并网型光伏--储能微电网优化配置研究

协鑫集团设计研究总院■王典 李义强 王惠 田拥军 邓伟 王彬彬

0 引言

微电网作为大电网的补充，不但具有靠近用户侧、灵活、抗灾能力强等特点，而且还可以提高可再生能源的利用率。近年来，由于光伏发电具有清洁、可再生性，以光伏为主的微电网发展迅速。但由于光伏发电受天气、温度等多种环境因素的影响，具有波动性。为了保证供电的可靠性，光伏微电网需要配置合理容量的储能装置。

不同于独立型微电网，并网型微电网的优化配置具有以下特点：1)并网型微电网既可与外部电网并网运行，也可独立运行，且以并网运行为主；2)微电网作为自治系统，需要具备足够的自发自用能力，且运行中与外电网的交换电量受限[1]。GB/T 33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》中要求，“微电网应具备一定电力电量自平衡能力，分布式发电年发电量不宜低于微电网总用电量的30%，微电网模式切换过程中不应中断负荷供电，独立运行模式下向负荷持续供电时间不宜低于2 h”。储能是光伏-储能微电网中削峰填谷和降低微电网与电网交换电量的关键设备，为了满足微电网的独立供电能力，储能容量不能配置太小，但配置太多又必然会降低系统的经济性，因此，针对具体负荷需求，研究光伏-储能微电网中光伏和储能容量的大小与经济性的关系，对光伏-储能微电网的推广具有重要意义。

本文主要针对并网型光伏-储能微电网的优化配置进行研究，基于全年逐时电(含冷、热)负荷，以平准化度电成本最小为目标，以孤网运行时间、年最低发电量和年电量交换率等为约束条件建立模型，对工商业、住宅等不同场景进行模拟，在分时电价的基础上研究光伏-储能系统的最佳容量配置方法，并分析不同储能策略对并网型微电网经济性和可靠性的影响，最终给出不同场景下的微电网最佳容量配置及适用性评价。

1 系统模型

在项目经济性评价方法中，平准化度电成本(LCOE)，也称度电成本，是一项用于分析各种发电技术成本的主要指标。美国国家可再生能源实验室对平准化度电成本的定义为：发电项目在运营期内发生的所有成本与全部发电量的比值。由于平准化度电成本是单位电力的均衡价格，计算结果与发电技术无关，因此，可将其用于多个项目精确的横向比较。对于分布式电源的微电网来说，平准化度电成本是一项重要的经济性指标[2]。

对于光伏-储能微电网而言，其度电成本L的定义为：光伏-储能系统总成本与用户总用电量的比值，即单位电量的成本。L可表示为：

式中，C0为初始投资成本；Cm为年运行维护成本；CT为光伏-储能系统与电网年电量交易成本；W为年总用电量；ICRF为等年值系数，可用式(2)表示为：

式中，r为折现率，取5%；N为相应设备的寿命周期。

1)初始投资成本可表示为：

式中，Ppv为光伏阵列的装机容量；Pes为储能设备的装机容量；Es为储能容量；δ1、δ2分别为光伏阵列和储能设备单位额定功率的初投资成本；δ3为储能设备的单位可存储容量投资成本。

2)年运行维护成本可表示为：

式中，Wpv为太阳电池的年发电量；Wes为储能设备的年充放电量总和；δ4、δ5分别为光伏阵列单位发电量和储能设备单位充放电量的运行成本。

3)光伏-储能系统与电网年电量交易成本可表示为：

式中，Cbuy为购电成本，可利用式(6)求得；Csell为售电成本，可利用式(7)求得。

式中，pt,buy为t时刻的购电电价，是考虑实时峰、谷、平的电价；Wt,buy为t时刻的购电电量；T为年度总小时数，取8760。

式中，pt,sell为t时刻向大电网售电电价 (即脱硫脱硝电价+光伏补贴)；Wt,sell为t时刻的售电电量。

1.1 优化配置模型

1.1.1 目标函数

使光伏-储能微电网的度电成本L达到最小，即：

1.1.2 约束条件[3-5]

1)功率平衡约束条件为：

式中，Psd,t为储能t时刻的放电功率；Psc,t为储能t时刻的充电功率；Pbuy,t、Psell,t分别为微电网t时刻的购电、售电功率；Ppv,t为t时刻的光伏发电功率；Pl,t为微电网t时刻的总负荷。

2)储能的约束条件包括储能设备的装机容量和储能t时刻的剩余容量两方面。

储能设备的装机容量需满足：Pesmin≤Pes≤Pesmax。

储能t时刻的剩余容量Es,t可表示为：

式中，ηc、ηd分别为储能充、放电效率；ΔT为时间步长，取1 h；Es,t-1为储能在t-1时刻的剩余容量。

储能t时刻的剩余容量的最大、最小限值需满足：ε1Es≤Es,t≤εhEs。

其中，ε1、εh分别为储能的最小、最大剩余容量率，分别取0和95%。

3)可靠性约束涉及到电量交换率。电量交换率R可表示为：

式中，Wbuy、Wsell分别为年购电总量和售电总量。

电量交换率限值R0需满足R0≥R。

1.2 光伏功率系数的确定[6]

光伏发电系统的输出功率主要由日辐射强度及电池温度决定，其发电特性不仅具有随机性和间歇性，且不能调度，季节、气候的变化会使输出功率产生较大变化。

环境温度与组件工作温度的关系可表示为[2]：

式中，TC为组件工作温度；Ta为环境温度；G为光照强度；C2为一个系数，通常取0.03。

光伏发电系统的输出功率可表示为：

式中，GAC为光辐射强度；PSTC为标准测试条件(太阳辐照度为1 kW/m2、环境温度为25 ℃)下的最大测试功率；GSTC为标准测试条件下的光辐射强度，取1 kW/m2；k为功率温度系数，取-0.47%/K；Tr为参考温度，取25 ℃。

光伏发电系统的输出功率系数可表示为：

1.3 系统容量边界

1)光伏装机容量下限约束条件。根据GB/T 33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》中第4.1条的要求，微电网应具备一定电力电量自平衡能力，分布式发电年发电量不宜低于微电网总用电量的30%。则最小光伏装机容量为：

其中，光伏年等效发电小时数是由光伏逐时发电系数累加得到的。

2)储能容量下限约束条件。GB/T 33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》中规定：微电网模式切换过程中不应中断负荷供电，独立运行模式下向负荷持续供电时间不宜低于2 h。为满足这一要求，将逐时负荷与光伏逐时发电量作差，得到逐时的用电差值，将连续2 h的差值累加，得到一系列数据，将其中的最大差值作为储能容量的下限。计算式可表示为：

式中，Lt为t时刻的用电负荷；Pt为t时刻的光伏发电量；j为时刻。

1.4 储能工作策略

储能工作策略包括经济性最佳策略和可靠性最佳策略。

1)经济性最佳策略：储能发挥削峰填谷的作用，充分利用峰谷价差，实现经济效益最大化。即储能只在低谷电价时段和光伏发电多余时充电，在高峰时段放电。

2)可靠性最佳策略：储能发挥平抑光伏发电波动性和减少高峰从电网购电的作用，最大化消纳光伏发电，以便于最大限度地保证电网的安全平稳运行。即储能只在光伏发电多余时充电，在电网电力自给不足时放电。

2 算例仿真与结果分析

2.1 典型仿真场景

选取上海地区面积分别为1万m2的办公建筑、酒店建筑和居民住宅建筑，采用DEST软件模拟3类建筑的全年逐时用电负荷曲线，具体如图1～图3所示。

图1 办公建筑的全年逐时用电负荷

图2 酒店建筑的全年逐时用电负荷

图3 住宅建筑的全年逐时用电负荷

根据上海地区的气象数据，计算得到上海地区光伏全年逐时效率系数，如图4所示。

图4 上海地区光伏全年逐时效率系数

2.2 设备参数及成本

计算光伏发电系统成本时，寿命期按20年计算。计算储能设备成本时，选取三元锂电池，存储容量能够以额定功率连续充放电3 h，放电深度为95%，可以充放电6000次；若按照每天充放电2次估算，则其寿命为取整数为8年。计算所需数据如表1、表2所示。

2.3 购售电电价

购电电价选取上海市的实时电价。上海工商业电价在非夏季和夏季峰、平、谷时段的电价如表3所示，其中，夏季季节性电价在每年的7月1日～9月30日之间调整执行，本文以2017年电价为准。

表1 光伏发电系统与储能设备的成本

表2 光伏发电系统与储能设备的等年值系数

表3 上海市一般工商业电价

上海居民购电电价如表4所示。

表4 上海居民购电电价

售电电价为“脱硫燃煤标杆电价+国家光伏发电补贴”，其中，脱硫燃煤标杆电价为0.4元/kWh，国家光伏发电补贴为0.37元/kWh。

2.4 结果分析

1)首先，在光伏装机容量固定的情况下，研究3种类型建筑的储能容量和度电成本的关系，具体如图5～图7所示。

图5 办公型建筑中储能容量与度电成本L的关系

图6 酒店型建筑中储能容量与度电成本L的关系

图7 住宅型建筑中储能容量与度电成本L的关系

由图5～图7可知，在光伏装机容量固定的前提下，系统度电成本L随储能容量的增加而增加。因此，在满足微电网建设规范中孤网运行小时数和与电网年电量交换率等要求的前提下，储能配置越小，经济性越好。

在光伏装机容量为1500 kW时，度电成本L出现了负值，这主要是由于系统收益较好，所以在20年的光伏发电系统有效寿命期内，度电成本L才会出现负值。

2)GB/T 33589-2017《微电网接入电力系统技术规定》中要求，微电网应该满足独立运行连续2 h供电的需求，基于上文的研究结果，选取3种类型建筑连续2 h最大实际电负荷需求作为储能最小配置容量，在光伏装机容量固定的情况下，此储能容量即为最佳配置容量。

基于上述分析，当储能满足规定要求的最佳配置容量时，分别研究光伏装机容量和度电成本L的关系，以及光伏装机容量同光伏-储能微电网与电网年电量交换率之间的关系，具体如图8～图10所示。

由图8～图10可知，在储能最佳配置容量下，度电成本L随着光伏装机容量的增加而减小。因此，在项目实际场地和电网接入条件允许的前提下，光伏-储能微电网中的光伏装机容量越大越好；光伏-储能系统与电网年电量交换率随着光伏装机容量的增加，先降低后增加，存在最优值。

图8 办公型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(经济性最佳)

图9 酒店型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(经济性最佳)

图10 住宅型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(经济性最佳)

3)根据《推进微电网并网的试行办法》，微电网与大电网的交换电量最好不要超过年用电量的50%，我们发现，3种建筑类型均未满足这一约束的合理配置。这是由于前述储能策略的设定是以经济性为前提，即储能只能在夜间低谷电价时段充电，白天高峰电价时段放电，所以交换电量较多，超过年用电量的50%。

基于上述分析，将储能经济性最佳策略调整为可靠性最佳策略，得到相同配置下光伏装机容量与微电网的度电成本L的关系，以及光伏装机容量同微电网与电网年电量交换率之间的关系，具体如图11～图13所示。

通过将图11～图13与图8～图10进行对比可知：

1)在调整储能工作策略后，微电网与电网年电量交换率明显降低，在一定装机容量内办公型建筑的年电量交换率降至50%以下，但在酒店型建筑和住宅型建筑中，二者之间的交换电量仍未达到《推进微电网并网的试行办法》中低于50%的要求，因此在上海地区，酒店型建筑和住宅型建筑中光伏-储能微电网与电网年电量交换率较大，需要采取其他措施来满足规范的要求。

2)因调整储能工作策略后，不再以经济性为前提，所以微电网与电网年电量交换率虽然明显降低，但其度电成本L却随之增加。因此，在建设光伏-储能微电网时，可根据建设方和电网等相关部门的具体要求，设置储能的具体工作策略。

图11 办公型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(可靠性最佳)

图12 酒店型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(可靠性最佳)

图13 住宅型建筑中光伏装机容量与度电成本L和年电量交换率的关系(可靠性最佳)

3 结论

本文建立了光伏-储能微电网的经济性模型，并以上海地区3种类型建筑为研究对象，分析了该种微电网应用于这3类建筑时的经济性和适用性。得出以下结论：

1)在满足规范相关要求的前提下，储能配置越小，微电网的经济性越好；在储能最佳配置容量下，光伏装机容量越大，微电网的经济性越好。

2)可分别以经济性最佳或可靠性最佳为前提，设置储能的不同工作策略。储能低谷充电、高峰放电策略的经济性好，但会使微电网与电网年电量交换率增加；储能可靠性最佳策略的经济性较差，但会使微电网与电网年电量交换率降低。

3)办公型建筑的负荷特性相比酒店型建筑和住宅建筑而言，更易满足并网型微电网的规范要求。