低碳場景下光儲充聯合系統經濟性分析

易 林 ，何 格 ，劉從超 ，詹玖遠 ，唐春華 ，楊海龍 ，羅澤高

（1.國網重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 渝北 401147;2.國網重慶市電力公司城口供電分公司，重慶 城口 405999）

在加快建設新基建的背景下，電動汽車和分布式新能源呈現快速發展趨勢：2022 年1 月，國家發展改革委等10 個國家部委聯合發布《關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障能力的實施意見》，要求加快推進居住社區充電設施建設安裝，提升城鄉地區充換電保障能力；2022 年5 月，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，明確要提高配電網智能化水平，著力提高配電網接入分布式新能源的能力。

當前，充換電基礎設施和清潔能源在廣大農村地區也取得快速發展。以重慶市城口縣為例，該縣位于重慶市最北端，是連接陜川渝三省市的革命老區和邊區，目前該縣已建成2 座直流換電站、140個交流充電樁，實現25 個鄉鎮充電站基礎設施全覆蓋。同時，該縣結合當地風、光等清潔能源資源稟賦條件，加快發展清潔能源產業，建成重慶首座“零碳”供電所，投運30 MW 集中式光伏和1.1 MW屋頂光伏，“十四五”期間規劃建設約400 MW 風力發電和光伏發電。

在電動汽車和清潔能源快速發展的同時，廢舊電池儲能梯級利用和電網安全穩定沖擊問題值得關注：一方面，當電動汽車電池儲能實際容量低于額定容量的一定限度時（通常為80%），其將不再滿足電動汽車的動力需求，廢舊電池直接淘汰將造成資源的嚴重浪費和環境污染；另一方面，受自然稟賦的影響與限制，光伏發電等具有隨機性、波動性等出力特性，大規模新能源并網將對相對薄弱的農村電網的安全穩定經濟運行帶來挑戰[1-2]。隨著電動汽車及新能源的快速發展，如何考慮退役電池儲能系統的有效利用及分布式新能源的友好并網，對于環境保護及電網安全運行具有研究意義。

近年來，國內外學者對電池儲能利用及新能源并網問題進行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻[3]基于低碳視角，建立了以含風電電力系統發電成本及碳排放量最小的多目標經濟調度模型，但未考慮儲能設備的應用場景。文獻[4]分析了儲能技術在虛擬電廠中的具體作用，探討了儲能技術在提高可再生能源利用率、優化出力特性等方面的作用。文獻[5]提出將分布式風電機組與儲能設備構成虛擬電廠參與電力系統運行，并建立了計及虛擬電廠的電力系統優化調度模型；文獻[6]提出了以一種考慮電池梯級利用的快速充電站容量優化配置方法，但沒有考慮電池儲能參與電動汽車充換電的節能減排效益。

本文以農村地區電動汽車退役電池梯級利用及分布式光伏就近消納為研究背景，以“光儲充”聯合運行的電動汽車充電站為研究對象，如圖1 所示，在“雙碳”目標背景下，分析了該應用場景下聯合系統的投資等年值、年運行成本、延緩電網升級改造效益、節能減排收益和年發電收益，提出了經濟效益分析模型，并以重慶市某充電站為例，對提出的模型有效性進行驗證。

圖1 聯合系統應用場景示意圖

1 經濟性分析模型

1.1 目標函數

本文從光儲充聯合系統的經濟性角度出發，分析屋頂光伏、電池儲能在充換電站優化利用的經濟效益。模型的目標函數包含光伏發電與電池儲能投資成本、年運行成本、延緩電網升級改造效益、節能減排收益和年發電收益，其數學表達式如式（1）所示：

式中：R為聯合系統總收益；RD為延緩電網升級改造的年效益；RE為節能減排年效益；RF為年發電收益；FB為電池儲能投資等年值；FK為電池儲能的年固定運行費；FPV為光伏發電投資成本等年值。

1.1.1 延緩電網升級改造的年效益

聯合系統中的電池儲能系統具有充放電的功率雙向流動功能，可作為充電站與配電網之間的緩沖層，增強傳統配電網的柔性。通過電池儲能在電動汽車充電高峰時放電、充電低谷時充電，可有效平抑充電尖峰負荷，進而可延緩電網升級改造，其經濟效益RD評估為：

式中：EB為電池儲能額定容量；γ 為單位擴建容量建設費用；λ 為年利率；YB為電池儲能運行壽命。

1.1.2 節能減排年效益

聯合系統的光伏發電系統所發電量可供電動汽車充電或上網，在低碳背景下，其所發清潔電量的節能減排效益RE評估如下：

式中：PPV(t)為光伏發電在t時刻的出力；ξ 為單位發電量的碳減排折算系數；KC為碳交易價格。

1.1.3 發電年效益

聯合系統在運行過程中，光伏發出的電一部分用于上網，一部分用于電動汽車充電，其上網和充電使用的比例，可以通過電池儲能系統進行調節。系統發電年效益計算如下：

式中：εH、KH分別為發電量上網的比例和上網電價；εL、KL分別為發電量充電的比例和充電電價。

1.1.4 電池儲能投資等年值

電池儲能投資等年值計算如下：

式中：KP、KE分別為電池儲能單位功率、電量容量成本；PB為電池儲能的功率容量；r為貼現率；C(r,YB)為等年值系數。

1.1.5 電池儲能年固定運行費用

電池儲能年固定運行費用計算如下：

式中：KK、KV分別為電池儲能的單位功率和單位電量容量年運行維護費用。

1.1.6 光伏發電投資成本等年值

光伏發電投資等年值計算如下：

式中：KPV為光伏發電的單位功率成本；PPV為光伏發電的額定裝機容量；YPV為光伏發電設計使用年限；η 為光伏發電年運行維護費率；C(r,YPV)為等年值系數，計算同式（6）。

1.2 約束條件

1.2.1 系統功率平衡約束

式中：PG(t)為t時刻電網下網或上網功率；PPV(t)為光伏發電在t時刻的出力；PB(t)為電池儲能在t時刻的充放電功率；PL(t)為電動汽車在t時刻的充電負荷。.

1.2.2 光伏發電運行約束

1.2.3 電池儲能運行力約束

電池儲能運行過程中，其應滿足以下約束條件：

式中：EB(t)為電池儲能在t時刻所存儲的電量值；E0為初始儲存電量值；EBmin為電池儲能存儲電量的下限值；ηc、ηd為充放電效率；μ1、μ2為電池儲能充放電狀態變量：充電時，μ1=1，μ2=0；放電時，μ1=0，μ2=1。

2 算例分析

本文以重慶市某充電站為例開展聯合系統經濟評估分析，該充電站配置10 臺7 kW 充電槍，利用充電站車棚及屋頂建設150 kW 分布式光伏，配置功率為50 kW、150 kW·h 的電池儲能，電池儲能使用壽命YB取4 年，不考慮充放電損失；光伏發電設計使用壽命YPV取20 年，年運行維護費率取2%；單位電量的碳減排折算系數 ξ 取0.9 t/MW·h，碳交易價格KC取為50 元/t；電池儲能初始存儲能量E0設為0.5EB[7]，使其具有充分的上調和下調容量空間；存儲電量的下限值EBmin為0.1EB；其余測算參數如表1 所示[6,8]。

表1 測算參數

2.1 光伏發電出力特性分析

該聯合系統中6 月光伏日發電量如圖2 所示。由圖2 可知，光伏發電受天氣及溫度影響較大，其中天氣主要影響太陽能輻射大小，溫度主要影響光伏電池板散熱特性。在天氣方面，對6 月每日發電量按照晴、多云、陰、雨4 類天氣分類并進行分析，晴天單日發電量普遍較高，多云天氣單日發電量相較晴天減少幅度不大且個別多云天氣優于晴天，陰、雨天氣單日發電量減小速度最快。晴天日均發電量為758 kW·h，多云日均發電量為647 kW·h（占晴天85%），陰天日均發電量為458 kW·h（占晴天60%），雨天日均發電量為350 kW·h（占晴天46%）。在溫度方面，相同天氣條件下（太陽能輻射量基本相同），光伏發電量隨平均溫度呈現倒“V”型變化：在溫度較低時，發電量隨著溫度增加而增加；在達到最佳溫度后，發電量隨著溫度增加呈現減小趨勢，主要是由于溫度過高引起光伏組件、逆變器等電子元件發熱，增加發熱損耗，影響設備性能，從而降低光伏組件的發電量。從統計數據看，該聯合系統光伏發電項目的最佳平均運行溫度區間約為23～25 °C。

圖2 聯合系統光伏日發電量（6 月）

2.2 聯合系統經濟效益分析

按照本文提出的聯合系統經濟效益分析模型，對該應用場景下的電池儲能進行效益測算。其中，對于光伏發電充電比例按照最不利情況進行分析，即發電量充電比例取儲能功率占光伏裝機容量的比值。各主要測算指標如表2 所示。

由表2 可知，該應用場景下聯合系統年總收益為4.03 萬元，其中延緩電網升級改造的年效益為其主要的收益點，占總收入約55.2%；其次為發電年效益，占總收入約41.6%；節能減排年收益占比最小，約為3.2%。

表2 電池儲能經濟分析數據

上述經濟效益是發電量充電比例按照儲能功率占光伏裝機容量的比值得出的分析，由于該充電比例取值未考慮光伏發電出力與充電負荷的相關性，為最不利條件下的測算結果。在實際運行過程中，通過優化電池儲能充放電策略，可提高光伏發電量充電利用比例，從而進一步提高聯合系統的經濟效益。同時，隨著我國碳交易市場的逐步完善，可以預見節能減排年收益將逐步提升，其將成為新的收益增長點。

2.3 電池儲能使用壽命靈敏度分析

電池儲能投資占聯合系統投資成本的比重較大，電池儲能的使用壽命是影響其投資成本的關鍵參數之一。圖3 為電池儲能不同使用壽命下的主要經濟指標變化趨勢。

由圖3 可知，隨著電池儲能使用壽命的降低，儲能投資等年值增大，延緩系統升級效益減小，聯合系統年總收益也逐漸降低，其收益過零點約為3.42 年。實際上，電池儲能使用壽命與其充放電行為密切相關，放電深度越深其調節能力越明顯，發電量的充電利用占比可提升，年發電收益增大，但其循環使用壽命越低導致儲能投資等年值增大；另一方面，電池儲能容量配置規模越大其初始投資越大，但大容量規模一定程度使得單次充放電深度降低從而延長電池儲能使用壽命，一定程度降低初始投資等年值。因此，為最大化聯合系統經濟效益，在配置電池儲能時應對電池儲能容量配置規模及充放電行為進行優化選擇。

圖3 不同使用壽命下主要經濟指標變化趨勢

3 結束語

電動汽車和清潔能源發電的不斷發展為電動汽車退役電池在光儲充聯合系統中有效利用提供了新的契機。本文針對電動汽車退役的電池儲能循環利用以及光伏發電的出力特性改善需求，建立了光儲充聯合系統的經濟效益分析模型。算例表明，在“雙碳”建設目標下，光儲充聯合運行場景能夠有效地延緩電網改造升級，具有良好的發電效益和一定的節能減排效益。該系統的經濟效益受電池儲能使用壽命的影響較大，在具體配置時應對電池儲能容量配置規模及充放電行為進行優化選擇，也是后續可以進一步開展的研究內容。