配電網中儲能電站的經濟性分析

唐海燕，王德君，錢喜鶴，繆月森，李妍妍

（杭州市電力設計院有限公司余杭分公司，浙江 杭州 310030）

引言

近年來社會高速發展，電力需求上升，季節性用電高峰給配電網的規劃運行以及電力調度帶來巨大挑戰[1-3]。將儲能裝置引入配電網可以有效解決上述問題。

儲能電站具有多重作用，對于電網來說，可以減緩相關設備的擴建，降低成本。對于用戶側來說，可以對負荷削峰填谷，降低需求量[4]。目前國內外學者已經對儲能系統進行了充分研究，但缺乏儲能電站應用于配電網時的經濟性研究。因此，本文以儲能電站年均收益為目標函數，在傳統儲能系統經濟效益的基礎上，考慮儲能電站建設在配電網時對發電側、電網側、用戶側等多方面效益，結合放電深度與電池壽命的關系，把總投資成本根據實際運行的放電深度折算為年均投資成本，對其經濟性進行研究。

1 配電網中儲能電站的效益分析

1.1 電價效益

為了解決負荷峰谷差過大，提出了分時電價的概念，并在波谷時段降低電價刺激用戶的用電積極性。儲能電站可以在電價高時段放電，并在電價低時段充電。依靠電價差來獲取經濟效益，降低購電成本。

1.2 減緩電網容量擴建

隨著負荷增加，當符合大于線路的容量時，需要對輸電線路進行擴建。在一些配電網擴建可行性較低、負荷高峰持續時間較短的地區，儲能電站可以代替傳統電網的擴建升級。

2 儲能電站經濟效益分析模型

2.1 儲能電池的數學模型

儲能電池數學模型包括：一是儲能電池的壽命模型。二是儲能電池的建設以及運維的成本模型。

2.1.1 儲能電池的壽命模型

儲能電池的壽命S 計算模型如式（1）：

式中：Mi，R是電池在放電深度R 第i 次循環充放電時對電池壽命的損耗。儲能電池的等效充放電系數如式（2）：

式中：Ni是第i 次充放電時折算到滿充滿放狀態的最大循環次數；N0是電池滿充滿放的最大循環次數，取值范圍［0，1］；Mi表示為：

當充放電深度為R 時，量化后的電池循環次數如式（4）[4]:

式中：α1、α2、α3、α4、α5是由電池壽命測試數據回歸模擬獲得的一組常數。

2.1.2 儲能電池的成本模型

儲能電池的成本模型如式（5），（6）:

式中：ke、kp、kf、kn分別為儲能電池單位容量成本、儲能電池單位功率成本、儲能電池其他輔助設備的單位功率成本；EN為儲能電池的額定容量；PN為儲能電池的額定功率；T 為儲能電站的全壽命運行時間。

2.2 儲能電站經濟效益分析模型

2.2.1 目標函數

以儲能電站運行的總收益作為目標函數，模型表達式如式（7）：

式中：f1為峰谷電價產生的收益；f2為減緩電網擴建的收益；f3為發電側的收益；f4為政府補貼；f5為儲能電站投資運維成本。

2.2.2 約束條件

1）儲能充放電功率約束。儲能電站的充放電速率不超過限值，且不能同時充放電。

式中：Pcha，Pdis分別為儲能電站的充放電功率；Pmax為儲能電站的最大充放電功率。一天中儲能的充放電量應平衡。

2）荷電狀態約束。儲能的荷電狀態不超過限值。

式中：SOC，min，SOC，max為儲能最大最小荷電狀態。

3 模型求解

儲能電站經濟性分析流程圖如圖1。

圖1 含精英保留策略的標準遺傳算法流程圖

裝置折舊率取0.03；配電裝置單位造價為100萬元/MW；年利率為0.07；發電設備擴建單位容量成本為210 萬元/MW；儲能的充放電效率為85%。

4 算例分析

4.1 算例相關參數

本文選取某地區典型日負荷進行算例分析，繪制該地區的峰谷電價如圖2 所示。具體步驟如下。

圖2 分時電價

1）據儲能電池的壽命模型計算出放電深度與最大充放電次數的關系。

2）忽略電池壽命的影響進行求解，得出每天根據負荷進行削峰填谷的充放電次數。

3）計及電池壽命進行求解。

基于含精英保留策略的標準遺傳算法求解模型，得到配電網儲能電站的最優容量和功率，驗證所提方法的可行性與有效性。

4.2 算例結果分析

通過儲能壽命計算方法得出的充放電次數與放電深度的關系如表1 所示。

表1 儲能充放電次數與放電深度的關系

通過以上數據進行模型求解，得到儲能電站收益的收斂特性如圖3。

圖3 儲能電站收益收斂特性

繪制儲能充放電效率與收益的曲線圖如圖4。證明提升儲能電站性能參數可以提高儲能系統的經濟性。

圖4 不同充放電效率下的經濟性曲線

5 結論

1）在配電網建立儲能電站，存在經濟效益，年均回報率為9.98%，使用10 年即可回收成本。

2）電池性能對儲能電站的經濟性影響較大，與經濟效益呈正相關。

3）電池壽命受放電深度影響，且經濟效益最大化時，電池放電深度會使電池壽命維持在較高水平，減少年均建設成本。