風力發電與光伏發電儲能系統優化設計及經濟性分析

林 振

（廈門廈鎢智能裝備科技有限公司）

0 引言

隨著全球能源結構的調整和清潔能源的快速發展，新能源發電方式的比重不斷提高［1］。風力發電和光伏發電作為清潔可再生能源的主要形式，在可再生能源發電結構中占有重要地位。但是，風力發電和光伏發電也存在間歇性強、調峰能力差等問題。為了提高風力發電和光伏發電的系統穩定性、經濟性以及電網適應性，搭建儲能系統對其發揮重要作用。本文針對風力發電與光伏發電儲能系統的匹配設計、運行策略和經濟性進行綜合分析，以期為風力和光伏發電儲能系統的規劃設計和效益評估提供參考。

1 風力發電和光伏發電儲能系統基本概述

1.1 風力發電儲能系統

風力發電儲能系統由風力機組、功率電子裝置、儲能裝置組成［2］。風力機組采用變槳距、變槳角風力機，機組容量一般在1-3MW。儲能系統常采用鉛酸蓄電池或鋰電池，考慮到成本效益兼顧，蓄電池容量約為風機額定功率的20-40%。以2MW風機與0.5MW/1MWh鋰電池組為例，充電時風機額定輸出2MW送入電池充電，電池提供0.5MW功率、可儲存1MWh能量。放電時，電池可以提供0.5MW功率，可持續輸出2小時。充放電過程中，通過雙向DC/DC轉換器連接風機發電機側直流母線與電池，并通過控制器協調風機、電池、DC/DC的功率分配。放電時，先從電池提供功率，不足部分從風機補充。光伏發電儲能系統控制策略優化可以提高系統經濟性，延長電池壽命。

1.2 光伏發電儲能系統

光伏發電儲能系統主要由光伏數組、逆變器、儲能裝置組成［3］。光伏組件選用單晶或多晶硅組件，轉換率18%以上，組件容量一般在300-400W。逆變器采用并網型逆變器，效率在98%以上。儲能裝置常用鋰電池，也可采用鉛酸蓄電池或超級電容。儲能容量設計考慮發電容量、用電負荷情況、調峰需求等，一般取光伏容量的20-30%。例如100kW光伏系統配備20kW/50kWh鋰電池組，充電時光伏發電100kW，20kW直接為負荷供電，余80kW充電；放電時先從電池供電20kW，不足部分從光伏發電補充。逆變器與電池通過DC/DC調壓器連接，控制充放電過程中的功率分配。因此，光伏發電儲能系統優化控制策略，既考慮經濟性，也要兼顧電池充放電對壽命的影響。

2 風力發電和光伏發電儲能系統優化設計

2.1 儲能系統的容量與功率匹配

儲能系統的容量和功率匹配設計對系統的經濟技術性能有直接影響，應該根據發電側的配置、用戶側的負荷曲線以及調峰需求來進行匹配設計［4］。例如，如果一個風電場配置了3臺2MW的風力發電機組，用戶側的負荷需求峰谷差為1MW，那么儲能容量應設計為2MWh，功率為1MW，以滿足需求。同時，考慮到系統損耗和儲能效率，可以適當加大10-20%的容量和功率。另一個例子是一個100kW的光伏發電站，配備了30kW/60kWh的鋰電池組。光伏每天發電量約為400kWh，用戶最大負荷約為50kW。通過模擬光伏輸出曲線和用戶負荷曲線，可以得到直接供負荷電量約為200kWh，需要儲存入電池的電量約為200kWh。針對用戶負荷的早晚峰值，電池容量60kWh可以滿足約2h的早晚尖峰需求。考慮到電池組的充放電損耗和轉換效率，配備30kW功率的電池組基本能滿足尖峰填平需求。通過具體案例分析，綜合考慮發電側配置、用戶側負荷情況、儲能效率等因素，可以合理匹配設計儲能系統的容量和功率，以滿足系統需求，同時也要考慮經濟性。

2.2 儲能系統的運行策略優化

儲能系統的運行策略對其經濟性和儲能設備的使用壽命具有重要影響。因此，需要對充放電策略、SOC（Stаtе of Chаrgе，電池荷電狀態）維持策略等進行精細的優化。具體來說，充電策略應考慮風電或光伏的預測輸出情況、電網負荷需求狀況、電價信號等因素，以便合理制定儲能系統的充電時段和充電功率。這樣可以避免過充過放的情況，同時優化經濟效益。放電策略則需要根據負荷需求曲線、電價差異等條件，優先利用儲能電量提供功率支持，實現峰谷調節、電費套利等目標［5］。

以一個2MW/5MWh的鋰電池組風電場為例，可以將SOC操作范圍設置為20%-90%。在充電時，需要考慮風機的實時輸出和電網負荷需求，在風電低谷時限制充電功率，以防止過充。在放電時，應優先從儲能中提供功率，以抵消風電的波動。具體的充放電功率將根據實時數據進行動態調整，以維持合理的SOC水平。這樣的策略不僅可以延長電池壽命，還可以實現經濟調節。另外，對于一個100kW/60kWh的光伏電池組，充放電策略將根據當日光伏發電預測和用戶負荷預測進行優化，以保證SOC的合理化，防止電池過充過放。在放電時，應優先從電池供電，然后補充光伏，以平滑輸出。同時，運行策略需要根據電池的健康狀態和使用數據進行動態調整更新，以保證最優效果。綜上所述，通過全面優化儲能系統的運行策略，可以顯著提升其技術經濟效益。

2.3 儲能系統的組件選擇與布局

儲能系統組件的合理選擇和布局直接影響系統性能和經濟指標，需要考慮以下幾個關鍵方面：第一，根據系統容量需求、電氣特性參數、自放電率、使用環境條件等因素，選擇合適的儲能設備。例如對于大容量風電系統，可以考慮使用成本較低的鉛酸電池；對于配備光伏的家庭微電網系統，則可以選擇長壽命、高安全性的鋰電池。在選擇具體產品時，需要匹配其電壓電流參數、容量大小、允許充放電次數等指標，確保其滿足系統運轉的需求。第二，需要選擇高效率、損耗小的電力電子變流設備，確保其電壓等級和功率大小匹配系統的具體需求。例如對于幾百KW級的風電光伏系統，可以選擇采用ⅠGBT變流器；如果系統功率達到幾百MW級，則需要考慮采用更高功率等級的碳化硅變流設備。另外，關鍵部位需要設置合理的冗余變流設備，以提升系統的可靠性。第三，不同的拓撲結構關系到后續的系統控制策略選用。例如，公共DC母線的結構有利于風電和光伏向儲能系統進行統一供電，便于實施風光互補的控制策略；而獨立的DC-AC結構則可以實現兩者的隔離控制。因此，需要根據工程的具體設計目的，合理選擇系統拓撲結構。第四，要優先選擇通信協議開放、功能可擴展的能量管理系統，以實現對各類儲能設備、變流設備的狀態監控，并根據設備運行數據和需求負荷，制定出優化的系統控制策略。第五，根據對用戶側負荷需求分析、儲能容量需求評估等，來合理確定光伏發電、風電發電、儲能設備等的具體容量配置方案。設備布局時，要注意強弱電的分離、防潮、設備熱管理等多個方面。綜上，通過對系統關鍵設備及拓撲結構的精細化比選和設計分析，可以獲得技術指標高且經濟性好的儲能系統解決方案。

表1 儲能系統優化設計關鍵措施

3 風力發電和光伏發電儲能系統經濟性分析

3.1 儲能系統的成本與效益評估

儲能系統的成本主要分為設備購置成本、運維成本以及系統電能損耗成本。在評估其效益時，需要考慮儲能系統在改善電網調峰性能、減少備用容量、延長相關設備使用壽命等方面的經濟價值。可以通過具體案例進行成本效益分析，例如某風電場配備了 2MW/5MWh的鋰電池儲能系統，設備購置成本為 120萬元，10年使用期，年運維費用為6萬元。該系統通過峰谷切換，可幫助風場減少約10%的棄風量，據測算每年可增加發電收入約18萬元。同時作為頻率調節儲備，可額外獲得約10萬元的調峰補償收入。另外，系統吸收涌余功率，可減少機組機械應力，延長逆變器使用壽命約10%，每年節約維護成本約5萬元。扣除運維成本后，該儲能系統10年內的效益約為330萬元，投資回收期小于5年。另一個案例是某光伏電站配備100kW/200kWh的電池組進行峰谷填平，同樣可以獲得良好的經濟效益。因此，在評估儲能系統的效益時，除了考慮經濟效益外，還需關注其在提高電網穩定性、減少調峰輪備容量等方面的技術價值，以及減少棄風棄光對環境的影響等全面效益。通過綜合技術經濟效益分析，可以更全面地評估儲能系統的合理性。

3.2 儲能系統對電網的價值分析

儲能系統通過充放電調節，能夠為電網提供各種服務，提升電網供電的可靠性、經濟性和靈活性。具體表現在以下幾個方面：一是提高電源調峰能力。儲能系統能夠快速響應需求變化，實現充電儲能和峰谷調節，降低對調峰發電機組的依賴，從而降低調峰成本。二是減少備用容量需求。儲能系統可作為容量備用，降低電網準備的備用容量。例如，10MW儲能系統可以減少約5MW的備用容量。三是提高電網靈活性。儲能系統增強電網吸收新能源等不穩定源的能力，同時在黑啟動時為系統供電。四是提高電力質量。儲能系統能夠平滑電源波動，控制充放電參與電壓/頻率調節，提高電力質量。五是節約用戶電費。儲能系統實現峰谷時間電價套利，充電存儲夜間低谷電價電量，放電減少高峰用電，降低用戶電費支出。具體經濟效益可以進行測算，例如，在某地區建設100MW/400MWh儲能電站，可減少該地約40MW備用容量，同時參與頻率調節獲得電費補償約300萬元/年，用戶通過夜間充電可節約電費100萬元/年。該儲能系統投資在8年內收回。綜上所述，儲能系統通過多種方式提升電網可靠性、靈活性、經濟性，成為電網的重要支撐技術裝備。

3.3 經濟性指標的計算與比較

對儲能系統的經濟性指標進行計算與比較，可以評估不同方案的經濟效益。主要的經濟性評價指標包括：

（1）投資回收期。根據總投資成本、年運行維護費用及系統收益，計算投資回收所需要的時間，一般要求投資回收期在項目使用壽命1/3以內。

（2）遞增系統效益與遞增成本比。評估增加儲能容量對系統效益提升的貢獻與成本增加的比值，選擇最優解。

遞增系統效益與遞增成本比計算公式：比值=ΔE/ΔC；式中，ΔE為系統效益的遞增量，ΔC為系統成本的遞增量。

（3）凈現值（NPV）。估算項目的收益現值與成本現值之差，NPV大于0表示項目經濟可行。

NPV計算公式：

NPV=∑（t=1）n（Rt-Ct）/（1+r）t；式中，Rt和Ct分別為第t年的收益和成本，r為貼現率，n為項目使用壽命。

（4）內部收益率（ⅠRR）。計算項目收益所對應的復利回報率，ⅠRR高于銀行貸款利率表示項目價值高。ⅠRR滿足等式：∑（t=1）n（Rt-Ct）/（1+IRR）t=0

具體計算可基于特定案例，例如某風電場考慮增設2MW/5MWh儲能系統，成本為120萬元，使用壽命為10年。經過測算，該儲能系統的投資回收期為4.5年，凈現值（NPV）為260萬元，內部收益率（ⅠRR）為16.5%，符合經濟效益要求。同時，也可以通過比較不同儲能容量方案的經濟性評價指標，選擇最優解。通過定量經濟性分析，我們可以比較不同儲能配置方案的可行性，并選擇經濟效益最佳的儲能系統解決方案，結合技術指標評估，我們可以實現技術經濟兼優的儲能系統設計。

4 結束語

隨著可再生能源比重的不斷提高，風力發電和光伏發電的間歇性和波動性對電網穩定運行提出挑戰。儲能系統作為有效解決新能源規模化利用的關鍵技術，發揮著不可替代的重要作用。本文針對風電和光伏發電的儲能系統進行了系統研究，重點對儲能系統的優化設計、運營策略和經濟性評估進行了探討。研究表明，合理規劃儲能系統容量配置與控制策略，不僅能提高風電和光伏發電的可靠性、經濟性，也可以減少其棄風棄光量，提供調峰備用等多種電網服務，具有良好的技術經濟效益。總體而言，儲能技術與風電、光伏發電深度融合，是實現可再生能源大規模利用的重要途徑之一。未來的研究可繼續關注如何利用先進儲能技術提高新能源并網規模，實現可再生能源與電網的協調優化及互利共贏。