光儲充一體化電站優(yōu)化配置方法

郭強強，皮昊書，陳云輝

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

目前電動汽車充電站電源單一，主要采用配電網(wǎng)供電形式[1-2]。電動汽車充電站內(nèi)通常設(shè)有多臺直流充電機。因單臺直流充電機的功率較大，單次充電時間較短，這一特點導(dǎo)致充電站在晚間電網(wǎng)負(fù)荷低谷時期的利用率較低[3-4]。在日間電網(wǎng)負(fù)荷高峰時期，若有大量電動汽車同時需要快速充電時，大功率的充電需求將給電網(wǎng)產(chǎn)生短時負(fù)荷沖擊[5]。隨著電動汽車充電站建設(shè)的大范圍開展，這一問題勢必愈加嚴(yán)重[6-7]。光儲充一體化電站將光伏、儲能和充電站結(jié)合建設(shè)，利用電池儲能系統(tǒng)吸收晚間負(fù)荷低谷時期的電能，對日間負(fù)荷高峰時期快充站用電進行支撐[8]，并利用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行補充，能夠有效平衡快充站的負(fù)荷峰谷差，提高系統(tǒng)運行效率，減少負(fù)荷高峰時期的電力系統(tǒng)資源占用，從而達到優(yōu)化運行方式、提高運行經(jīng)濟性的目的[9-10]。

本文針對光儲充一體化電站的規(guī)劃需求，建立光儲充一體化電站設(shè)備優(yōu)化配置模型，并采用遺傳算法進行求解，最后通過算例驗證該方法的有效性。

1 光儲充一體化電站設(shè)備模型

光儲充一體化電站設(shè)備包括光伏、儲能和充電樁。

1.1 光伏模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力受太陽輻照度、環(huán)境溫度影響，因此系統(tǒng)的功率輸出一般以標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)(太陽輻照度為1 000 W/m2，溫度為25℃)下的出力為標(biāo)準(zhǔn)進行修正。實際綜合能源系統(tǒng)中，光伏發(fā)電一般運行在最大功率輸出點，規(guī)劃階段可根據(jù)預(yù)測太陽輻照度或歷史太陽輻照度計算其規(guī)劃期內(nèi)各個時段的輸出功率：

(1)

式中PPV——光伏發(fā)電的輸出功率；PSTC——光伏發(fā)電的額定功率；I——太陽輻照度；ISTC——STC下的太陽輻照度；T——光伏發(fā)電的運行溫度；TSTC——STC下的運行溫度；k——功率溫度系數(shù)，為負(fù)數(shù)。

光伏發(fā)電輸入為太陽能，可以看作零輸入單輸出元件，其輸出功率的上限受自然資源的影響。光伏的功率輸出約束如下：

(2)

1.2 儲能模型

1.2.1 儲能系統(tǒng)容量計算

在進行儲能容量配置時，相應(yīng)儲能系統(tǒng)的充放電控制策略可以描述如下：

(3)

(4)

式中PESS_rate——儲能系統(tǒng)額定功率，MW；SOCmax——儲能電池荷電狀態(tài)(SOC)上限控制值；SOCmin——儲能電池SOC下限控制值。

1.2.2 考慮儲能壽命模型的儲能系統(tǒng)運行成本和效益

(1)電池儲能系統(tǒng)的使用壽命預(yù)測模型。在計算電池儲能系統(tǒng)運行效益時，儲能系統(tǒng)的使用壽命是投資成本分析中最重要的一個參數(shù)。與常規(guī)機組、風(fēng)機、光伏面板等相對固定的使用壽命不同，電池儲能的循環(huán)次數(shù)有限，并且與其工作環(huán)境溫度、充放電深度等因素密切相關(guān)，工作環(huán)境溫度越高、單次充放電深度越深，其使用壽命越短。電池儲能對應(yīng)于額定充放電深度的有效放電電量是一定的，即充發(fā)電次數(shù)相對固定。電池儲能在實際使用過程中一般限制其SOC上下限，防止其過充過放，延長電池使用壽命。對于某一實際的充放電深度可折算至有效充放電深度，擬合函數(shù)關(guān)系如下式：

(5)

式中Drate——額定放電深度；Nrate——額定放電深度對應(yīng)的循環(huán)使用次數(shù)；Dr——實際使用中放電深度；Nr——實際使用中放電深度對應(yīng)的循環(huán)使用次數(shù)。

若電池儲能系統(tǒng)運行在額定放電深度下，則在其使用壽命周期內(nèi)放出的總電量：

Esum=NrateDrateErate

(6)

式中Erate——電池儲能的額定容量，MWh。

取Nr與Nrate的比值作為折算因子，記為mDOD，則有：

(7)

在一年計算周期內(nèi)，一系列不同放電深度折算至額定放電深度下的放電電量為：

(8)

則，可得電池儲能系統(tǒng)的使用壽命：

(9)

由式(9)可知，電池儲能系統(tǒng)的使用壽命在實際運行過程中并非一成不變，而是與其充放電次數(shù)及每次充放電過程的深度緊密相關(guān)。

(2)儲能系統(tǒng)的成本。儲能系統(tǒng)的成本包括兩個方面：一方面為初始投入成本，但考慮到儲能系統(tǒng)的使用壽命，將其初始投資成本平均分?jǐn)傊劣嬎隳辏涣硪环矫鏋檫\行維護成本，可按初始投資的比例計算。

則儲能系統(tǒng)的成本計算公式如下：

(10)

式中CE——儲能系統(tǒng)的單位容量價格，萬元/MWh；Prate——儲能系統(tǒng)的額定功率，MW；CP——儲能系統(tǒng)的單位功率價格，萬元/MW；n——儲能系統(tǒng)的使用壽命，年；r——年利率；α——運維費用率。

2 優(yōu)化配置模型

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)備模型中已經(jīng)得到儲能系統(tǒng)的收益和成本計算方法，光儲充一體化電站配置的優(yōu)化目標(biāo)為最大化電站的凈收益，如下式：

(11)

式中B——凈收益；pcharge(t)——t時刻電站的充電電價；Pcharge(t)——t時刻電站的充電功率；Pele_out(t)——t時刻電站的受電電價；Pele_in(t)——t時刻電站的受電功率；Δt——計算時間間隔；pele_in(t)——t時刻電站的上網(wǎng)電價；Pele_out(t)——t時刻電站的上網(wǎng)功率；CPV——光伏的建設(shè)成本；m——光伏的使用壽命；β——光伏的運維費用率。

2.2 約束條件

在對光儲充一體化電站進行配置時，模型除了滿足光伏和儲能系統(tǒng)的設(shè)備約束，還應(yīng)滿足系統(tǒng)功率平衡約束、儲能系統(tǒng)出力約束以及儲能系統(tǒng)SOC約束。

系統(tǒng)功率平衡約束：

(12)

式中SB——系統(tǒng)節(jié)點集合。

儲能系統(tǒng)運行約束：

(13)

式中PESS，min(t)，PESS，max(t)——第i個儲能系統(tǒng)在階段t的最小和最大輸出功率，與當(dāng)前階段儲能系統(tǒng)的SOC值、SOC上下限及額定功率相關(guān)；PESS(t)——階段t儲能系統(tǒng)的輸出功率；SOCi，max，SOCi，min——第i個儲能系統(tǒng)SOC上下限值；SOCi(t)——階段t儲能系統(tǒng)的值。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)

本文以某光儲充一體化電站為例，共配置12臺60 kW快充樁，配變?nèi)萘?00 kVA，以1回10 kV線路接入系統(tǒng)。根據(jù)光儲充一體化能源站屋頂面積和剩余空間，設(shè)定光伏安裝容量上限為2 000 kW，儲能裝機容量上限為1 000 kW×2 h。

光儲充一體化電站所在區(qū)域12個月典型日光伏出力如圖1所示。由圖1可見，光伏出力較為有規(guī)律性，在白天有光照時輸出功率，夜間無輸出功率。

圖1 12個月典型日光伏出力

充電站典型日充電負(fù)荷如圖2所示。

圖2 充電站典型日的充電負(fù)荷

其他計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)表

(1)儲能初期建設(shè)成本由容量成本和功率成本兩部分組成，單位容量成本取600元/kWh，單位功率成本取300元/kW。

(2)儲能全壽命周期的另一項成本為運行維護成本，取費用率為初期建設(shè)成本的3%。

(3)儲能系統(tǒng)的充放電效率均取90%。

(4)儲能額定放電深度下循環(huán)次數(shù)取3 000次，用于計算儲能壽命。

(5)儲能額定放電功率與其額定容量有關(guān)，限制在0.5～2.0 A·H，不是無限制縮小或放大其額定功率。

(6)進行優(yōu)化計算時取調(diào)度周期為1 h。

電價包括受電電價、充電電價和上網(wǎng)電價這3個部分。受電電價為光儲充一體化電站向電網(wǎng)買電的電價，充電電價為光儲充一體化電站向電動汽車充電的電價，上網(wǎng)電價為光儲充一體化電站向電網(wǎng)倒送電時電網(wǎng)公司的購電電價。

3.2 優(yōu)化配置結(jié)果

基于計算參數(shù)，采用遺傳算法進行優(yōu)化求解，優(yōu)化得到光伏的安裝容量(峰值)為1 136 kW，儲能的額定容量為564 kW×2 h，額定功率為0.5 C，最優(yōu)的凈收益為106.6萬元。優(yōu)化方案與其他方案對比見表2。

表2 光儲充一體化電站配置方案對比

最優(yōu)方案的凈收益最高，為106.6萬元，其次為方案2，凈收益103.9萬元，方案1的凈收益最小，為82.9萬元。方案1收益較低的原因在于光伏裝機容量較大，考慮光儲充一體化電站內(nèi)部消納后上網(wǎng)功率仍超過了配變的容量，需要限制光伏的出力，因此導(dǎo)致收益下降。

對于最優(yōu)方案，光儲充優(yōu)化出力曲線見圖3。凌晨為電價低谷，并且光伏沒有出力，光儲充一體化電站從電網(wǎng)受電為充電負(fù)荷供電及為儲能充電。7:00—14:00光伏大發(fā)，超過光儲充一體化電站的充電功率，向電網(wǎng)反送電賺取上網(wǎng)收益。15:00—17:00光伏出力降低，充電負(fù)荷達到高位，但此時為平時段電價，由電網(wǎng)為充電負(fù)荷供電。18:00—22:00為高峰電價時段，由儲能放電為充電負(fù)荷供電，此時既不向電網(wǎng)受電也不向電網(wǎng)供電。

圖3 光儲充優(yōu)化出力曲線

4 結(jié)語

結(jié)合電動汽車充電樁可利用空間建設(shè)光伏和儲能，并通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制光伏、儲能以及充電樁，能夠有效降低電動汽車大規(guī)模接入帶來的充電負(fù)荷峰值壓力，并為充電站運營商獲取額外的收益。本文針對光儲充一體化電站的規(guī)劃需求，首先建立了光伏模型和基于壽命預(yù)測的儲能模型，然后建立了光儲充一體化電站設(shè)備優(yōu)化配置模型，實現(xiàn)了電站運營商的收益最大化。