基于多种光伏渗透率下的储能综合效益分析_周子杰.pdf

年第 卷第 期东北电力技术 基于多种光伏渗透率下的储能综合效益分析周子杰，姚俊伟，向小民，马 辉，黄悦华（.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌；.国网宜昌供电公司，湖北 宜昌）摘要：针对可再生能源发电并入电网时的电压波动问题，加入储能是一种有效的解决方法。根据储能经济分析建立基于用户和运营商 个主要受益者的经济模型，当储能投入使用后针对多种光伏渗透率下的最大电压水平建立目标函数并进行优化分析，验证其解决电压波动问题的有效性。结合案例利用经济模型对处于优化目标下的储能成本进行计算，得出对用户和运营商的最优方案。关键词：电压波动；储能；光伏渗透率；经济模型中图分类号 文献标志码 文章编号（）基金项目：中国博士后基金项目（）；国家自然科学基金项目（），（，；，）：，：，：；与传统电力系统相比，分布式可再生能源的接入对电网的稳定性产生了影响。配电系统运营商对该问题的普遍解决方式是增加电缆的厚度以及调整变压器的尺寸。除了该方法，储能的应用也是较为常见的解决电压波动问题的方案。为了使储能的投资获得理想收益，国内外的学者提出了一种“共享储能”的新商业模式，当储能的使用率提升时，储能的收益也会得到相应提升。文献在“共享储能”的基础上继续深入研究，给出了储能定价和结算的模型。文献研究了将“共享储能”应用于社区的综合能源系统协同优化的可行性。除了“共享储能”外，一些学者也提出了一种以最终用户为中心的商业模式，这种模式考虑了最终用户参与电力市场的可能性。部分学者指出在运营商和用户之间共享价值的方法主要有“利益共享”、“免费存储”及“社区存储”。文献在对储能进行经济分析时提出了一种考虑“共享储能需求侧资源”联合跟踪可再生能源发电曲线的市场化消纳模式。文献分析了国内电力体制的特点，对适用于我国电力体制下的储能经济模型进行了分析。文献考虑储能的初始投资、运维成本及电池的寿命建立了计算模型对需求侧储能系统的经济性进行了评估。本文将综合考虑国内储能市场的现状及储能的商业模式，建立“最小化电力交互”、“最大化光伏自消纳”以及“最小化能源账单”个目标函数，并对其进行优化。分析其在多种光伏渗透率下对电网稳定性的影响，并建立经济模型研究其在多种光伏渗透率下的经济性。本文中的光伏渗透率为 东北电力技术 年第 卷第 期光伏所提供的电量占负荷所消耗电量的百分比。目标函数及优化模型的建立为了方便成本的计算，需要了解房屋所消耗的电力，因此需要建立房屋所需电力的模型。在模型建立时基于光伏、储能及电网 方面的因素来考虑，假设天气、需求以及电价预测均为理想且准确的。模型为（）式中：为房屋所需电力；为基于天气预测的情况下光伏的最大输出功率；为光伏利用率；为光伏与储能的功率交换；为光伏与电网的功率交换；为时间步长。与 相乘可以得到步长为 时的输出功率，和 可以为正值或负值，正值或负值由其对负载的影响决定，当电池放电或电网输入时为正值，否则为负值。电池的荷电状态是在加入储能后所要考虑的一个状态变量，通过该状态变量能够了解电池中的剩余电量，在考虑此变量时假设充放电的效率为。在模型中插入 项使得与电池交换的功率（）转变为能量（），由此得到电池荷电状态的模型为（）式中：为电池容量；为当前荷电状态；为前一个荷电状态。为了分析不同优化目标对降低电压波动及储能经济性的影响，选取最小化电力交互、最大化光伏自消纳以及最小化能源账单为优化的目标。建立目标函数如下。（）（）（）（）式中：为电价。由于在进行电力交互时，的值有正有负，因此将式（）中最小化电力交互的目标建模为二次函数，使目标值始终为正；式（）将光伏利用率表示为线性最大化问题；式（）以最小化能源账单为目标模型，在模型建立时假设电价单一，则模型为一个线性函数。在能源市场中进出口时采用统一价格十分少见，大多数国家采用上网电价对本地发电出口到电网的价格进行规定。为了将进口价格关税，和出口价格关税，整合到目标函数中，需要为进出口功率，和，引入新的变量。此外，为避免能量的进出口同时进行，需要引入 个二元变量，和，。具体优化模型如下。，（），（）式（）为非线性约束，其将功率交换表示为输入和输出功率的总和；式（）确保在一个时间步长 内，和，只有一个会发生；将式（）转化为非线性混合整数问题，如式（）所示，其中每个时间步长内只有一项是非零的。（）经济模型的建立经济模型允许电网规划者评估在消费者或运营商方面安装储能系统的能力，该模型代表了对业务分析的定量评估，以丰富决策过程。经济模型的目的在于为运营商、决策者和消费者等用户模拟在电网中部署储能系统时产生的结果，并与不安装的情景进行比较。由于总成本主要考虑运营商和用户这 个主要受益者，因此需要对两者进行计算。用户的总成本计算考虑 个方面：购买、安装和维护储能系统的成本，居民的用电成本以及电网损失成本（由生产消费者和运营商共同承担）。具体计算如式（）所示。（）（）.（）（）（）（）（）式中：为生产消费者安装储能的数量；为生产消费者安装储能的官方 成 本；为 生 产 消 费 者 的 储 能 系 统 成 本；为能量损失成本；为光伏发电用户的用电成本；为光伏加储能系统用户的用电成本；为无光伏发电用户的用电成本；为电网中的住户数量；为拥有光伏的用户数量；为储能系统寿命；为折扣率。运营商的总成本计算考虑：运营商的储能系统的购买、安装和维护成本（如果存在）；电网加固费用以及与消费者共同承担的电网损失成本，如式 年第 卷第 期周子杰，等：基于多种光伏渗透率下的储能综合效益分析 （）所示。（）.（）（）式中：为变电站的总储能系统成本（如果存在）；为变电站的储能系统安装的官方成本（如果存在）；为网格加固的资本支出；为电网加固的运营成本。仿真分析.电压控制结果分析某校园部分网格分布如图 所示，仿真中使用的模型由一个 的变电站组成，该变电站次级连接到由房屋所组成的网络中。所有的房屋都有一个三相连接，可以从电网消耗或出口 的电力，图中的每一个节点均代表一个用户。图 网格模型对于不断增加的光伏渗透率的模拟显示电网中的电压问题，节点 在多种光伏渗透率下的电压变化如图 所示。由图 可知，随着光伏渗透率增加，最大电压值不断增加。这是由于当负荷低于光伏发电量时，每个节点注入电网的光伏能量都有盈余，所以高光伏渗透率产生电流传播回变电站，增加了视在功率。零储能渗透的最大电压如图 所示。由图 可知，不同的控制技术对于降低电压偏差的有效性。电压有功控制使最大电压偏差下降较小，不允许增加光伏渗透率；电压无功控制使最大电压值得到显著下降，光伏渗透率可达到；光伏弃电控制可使光伏渗透率提高到。将 种控制方式进行对比得出电压无功控制的效果最好。多种储能渗透率下的最大电压如图 所示。图 中，为最小化电力交互，为最大化光伏自消纳，为最小化能源账单。由图 可知，优化模型 在最大电压水平上略有降低，但即使在储能渗透率最高的情况下，这种降低也不显著。而 和 在电压降低方面有较好的效果。与没有任何控制的系统相比，储能系统的渗透率已经将最大光伏渗透率提高了。储能渗透率允许光伏渗透率达到，而不会造成电压波动问题。图 节点 在多种光伏渗透率下的电压曲线图 零储能渗透的最大电压（）目标下（）目标下 东北电力技术 年第 卷第 期（）目标下图 多种储能渗透率下的最大电压.经济分析利用建立的经济模型进行经济分析，该模型允许分析和比较当光伏渗透率从 逐渐增加到的过程中，依次加入 到 的储能渗透率时，个不同的目标函数所需的总成本。假设时间为 年，与储能系统的平均寿命假设相符；假设能源的价格约为.元，该值用于计算电网能耗成本和用户用电成本。电池的成本按照 元 计算，该值用于计算生产消费者的储能系统成本。对于无光伏和储能系统的用户、有光伏但无储能系统的用户以及有光伏和储能系统的用户的平均年耗分别估计为 、。储能系统的安装成本为.元，该值用来计算官方的成本。由于模拟只考虑生产消费者的储能系统并不考虑变电站的成本，折现率为。电网加固成本取决于光伏渗透率（峰值功率），电网加固成本估算如表 所示。表 电网加固成本估算光伏渗透率 峰值功率 加固成本 元.在考虑多种光伏渗透率的前提下，加入最大和最小储能渗透率时用户和运营商的总成本如图 所示。由图 可知，随着光伏渗透率的不断增加，用户总成本一直在下降，不同的储能系统控制模式对总成本的影响较小。对于运营商，随着光伏渗透率的增加，总成本的变化不明显，但储能系统的不同控制模式对于总成本的影响较为显著。在不同储能系统控制模式下的用户总成本变化小的原因在于当计算用户总成本时，储能系统购买成本的影响较（）用户（储能渗透下）（）运营商（储能渗透下）（）用户（储能渗透下）（）运营商（储能渗透下）图 用户和运营商总成本对比大，而储能系统控制模式只影响与电网用户用电量相关的公式分量。当储能系统控制模式为“最小化能源账单”时，用户总成本始终低于其他储能 年第 卷第 期周子杰，等：基于多种光伏渗透率下的储能综合效益分析 系统控制模式，这意味着对于用户该控制方式比其他 种方式更经济方便。对于运营商，不同的控制方式对总成本的影响较大，当储能系统的控制模式为“最小化能源账单”时，对于任何光伏和储能系统的渗透率成本总是高于其他控制模式，因此这种控制方式对运营商最不合理。储能系统的控制模式为“最小化电力交互”时运营商的成本要普遍低于“最大化光伏自消纳”控制时的成本。结语本文针对多种渗透率的光伏接入电网时产生电压波动的问题，将多种渗透率的储能加入系统，建立 个目标函数并进行了优化对储能进行控制，成功验证了在多种光伏渗透率下采用不同控制技术的储能对解决电压波动问题的有效性。利用建立的经济模型对 种控制储能成本进行分析，得出当储能采用“最小化能源账单”控制时总成本最低，但运营商的总成本最高。当储能采用“最小化电力交互”控制时，运营商成本最低。但本文并没有找到使 个目标函数同时达到最优时的结果，因此仍需进一步完善优化模型，增加新的惩罚参量来找到对用户和运营商最优的结果。参考文献：张岩波.分布式能源接入对配电网的影响 现代电子技术，（）：李 鹏，高静，武昭，等 分布式能源接入电网的电能质量问题及其治理技术 供用电，（）：，孙玉树，杨敏，师长立，等 储能的应用现状和发展趋势分析 高电压技术，（）：武利会，岳芬，宋安琪，等 分布式储能的商业模式对比分析 储能科学与技术，（）：，（）：刘继春，陈 雪，向月.考虑共享模式的市场机制下售电公司储能优化配置及投资效益分析 电网技术，（）：刘 娟，邹丹平，陈毓春，等“互联网”的客户侧分布式储能 共享模式运营机制及效益探讨 电网与清洁能源，（）：王仕俊，平常，薛国斌.考虑共享储能的社区综合能源系统协同优化研究 中国电力，（）：，：，（.）：刘敦楠，赵宁宁，李鹏飞，等 基于“共享储能需求侧资源”联合跟踪可再生能源发电曲线的市场化消纳模式 电网技术，（）：孙振新，刘汉强，赵 喆，等 储能经济性研究 中国电机工程学报，（）：刘建涛，曹雷，马杰，等 基于储能系统的用户光伏并网发电系统经济性分析 太阳能学报，（）：金虹，衣进.当前储能市场和储能经济性分析 储能科学与技术，（）：熊 雄，杨仁刚，叶林，等 电力需求侧大规模储能系统经济性评估 电工技术学报，（）：刘畅，卓建坤，赵东明，等 利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 中国电机工程学报，（）：作者简介：周子杰（），男，硕士，从事光储直柔相关技术研究。（收稿日期）（编辑：赵 涛）节能珍惜资源，减排爱护环境