考慮共享儲能容量衰減的零碳園區優化調度與經濟性評估

馮亮，鑒慶之，田浩，趙龍，劉蕊，趙二崗

(1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南市250021；2.北京智中能源互聯網研究院有限公司，北京市100176；3．電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市100084；4．無錫學院自動化學院，江蘇省無錫市214072)

0 引 言

高度發展和重視可再生能源，是解決環境污染、氣候變化、化石能源短缺等問題的重要手段，也是促進實現“雙碳”目標的有效途徑[1-2]。風光發電等可再生能源正逐漸替代化石能源[3]，但風光發電的隨機性、間歇性及波動性對電網造成較大沖擊，高比例可再生能源接入到電力系統面臨諸多問題，因此要實現“雙碳”目標需從電力系統“發輸變配用”各環節進行協調。用戶側是實現“雙碳”目標的重要環節，而零碳園區更是用戶側實現“雙碳”目標的重要舉措。儲能作為“能量緩沖器”，可以實現跨時空能量調節，同時也是零碳園區的必備裝置。

已有研究充分探索了含儲能的零碳園區優化調度。文獻[4]將儲能納入低碳園區綜合能源系統架構，并指出通過配置儲能可降低園區綜合能源系統供能成本和碳排放。文獻[5]提出風火儲聯合雙層優化，該方法可同時降低風電場和火電機組的運行成本。然而，儲能雖然有效提高了園區供能的靈活性，但仍存在回收周期長、投資建設成本高等經濟性問題。近年來，隨著“共享經濟”的發展，共享儲能(shared energy storage,SES)成為儲能高效利用的新模式[6]。文獻[7]提出分散式SES系統優化配置與調度方法，該方法可降低投資初期成本、用電成本，對用戶側儲能發展具有一定指導意義。文獻[8]提出了SES電站參與用戶群日前能量優化調度方法，以用戶群從SES和電網購買輔助服務成本最小為目標，得出了SES電站經濟可行。文獻[9]在互聯網背景下探索了SES電站交易可行性和存在的問題，并指出制定合理的新能源+儲能政策、明確儲能分攤方式、探索區塊鏈與SES相結合交易平臺等能夠促進大規模可再生能源并網消納。可見，儲能產業是促進可再生能源有效發展的“最后一公里”[10]。但是，很多研究工作忽略了儲能參與能量優化調度的日衰減問題，而該問題在退役動力電池儲能應用中更為凸顯。

隨著最早推廣的一批新能源汽車的動力電池退役高峰即將來臨，預計近期退役規模達百MW·h以上。如何利用好、管理好海量的退役動力電池，愈發成為行業研究重點。用戶側削峰填谷、輔助服務對電池儲能系統(battery storage system,BSS)的安全及可靠性要求相對較低。而退役BSS可用于要求低的工況，如削峰填谷[11]、備用電源、通信基站[12]、家用電池以及商用儲能[13]等。目前許多研究學者對退役電池做了研究。文獻[14]分析了退役電池平抑光伏出力波動的可行性，并做了經濟性評估。文獻[15]提出了基于退役電池閾值設定與分級控制的棄風消納模式以降低儲能成本，并且利用分級控制策略實現退役電池實時動態切換存儲模式，此方案可提高電池的使用壽命。由此可見，退役動力電池的高效利用是提高經濟性的又一主要舉措。

本文突出“共享儲能”和“退役電池”兩大經濟性提升手段，提出考慮SES容量衰減的零碳園區能量優化調度與經濟性評估方法。首先，提出SES全生命周期成本效益分析模型，并建立以各園區日運行成本最小為優化目標的優化調度模型。然后，提出SES全生命周期經濟性評估指標。接著，在算例分析中考慮各園區無配置儲能電站、自配儲能電站、SES電站三種配置方案，以及新電池與退役電池兩種選型方案，充分對比不同配置方案與選型方案下園區優化調度與經濟性評估結果。最后，通過敏感性分析突出SES服務價格對其經濟性的影響，并給出服務價格的建議取值。

1 共享儲能成本效益及目標函數

1.1 成本效益分析

SES成本包括：初始投資建設成本、運維成本、更換成本以及回收殘值。

1)初始投資建設成本。

全生命周期初始投資建設成本由額定功率成本和額定容量成本構成，具體表達式為：

Cint=CEErate+CpPrate

(1)

式中：CE、Cp分別為BSS額定容量和功率成本單價；Prate為BSS額定功率；Erate為BSS額定容量。

SES日均投資建設成本具體表達式如下：

(2)

式中：dS為BSS一年內總運行天數；j為貼現率；NY為項目年限。

2)運維成本。

BSS運維成本主要包括項目運行期間的維修、保養、更換相關設備的費用等。本文設其與額定功率有關，如下所示:

(3)

式中：Copt,day為BSS單位功率每天運維成本；gint為通貨膨脹率。

3)更換成本。

新BSS的衰減率具體表達式如下[16-17]：

(4)

式中：α1、α2為常數；D(t)為BSS實時放電深度；Dr為標準放電深度；Δt為采樣周期；Nr為Dr下的循環次數；PD(t)為BSS在t時刻的放電功率。

若將退役磷酸鐵鋰 (LiFePO4)電池作為SES參與各園區優化調度，其容量保持率按照式(5)估算[11]：

(5)

(6)

假設新、退役BSS容量衰減至初始額定容量的80%時需更換，具體表示如下：

(7)

BSS更換次數為：

(8)

式中：k1、k2分別為新、退役BSS更換次數，若k為非整數，其進1取整。

BSS更換成本為：

Crep=kCint

(9)

4)回收殘值。

BSS額定容量降至原來的80%時，需回收，回收殘值具體表達式如下：

Cres=-βresCint

(10)

式中:βres為回收殘值系數。

因此，BSS總成本為：

Csum=Cint+Copt+Crep+Cres

(11)

1.2 目標函數

本文將日內園區用電調度的運行成本作為目標函數。一個調度周期內的運行成本包括園區向SES電站繳納的服務費和從電網側購電的費用，具體表達式如下：

CTotal=min(CSES+CG)

(12)

(13)

(14)

式中：CTotal為接入SES后各園區以日為調度周期的總運行成本；CSES為各園區向SES電站購買的總服務費用；CG為各園區從電網購電費；Z為零碳園區總數；δB(t)為SES的充放能量服務單價；δG(t)為該區實時電價；PC,i(t)、PD,i(t)、PG,i(t)分別為園區i使用BSS的充放電功率和從電網購買電量的功率。

1.3 約束條件

1)功率平衡約束：

PP,i(t)+PW,i(t)+PG,i(t)+
PD,i(t)-PC,i(t)-PL,i(t)=0

(15)

式中：PW,i(t)、PP,i(t)分別為園區i在t時刻的風光功率出力；PL,i(t)為園區i在t時刻的負荷。

2)功率約束和額定功率配置。

(16)

式中：PC(t)、PD(t)分別為BSS在t時刻的總充放電功率；Pmax為BSS最大功率；ηC、ηD為BSS的充放電效率；ψC,i(t)、ψD,i(t)為園區i在t時刻的充放電狀態。

3)荷電狀態和額定容量配置。

(17)

式中：E(t)為BSS在t時刻的電量狀態；Emin、Emax為最小和最大電量；SOCmin、SOCmax為SES最小和最大荷電狀態；SOC(0)、SOC(T+1)為SES的開始和下一個調度周期最初的SOC。

2 基于不同場景下的案例設計

2.1 各園區不建立儲能電站(場景1)

若該區域新能源出力大于負荷，即PP,i(t)+PW,i(t)>PL,i(t)時，區域存在棄風棄光，具體表達式如式(18)所示；若PP,i(t)+PW,i(t)

(18)

(19)

該場景下的成本具體表達式如下：

(20)

2.2 各園區分別建立儲能電站(場景2)

自投資建設BSS成本包括初始投資建設成本、運維成本，如式(21)所示。

(21)

式中：Cint,day,i、Prate,i分別為園區iBSS初始投資建設成本和額定容量。

以成本最低為目標函數：

(22)

3 經濟效益評估

3.1 凈現值和動態回收期

凈現值(net present value,NPV)的數學表達式如下：

(23)

此外，項目動態回收期(dynamic payback period,DPP)反映SES電站項目的總運行收益與總運行成本之差等于零時的年份，具體表達式如下：

(24)

式中：NYD為SES參與各園區能源優化調度的動態回收期。

3.2 平準化成本

平準化成本模型(levelized cost of energy,LCOE)是SES電站所發生的總成本與總電量的比值。LCOE方法可用于不同發電技術下的經濟性評估[18-19]。本文SES電站LCOE主要包括全壽命周期內投資相關的成本與系統運行期間所發電量年值的比值，如式(25)所示。

(25)

4 優化求解流程

優化求解流程如圖1所示，SES獲取零碳園區新能源出力和負荷需求，通過相關約束條件進行SES的最優功率和容量配置，并且制定初步的服務單價。各園區可自行配置BSS或者使用SES的服務，取決于兩種方案之間的總運行費用的差異；SES商若發現設定的服務單價過高，導致各園區偏向自配置BSS電站，則調整服務單價。

圖1 SES優化求解流程圖Fig.1 Flow chart of optimization solution of SES

使用Matlab R2021b中求解器CPLEX和YALMIP工具箱求解。

5 算例

5.1 參數設置

本文SES采用LiFePO4電池，表1中針對新、退役BSS給出了電站的具體相關參數。風光出力數據以來自不同地區的風光出力和負荷曲線作為算例輸入，并對部分數據進行了處理。以山東省2018年電網銷售電價作為參考電價，如表2所示。

5.2 場景1：各園區不建立儲能電站

在場景1調度中，各園區不建立儲能電站參與能量調度。通過自身負荷需求及園區內新能源出力進行協調，結果如表3所示。園區內沒有實現新能源就地消納，能源浪費嚴重，并且日內運行費用也較高。棄風棄光嚴重，總棄電量高達13 693.47 kW·h。同時，4個園區需從電網購置的總電量為19 339.42 kW·h。

表1 SES電站相關參數Table 1 Relevant parameter of SES

表2 分時電價Table 2 Time-of-use price

表3 場景1優化調度結果Table 3 Optimized schedule results of scenario 1

5.3 場景2：各園區分別建立儲能電站

場景2中，各園區可根據新能源出力及負荷波動情況配置儲能功率和容量。各園區的新能源出力與負荷側不匹配時，園區還需要向電網側購買一定的電量，優化調度結果如表4所示。

由于新、退役BSS的初始投資建設成本不同，退役電池的投資建設成本遠低于新電池，因此零碳園區自配置新電池或退役電池產生不同的日運行成本。由表4可見，零碳園區配置退役電池時的日運行成本遠低于配置新電池。具體調度情況如圖2—5所示。

圖2中，園區A在23:00—次日08:00期間多次向電網購電，更明顯的是在23:00—24:00從電網購電并且存儲到BSS電站。這也體現了園區A在電力電價低谷時盡量從電網側多購買電量。

圖3中，園區B風電出力不足，導致日內調度前向電網側買電量并且存儲到自建的退役BSS電站，利用儲能削峰填谷。

圖4中，園區C與A和B相比，其從電網購電量較高，但比園區A的日總運行費用低，并且配置的退役BSS容量和功率也相對較低。可推斷出，園區C的風電出力和負荷側的需求反調峰現象略小。

表4 場景2優化調度結果Table 4 Optimized schedule results of scenario 2

圖2 園區A配置退役BSS電站調度結果Fig.2 Result of park A with retired BSS power station

圖3 園區B配置退役BSS電站調度結果Fig.3 Result of park B with retired BSS power station

圖4 園區C配置退役BSS電站調度結果Fig.4 Result of park C with retired BSS power station

圖5中，園區D負荷需求高于該區光伏出力，光伏白天反調峰現象較小，需從電網購買5 780.91 kW·h電量。

與場景1相比，各零碳園區配置退役BSS并參與調度的總成本降低了3 445.04元，若配置新BSS電站，總成本并未有明顯下降，因為新BSS的初始投建成本高，各園區不愿意配置新BSS電站。

圖5 園區D配置退役BSS電站調度結果Fig.5 Result of park D with retired BSS power station

5.4 各零碳園區使用SES電站

各園區使用SES電站的調度結果如圖6所示。園區A使用SES配置的退役BSS電站時，除了電力電價低谷時段之外，在20:00—22:00還需向電網購買電量，若SES配置新BSS電站，園區A在部分電力電價低谷時從電網購電，其余時間向SES繳納服務費用。顯然，退役BSS由于能量轉換效率低，導致園區部分新能源存儲到BSS后損耗掉，總損耗電量約1 780.32 kW·h，而新BSS電量損耗僅為657.42 kW·h。

園區B使用SES配置的退役BSS電站時，在20:00—21:00從電網購買了128.64 kW·h電量。若SES配置新BSS電站，該園區無需從電網購買電量。使用退役BSS電站的總損失電量約為866.57 kW·h，使用新BSS電站總損失電量約為295.291 kW·h。園區C和園區A與B相似。

與場景2對比，園區D使用SES配置的退役BSS電站的經濟效益較好，日運行費用從3 708.47元降至3 352.96元。而SES配置的新BSS電站對于園區D而言最為經濟，日運行費用從4 295.56元降至3 352.96元。園區D無論SES配置退役還是新BSS，對其調度結果無任何影響。可以看出，目標函數中，為了達到各園區購買服務成本之和最低，各園區的調度成本之間需互相協調，使得園區D的調度結果未有明顯差異。

圖6 SES配置退役BSS和新BSS情況下，園區A—D電負荷平衡曲線Fig.6 Power load balance curves of park A to D under SES configured with retired and new BSS

整體來看，各零碳園區使用SES電站可將在采樣時間段相同的新能源出力作為互補，整體配置容量遠小于各零碳園區配置BSS容量的總和。這也體現了SES電站的優點。通過多個園區的互補作用，SES電站的實時充放電曲線以及電量狀態如圖7所示。

圖7 SES電站充放電功率和電量狀態曲線Fig.7 Charge,discharge and power state of SES

各零碳園區使用SES配置的退役BSS電站的總放電量為13 693.47 kW·h，總充電量為13 206.207 1 kW·h，并且在15:00時SES配置的退役BSS(新BSS)容量達最高點0.90Emax(0.98Emax)。

各園區使SES電能調度結果如表5所示。從表5可以看出，與場景1對比，各零碳園區使用SES配置的退役BSS(新BSS)電站可降低各園區從電網購電量的比例為68.28%(77.52%)，并且成本降低了9.17%(10.11%)。與場景2相比，配置的退役BSS的容量降低了26.27%。相反，各園區使用SES配置的退役BSS(新BSS)的成本提高了19.20%(17.96%)，說明本文設計的服務單價較高。

表5 各園區使用SES電站調度結果Table 5 Dispatching results of SES used in each park

5.5 SES經濟性評估分析

1)退役電池。

由1.1節成本效益模型得到退役BSS的初始成本為704.43萬元；運維成本為278.68萬元。SES參與4個零碳園區的日優化調度，假設每天SES循環次數為4，由式(6)得日衰減率約為0.012 4%。此外，退役BSS回收殘值為-21.13萬元。第一批退役BSS運行天數為2 136天，約為5.83年，因此SES配置的退役BSS需更換一次。項目的凈現值為1 237.83萬元，動態回收期為5.20年。從凈現值和動態回收期可看出，服務單價為0.40元/kW·h時，其具有盈利空間。

此外，SES一天內的總放電量約為13 206.21 kW·h，因此CLCOE=0.579 1元/(kW·h)。使用SES配置的退役BSS參與零碳園區能源優化調度的電價與電力峰值電價有一定的差距。

2)新電池。

由1.1節成本效益模型得到新BSS的初始投資建設成本為2 624.42萬元；運維成本124.67萬元。新BSS參與4個零碳園區的日優化調度，由式(4)可得日衰減率約為0.0065%，新BSS的總日運行時間為3 429天，約為10.08年，因此該場景不需要更換電池。此外，新電池的回收殘值約為-131.22萬元。項目的凈現值為479.17萬元，動態回收期為8.14年。

新BSS一天內的總放電量約為14 991.96 kW·h，因此CLCOE=0.801 3元/(kW·h)。SES配置新BSS參與各園區能源優化調度的電價與電力電價實際上與表2中的峰值電價差距較小，與退役電池LCOE相比顯得不經濟。

3)敏感性分析。

本文將SES的服務費用設定為0.40元/(kW·h)，調度結果顯示四個園區自配置退役BSS電站的成本僅為11 028.90元/天，其從SES購買服務的總費用高達13 146.81元/天(退役BSS)、13 009.69元/天(新BSS)。

退役BSS的凈現值和動態回收期更具有經濟效益，但從調度結果來看新BSS的調度使各園區更加節約費用，原因在于退役電池的能量轉換效率低，導致部分電量損耗掉，各園區需從電網購買電量來彌補。

敏感性分析從服務單價變化來判斷其經濟效益，將SES的服務單價從0.30～0.40元/(kW·h)作為參考服務單價，通過仿真計算，SES配置的退役BSS和新BSS的凈現值和動態回收期的結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，服務單價從0.30元/(kW·h)上升至0.35元/(kW·h)時，SES的凈現值一直處于逐步上升狀態，輔助服務費用達到0.36元/(kW·h)時，此時電網低谷時段電價低于服務單價，因此各園區在23:00—次日08:00從電網側購買大量電量，其余時段考慮到SES的價格較低廉，因此從SES購買輔助服務。另外，服務單價從0.36元/(kW·h)上升至0.40元/(kW·h)時，SES的凈現值也處于上升狀態。由此可見，凈現值一直處于上升狀態直至峰時電價。

圖8 不同服務單價下的NPV和DPPFig.8 NPV and DPP under different unit price

另外，當δB=0.32元/(kW·h)時，SES配置的退役BSS使得各園區使用SES的總成本低于場景2的成本，SES的凈現值為919.37萬元，動態回收期為5.93年。因此該服務單價可設為SES配置退役BSS參與零碳園區的服務單價。SES配置的新BSS雖也存在盈利現象，但動態回收期較長。

6 結 論

本文提出了考慮共享儲能容量衰減的零碳園區優化調度與經濟性評估方法。通過仿真算例，得出如下結論：

1)相比于園區不配置儲能，零碳園區配置BSS減少了園區大量的棄風棄光電量，提高了新能源就地消納量，降低了園區用電費。

2)相比于園區自建退役BSS，SES若將服務單價設定過高，會影響園區使用SES的意愿，若設置太低，影響SES的凈現值，延長動態回收期。通過敏感性分析，SES配置退役BSS服務單價最佳方案是δB=0.32元/(kW·h)，既能讓用戶愿意使用SES的服務，SES也仍有較好的經濟收益。

3)與新BSS相比，SES配置的退役BSS，衰減快、需更換，但初始成本低，仍有較高的經濟收益，凈現值和動態回收期明顯更好。但其能量轉換效率較低，導致損耗部分電量。

4)另外，可通過LCOE來判斷各場景下是否存在經濟效益。若LCOE與電力峰值電價接近，甚至超過實際峰值電價，該場景不盈利，反之亦然。