基于全壽命周期理論的儲(chǔ)能降低光伏電站棄光率的經(jīng)濟(jì)性分析

于 童，張 萍

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

0 引言

新能源作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是引導(dǎo)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量。國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列扶持政策，鼓勵(lì)和引導(dǎo)新能源的開(kāi)發(fā)利用。近年來(lái)，我國(guó)的新能源裝機(jī)規(guī)模大幅增長(zhǎng)，帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-3]。緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，青海省提出著重發(fā)展新能源的策略。隨著青海省新能源項(xiàng)目規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張，青海電網(wǎng)的承受能力已達(dá)到極限而無(wú)法消納，導(dǎo)致大量電站建成后電站發(fā)電利用小時(shí)數(shù)持續(xù)降低和“棄光”等突出問(wèn)題[4-8]。一段時(shí)間以來(lái)，青海建成的光伏電站實(shí)施輪流發(fā)電、輪流并網(wǎng)，造成了能源的二次浪費(fèi)。此外，光伏發(fā)電不同于傳統(tǒng)的可控性電源，光伏電站出力受光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素影響，波動(dòng)性和隨機(jī)性極強(qiáng)，電網(wǎng)中光伏系統(tǒng)比例的不斷增大，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、系統(tǒng)調(diào)峰及電力系統(tǒng)規(guī)劃，從而制約光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用規(guī)模，減少其收益[9-12]。

儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)電能的快速轉(zhuǎn)移，具有極強(qiáng)的靈活性。儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的組合是解決“棄光限電”問(wèn)題的有效途徑[13-15]。通過(guò)配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以在電網(wǎng)輸送通道受限以及光伏組件陽(yáng)光照射充分的情況下，將光伏發(fā)電電力儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，再通過(guò)儲(chǔ)能反送至電網(wǎng)。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電可增強(qiáng)系統(tǒng)出力穩(wěn)定性，降低光伏對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，從而實(shí)現(xiàn)減少光伏電站棄光，增加電站收益。

本文提出一種用于降低光伏電站棄光率的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法，實(shí)現(xiàn)光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)及智能電網(wǎng)的友好互動(dòng)和智能調(diào)度，解決電站棄光問(wèn)題，提高電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電的接納能力，實(shí)現(xiàn)新能源在政策支持下與現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)發(fā)展博弈中健康成長(zhǎng)。

1 光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

1.1 光伏電站氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

光伏電站位于青海省德令哈地區(qū)，對(duì)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到一年中晴天、陰天以及多云3種天氣所占的比例分別為43%、10%、47%，詳情見(jiàn)圖1。

圖1 不同天氣場(chǎng)景所占比例圖

1.2 光伏電站典型天氣下出力特性分析

1.2.1 光伏出力與日照強(qiáng)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性

晴朗天氣時(shí)光伏出力時(shí)間較長(zhǎng)，出力水平較高，并且光伏系統(tǒng)出力曲線波動(dòng)較小。3種不同天氣下所對(duì)應(yīng)的光伏電站典型出力曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知，晴天天氣條件下光伏電站出力平滑，輸出功率最高；多云天氣條件下光伏電站出力波動(dòng)大，輸出功率次之；陰天天氣條件下光伏電站出力波動(dòng)較小，輸出功率最低。

1.2.2 光伏發(fā)電具有明顯的晝夜間歇性

光伏發(fā)電出力從早上9點(diǎn)開(kāi)始，出力不斷增大，至13點(diǎn)左右達(dá)到最大值，隨后光伏發(fā)電受光照、溫度等外界條件的影響，出力逐漸下降，至20點(diǎn)左右，由于已無(wú)光照，出力接近為0，之后晚間時(shí)間段光伏出力為0。另外，從電站其他月份的光伏出力曲線也可以看出，光伏發(fā)電曲線通常呈拋物線形式。

1.2.3 光伏出力具有明顯的波動(dòng)性

從圖2中還可以看出，光伏出力具有明顯的波動(dòng)性，其短時(shí)間出力變化可大于裝機(jī)容量的50%。

圖2 不同氣象條件下光伏電站出力對(duì)比圖

1.3 光伏電站限電情況統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)光伏電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到電站的月上網(wǎng)電量與月實(shí)際總發(fā)電量對(duì)比結(jié)果以及棄光率情況如圖3、圖4所示。2016年11月至2017年2月間，電站棄光情況嚴(yán)重，最大棄光率已近60%，2017年2月至2017年5月，電站棄光情況逐級(jí)緩解。在2016年11月至2017年2月間，電站的日棄光電量多分布于70 MW·h至110 MW·h之間。

圖3 電站月上網(wǎng)電量及棄光率情況

圖4 電站的日棄光電量分布圖

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式

光伏電站出力具有晝夜交替且高功率輸出集中分布在午間的特點(diǎn)，利用儲(chǔ)能快速實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)移的功能，實(shí)現(xiàn)將午間光伏電站的高功率輸出轉(zhuǎn)移至其他時(shí)段，起到削峰填谷的作用，提高線路利用率，減少因輸電線路擁堵產(chǎn)生的棄光問(wèn)題。

由于一次能源光能的晝夜交替，光伏電站出力具有較好的以天為周期的變化規(guī)律，在光伏電站內(nèi)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，參考光伏電站以天為時(shí)間尺度的周期性，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作周期同樣設(shè)置為天。考慮光伏電站高水平出力的概率低，且高出力集中分布在午間的規(guī)律，以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命較短的技術(shù)特性，在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過(guò)程中，以盡量減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)為原則，以延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。根據(jù)儲(chǔ)能放電的不同作用可將儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分為兩種工作模式，分別為削峰+平抑、削峰+轉(zhuǎn)移。

2.1.1 工作模式一：削峰+平抑

圖5為儲(chǔ)能放電模式一示意圖。圖5顯示，在光伏電站出力高峰時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)以削峰為目標(biāo)進(jìn)行充電；在光伏電站晝間下午出力時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)以填谷為目標(biāo)進(jìn)行放電，平滑出力曲線。控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作時(shí)間在光伏電站的常規(guī)發(fā)電時(shí)間內(nèi)，從而避免因增加儲(chǔ)能對(duì)光伏電站和電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

圖5 儲(chǔ)能放電模式一示意圖

2.1.2 工作模式二：削峰+轉(zhuǎn)移

圖6為儲(chǔ)能放電模式二示意圖。圖6顯示，在光伏電站出力高峰時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)以削峰為目標(biāo)進(jìn)行充電。光伏電站的正常出力時(shí)段為8：00—18：00，光伏電站所在地區(qū)用電負(fù)荷的晚高峰出現(xiàn)在18：00—22：00，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)以輔助電網(wǎng)調(diào)峰為目標(biāo)進(jìn)行放電。

圖6 儲(chǔ)能放電模式二示意圖

針對(duì)目前電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電企業(yè)的出力時(shí)段限制要求，本項(xiàng)目的儲(chǔ)能工作模式選定為模式一：削峰+平抑的工作模式。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法

2.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

以儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期內(nèi)收益最大化為目標(biāo)進(jìn)行儲(chǔ)能容量配置，目標(biāo)函數(shù)為

3 實(shí)例分析

式中，S為儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期內(nèi)收益；Pout(i,j)為第i年第j天的儲(chǔ)能電站上網(wǎng)電量；Q1為儲(chǔ)能電站投資成本；α為儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)，包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，建筑工程及安裝工程費(fèi)；Q2為儲(chǔ)能電站全生命周期運(yùn)行維護(hù)成本；E為儲(chǔ)能電站容量；A為上網(wǎng)電價(jià)；η為儲(chǔ)能電站系統(tǒng)效率；γ為儲(chǔ)能系統(tǒng)衰減率；Wi為光伏電站日棄光電量歷史數(shù)據(jù)。

2.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置

由于儲(chǔ)能電站的運(yùn)行策略為一天一次充放電循環(huán)，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率與容量關(guān)系如下：儲(chǔ)能電站功率配置需在光伏電站棄光期間存儲(chǔ)容量和非限電時(shí)段釋放容量均滿足儲(chǔ)能電站額定容量的要求，求取后向上取整，并從目前儲(chǔ)能變流器已有規(guī)格型號(hào)中選取。

式中，Tin為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)間，h；Tout為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)間，h。

儲(chǔ)能變流器標(biāo)準(zhǔn)功率分別為50 kW、100 kW、250 kW、500 kW、630 kW、1 000 kW。

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

以青海德令哈地區(qū)某20 MW光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，基于光伏電站棄光數(shù)據(jù)，采用上文提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式和配置方法，儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)取2 000元/kW·h，儲(chǔ)能電站運(yùn)行期維護(hù)成本取初始投資的3%，上網(wǎng)電價(jià)為0.85元/kW·h，儲(chǔ)能電站系統(tǒng)效率取85%，儲(chǔ)能系統(tǒng)衰減率取2%。

經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置為10 MW·h，功率配置3 MW的規(guī)模時(shí)，全生命周期收益最大，為283.46萬(wàn)元。不同規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置所對(duì)應(yīng)的全生命周期收益和投資成本關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。

由圖7可知，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)配置規(guī)模增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資和全生命周期收益均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，儲(chǔ)能電站凈收益呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的態(tài)勢(shì)，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置規(guī)模過(guò)大時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期凈收益為負(fù)值，這是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)配置是基于光伏電站的棄光電量數(shù)據(jù)，而光伏電站棄光電量服從概率分布特性，棄光電量越大，其所對(duì)應(yīng)的概率越小，當(dāng)按此配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率較低，由此帶來(lái)的收益與其總投資之差為負(fù)值。

圖7 不同規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期收益和投資成本關(guān)系

3.2 敏感性分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)配置規(guī)模的重要因素，圖8給出了不同儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本下儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置規(guī)模和對(duì)應(yīng)的全生命周期凈收益。從圖8可以看出，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本的下降，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置規(guī)模隨著增大，所帶來(lái)的凈收益也隨之增長(zhǎng)。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本的敏感性分析圖

4 不同限功率情況儲(chǔ)能系統(tǒng)配置分析

上述實(shí)例是基于光伏電站歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)假定未來(lái)10年光伏電站棄光保持不變進(jìn)行分析計(jì)算的結(jié)果。但實(shí)際上，光伏電站棄光是由電網(wǎng)決定的，電網(wǎng)限功率是導(dǎo)致光伏電站棄光的直接原因，限功率的不確定性是光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大變數(shù)。為此，分析不同限功率情況下的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置具有重要指導(dǎo)意義。

基于光伏電站的日發(fā)電曲線數(shù)據(jù)樣本，選取晴天場(chǎng)景的典型日進(jìn)行分析，儲(chǔ)能工作模式設(shè)定為削峰+平抑，計(jì)算得到不同限功率條件下應(yīng)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模如表1所示。不同限功率條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置前后電站的出力曲線變化對(duì)比見(jiàn)圖9。

表1 不同限功率條件下的晴天場(chǎng)景儲(chǔ)能系統(tǒng)配置情況

由表1和圖9分析得到如下結(jié)論。

a） 在限功率10%～20%的區(qū)間內(nèi)，隨著限功率比例的逐級(jí)加大，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率及容量配置也隨之增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置可以完全解決電站的棄光問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏出力高于電網(wǎng)限制功率的時(shí)段進(jìn)行充電，存儲(chǔ)電能，在光伏出力低于電網(wǎng)的限制功率時(shí)段放電，完成電能的轉(zhuǎn)移。

b） 當(dāng)限功率達(dá)到20%以后，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的功率及容量隨著限功率比例的增大反而減少，儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置可以部分解決電站的棄光問(wèn)題。

造成這種現(xiàn)象的原因在于，隨著電網(wǎng)限功率比例的逐漸加大，光伏系統(tǒng)出力與電網(wǎng)限制功率差值增大，光伏系統(tǒng)出力高于電網(wǎng)限制功率的時(shí)段增加，導(dǎo)致光伏棄光電量增大。與此同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)間逐漸減少，放電功率也隨電網(wǎng)限制不斷減少。如果此時(shí)仍將光伏系統(tǒng)棄光電量全部存儲(chǔ)，需要配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)將大幅增加，然而存儲(chǔ)的電能卻因?yàn)榉烹姇r(shí)間和電網(wǎng)允許出力的限制，無(wú)法送至電網(wǎng)獲得收益，與此同時(shí)，還將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備利用率降低，投資增加。

這種現(xiàn)象隨著限功率比例的增大而愈發(fā)明顯，此時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置應(yīng)由放電時(shí)段和電網(wǎng)允許出力的限制決定。通過(guò)合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，存儲(chǔ)部分光伏系統(tǒng)的棄光電量，轉(zhuǎn)移至光伏系統(tǒng)出力低于電網(wǎng)限制功率的時(shí)段內(nèi)。

圖9 不同限功率場(chǎng)景下儲(chǔ)能系統(tǒng)配置前后電站出力曲線對(duì)比

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)光伏電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，青海德令哈地區(qū)光伏電站“棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光伏棄光率在2020年低于5%的目標(biāo)。為光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，可降低光伏電站棄光率，增加上網(wǎng)電量，提高經(jīng)濟(jì)收益。然而，光伏電站限功率棄光是由電網(wǎng)公司決定的，未來(lái)存在著諸多不確定因素，這將直接對(duì)基于光伏電站當(dāng)前棄光現(xiàn)狀進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置分析帶來(lái)極大影響，這也是光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大風(fēng)險(xiǎn)。為此，為光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)在解決棄光的同時(shí)，還應(yīng)尋求儲(chǔ)能系統(tǒng)的其他應(yīng)用模式，以減輕電網(wǎng)公司限功率的隨機(jī)性和不確定性所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。