmax、日負荷曲線的最小負荷值（KW）：Lmin、日峰谷差（KW）：Lm=Lmax-Lmin、年度最大日峰谷差（KW）：電池集裝箱個數num=Lm1/DoD/250：（若不為整數，向上取整）、電池最大功率：Pmax=250*num、電池最大容量：Cmax=Pmax×Tc

目標函數：

由于用戶側電池儲能配置的電池集裝箱最小為250千瓦，令一年中的日最大負荷差的最大值為，故電池最大功率的最小值，電池理論最大功率為

考慮到電池集裝箱只能以250的倍數增長，故先計算集裝箱的個數從而反推電池的實際最大功率，

故更新最大功率，得到儲能電池的實際最大功率為

（二）儲能系統最優運行策略模型

用戶側目前較多使用鉛蓄電池和鋰電池，兩者充放電模式不同導致運行策略有所差異，充放電的原則是一致的，主要有以下三點：原則1：按用戶實際負荷需求充放電；原則2：優先考慮尖峰時段必有電可放；原則3：每日的最大充電量不得超過配置的電池最大容量。

用戶每天在尖峰和高峰時段所需的電量不盡相同，且未必均能達到最大放電量，所以根據尖峰和高峰時段的放電量，從而倒推出電池在低谷時段的充電量。99基于原則2，先考慮尖峰時段（19：00-21：00）的放電量，比較用戶負荷與電池最大功率的大小來計算電池的放電功率并對該時段的總放電量Wojf求和，其中要滿足總放電量不得超過電池本身的最大放電量Womax。

由于時間的連續性，接著考慮鄰近尖峰時段的前后段高峰（13：00-19：00和21：00-22：00）。與尖峰時段相比，剩余的最大放電量轉變為電池本身的最大放電量與尖峰時段放電量的差值即Womax-Wojf。放電功率求解與尖峰時段相同，若剩余最大放電容量為零，則放電結束。若剩余最大放電容量仍大于零，則考慮8：00-11：00的高峰時段，最后對尖峰和3段高峰時段的放電量求和得到Wo。綜上即可得到尖峰和高峰時段的放電功率和放電時序。

對于充電時序和充電量，要先比較總放電量與電池本身最大放電量的大小，若Wo＜Womax，則需要的充電量為Wo/effi；否則充電量即為最大充電量Wimax。

（三）用戶側電池儲能效益測算模型

效益測算模型旨在計算不同電池功率下的儲能效益，其中包含不同電池容量下的儲能成本測算、用電總收益測算、內部投資收益率和投資回收期的測算等。

目標函數:

1、年總收益包含一年的電度電費套利和容量電費套利。

(1)電度電費套利

原來的年總電費:

(2)容量電費套利

按月計算原來一年的容量電費:

2、儲能總成本測算

以鉛蓄電池為例，由于儲能系統壽命周期為15年，鉛蓄電池的壽命周期為5年，故期間需要更換2次電池。儲能系統總成本包括儲能電池成本、輔助組件成本、儲能電池的更換成本、儲能電池運行維護成本，且除去儲能電池的回收價值。

3、內部投資收益率

由上述分析可知，該儲能項目初期投資Ct元，以后的N年圖中每年都有Rtj元的現金流，綜上可通過求解下式得到內部收益率IRR。

投資回收期

由儲能項目初期投資元，以后每年都有元的現金流，求解下式得到最小的，記為投資回收期。

（四）綜合優化算法動態擬合

綜合優化算法通過比較不同功率下的內部投資收益率，選取最優內部投資收益率下的電池功率作為最優功率，從而得到對應的最優容量和最優的運行時序。

用戶側電池儲能最優容量配置-動態經濟效益綜合優化算法以最大化內部投資收益率為目標函數，通過內部投資收益率最大值從而得到最優容量以及相關的經濟測算指標。計算內部投資收益率涉及到現金流入、現金流出和應納所得稅。現金流入包含儲能套利Rt和電池回收殘值Ccz；現金流出包含固定資產投資Csys和綜合成本Cw；應納所得稅為tax。利用公式：

稅后凈現金流=現金流入-現金流出-應納所得稅

可以得到稅后凈現金流Ncf。利用下式，基于不同的電池功率計算可以得到不同的內部投資收益率IRR。取內部投資收益率最大值從而得到最優功率。

三、輸出特征示例

在浙江分時電價體系中，配置儲能前該用戶用電總成本分別為（如表1）：

表1 用戶使用儲能前的用電成本

在浙江分時電價體系下，該用戶配置不同功率鉛蓄電池儲能后，用電總成本與降幅分別為（如表2）：

表2 用戶配置不同功率鉛蓄電池的經濟性測算

四、結論與啟示

用戶側電池儲能動態經濟效益綜合模型的構建將儲能投建的經濟型和技術性結合起來，進行容量配置、充放時序、成本收益三個維度的綜合考量。根據示例結果，能夠指導用戶側電池儲能項目形成合理有效、經濟科學的前期項目籌劃和方案必選。