钛酸锂电池城区电网储能系统经济性分析模型

陈婉莹, 林泓涛, 常海青

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.国网福建省电力有限公司闽侯县供电公司，福建 福州 350199；3.国网福建省电力有限公司检修分公司，福建 福州 350013)

近年来，可再生能源在城区供电中的大规模应用对城区电网的稳定性造成较大影响，储能技术的发展为改善城区电网的电能质量提供了重要的技术支撑[1-4]。电池储能作为电能存储的重要方式，具有配置灵活、响应速度快，受环境影响小等优势，是解决新能源并网问题、辅助电网运行最常用的储能技术。随着电池储能技术的发展，电池种类愈加丰富。其中，钛酸锂电池由于具有安全性高、充放电倍率大、循环寿命长等优点，被广泛应用于储能系统中，它不仅大幅度减少了电池配置数量，还极大提高了系统安全性能[5-6]。目前，关于储能系统经济性的研究主要是对铅酸电池、锂电池等常见电池类型的投资收益进行评价[7-10]，鲜见以最新的钛酸锂电池作为储能元件的相关研究。并且，学界和业界对现有电力市场环境下城区电网储能系统的经济性分析研究还较少，现有的经济性评价模型未充分考虑储能元件的技术特性和寿命周期对其价值的影响。为此，本文结合最新的钛酸锂电池储能技术，充分考虑钛酸锂电池的技术特性和循环寿命的影响，建立城区电网储能系统经济性评价模型，对储能系统不同预期控制效果下的储能系统经济性展开研究。

1 储能系统的组成

城区储能系统一般用于解决城区电网调峰问题，主要由电池系统、功率转换系统和电池管理系统组成[11-12]。

1)电池系统。电池是电化学储能系统中最重要的组成部分。由于串联形式的蓄电池可以得到更高的输出电压，故电池系统由多个电池组串联组成。

2)功率转换系统。储能系统通过功率转换系统实现电能的双向流动。

3)电池管理系统。该系统是储能系统的核心部分，是电池系统的“大脑”，通过分析运行中电池系统的电压、电流及温度等数据，估算电池内部状态，实现对蓄电池组的充放电控制及故障诊断，预防过充或过放的情况；通过平衡蓄电池组内单体电池的电压，提高电池的利用效率，实时估算电池电量和电池寿命。

2 城区电网储能系统经济性评价模型的构建

城区电网储能系统的收益(R)包含储能系统总收入和储能系统全寿命周期年均成本2部分，可表示为

R=W-C。

(1)

式(1)中：W为储能系统的总收入；C为储能系统全寿命周期年均成本。

为此，本研究之城区电网储能系统经济性评价模型主要由这两部分构成，并充分考虑储能的类型、技术特性和寿命周期对其价值的影响。

2.1 储能系统收入模型

储能系统的总收入可分为直接和间接收益两部分。直接效益部分是储能系统安装和运行的过程中所获得的经济收益，包括运行收益、电量收益和其他收益。间接收益部分是指因采用储能系统，从而使得系统建设投资或运行成本的减少的这部分收益。

1)运行效益。储能设备在负荷低谷的低电价时段充电，在负荷高峰、高电价时段放电，在该运行模式下产生的经济收益年值即为储能系统的运行效益，可表示为

W1=(ehQ-elQ/η)n。

(2)

式(2)中：W1为运行收益；eh为峰时电价；el为谷时电价；Q为储能配置容量；η为充放电效率；n为每日充放电循环次数。根据“两充两放”原则，一般每日充放电循环次数≤2次，分别在谷期和平期时间充电，在峰期进行放电。

2)电量收益。储能系统在用电高峰期利用过剩的能源所产生的电能而带来的收益即为电量收益，以光伏发电为例，其电量收益可表示为

W2=epvEpv。

(3)

式(3)中：W2为电量收益；epv为光伏发电上网电价；Epv为储能系统接纳多余的光伏电量年值。

3)其他收益。包括政府补贴、提高供电可靠性带来的收益等。

在配电网安装用于削峰填谷的储能装置可获得政府补贴。储能系统用于电网削峰填谷政府补贴产生的收益可表示为

(4)

式(4)中：W3为政府给与的削峰填谷的补贴；mg,t为政府对储能系统减少单位峰值功率的补贴；max(0,Pb, t)为储能系统放电的最大功率。

另外，储能系统能够提供电力供应的补充，提高供电可靠性，减少停电所带来的损失，该部分收益可表示为

W4=pRE·min(PAV,PES)TRE。

(5)

式(5)中：W4为提高供电可靠性带来的收益；pRE为故障时给与用户的经济补偿；PAV为用户的平均用电负荷；PES为故障停电期间储能系统的放电功率；TRE为停电时长。根据文献[13]，锂离子电池储能系统的收益依赖于峰谷电价差，说明峰谷电价差是储能系统是否盈利的关键，政府补贴、提高供电可靠性带来的收益对储能系统收益的影响不大，故本文不考虑其他收益的影响。

在目前电价的模式下，储能盈利性水平主要与峰谷价差、循环次数等指标有关。储能系统的总收入W可表示为

W=365Q(ehdηd,t-eld/ηch,t)。

(6)

式(6)中：W为储能系统的总收入；d为放电深度；ηd,t为储能的放电效率；ηch,t为储能的充电效率。

2.2 储能系统全寿命周期年均成本模型

2.2.1 电池循环寿命

储能装置的寿命循环次数受温度、放电功率、充放电状态转换及放电深度(depth of discharge, DOD)等因素的影响[14]。针对电池的放电深度与循环次数的关系，文献[15]指出在倍率不变的条件下降低放电深度能够延长电池寿命，同样的寿命周期可以输出更多的能量，对寿命循环次数的影响较大。本文以文献[16-18]中应用的TOSHIBA 20 A·h钛酸锂电池参数为依据，计算电池的循环寿命次数。20 A·h钛酸锂电池在不同放电深度阶段对应的寿命循环次数如表1所示。

表1 20 A·h钛酸锂电池在不同放电深度阶段对应的寿命循环次数Table 1 Life cycle number of 20 A·h lithium titanate battery at different DOD stages

钛酸锂电池下降至容量的80%时的循环次数和电池运行过程中每日循环次数直接决定了电池储能的循环寿命年限，以放电深度和日循环次数为变量的电池寿命可表示为

m=N/365n。

(7)

式(7)中：m为电池可用年限；N为寿命循环次数。

2.2.2 全寿命周期年均成本

储能系统全寿命周期年均成本由电池成本、变换器成本、设备维护成本和回收价值构成[19]，可表示为

C=Ci1+Ci2+Cm-Crec。

(8)

其中：

(9)

(10)

Crec=γ(Ci1+Ci2)。

(11)

式(8)～(11)中：C为储能系统全寿命周期年均成本；Ci1为电池投资成本；Ci2为变换器投资成本；Cm为设备维护成本；Crec为回收价值；eq为容量单价；Pm为储能最大功率；ei2为变换器功率单价；γ为回收系数。

3 算例分析

3.1 算例设置

以福州某城区电网为例，该地区分时电价如下：峰时(08：30—11：30，14：30—17：30，19：00—21：00)电价为0.863 8元·(kW·h)-1，平时(7：00—8：00，11：30—14：30，17：30—19：00，21：00—23：00)电价为0.575 9元·(kW·h)-1，谷时(23：00—次日7：00)电价为0.287 9元·(kW·h)-1。

图1为该城区单日有功曲线。根据该地区有功曲线可以看出，1日内主要存在2个极小值，分别落在谷电价时段23：00—7：00、平电价时段11：30—14：30；存在2个极大值，分别落在峰时段8：30—11：30、14：30—17：30。

图1 某地区单日有功曲线Fig.1 Daily active power curve of a certain area

取峰、平时段内最低点为基准，谷时段内最高点为基准，对不同时段的功率曲线进行积分，得到各时段最大电量，具体如表2所示。

表2 各时段最大电量值Table 2 Maximum electric value of each period

由此可知，储能系统参与电力储能的盈利点主要为这4个时段内的削峰填谷，通过电量的时空转移，实现谷价、平价时段吸收电能，峰价时段输出电能，赚取电价差。

算例中使用的储能系统相关参数见表3。

表3 储能系统相关参数值Table 3 Parameter values of energy storage system

3.2 结果与分析

城区储能系统经济性评价模型通常采用枚举法、遗传算法、神经网络算法、粒子群算法进行求解。本文使用枚举法即可满足需求，以枚举法计算可得每年盈亏结果如表4所示。

表4 福州市某城区电网年盈亏结果表Table 4 Calculation results of annual profit and loss in an area of Fuzhou city

依据锂离子电池循环寿命随放电深度增加呈指数下降的趋势，当储能系统放电深度较大时，如表中放电深度为70%、80%的情况，循环寿命降低过快，将出现电池更换成本，从而增大年均成本，经济性较差。合理控制放电深度将有效控制储能系统成本，创造出盈利机会，从表5中数据看，放电深度越小，如50%、60%时，越能够获得盈利。此外，适宜的放电深度下，电池配置容量越大，收益越高，削峰填谷效果也将越好，如表中数据将在容量配置为50 MW·h，放电深度50%的情况下获得最高利润120万元·a-1。

整体上看，储能系统的成本与电能转移的收益大致在同一水平，需要通过合理的容量配置与控制策略设计，实现对放电深度等电池运行参数的控制，以降低损耗、延长使用寿命，从而减小成本，创造盈利。

从长期看，随着电池技术的发展，电池材料的不断更新，电池内阻与极化问题也将得到逐步改善，从而充放电效率将进一步提升，储能系统的成本也将逐渐下降。因此，其在参与电力系统运行的过程中，实现电能时空转移的能力将更强，创造盈利的机会也更多。

4 结论

本文结合最新的钛酸锂电池储能技术，考虑其循环寿命及放电深度对储能系统成本的影响等因素，建立了基于钛酸锂电池的城区电网储能系统经济性评价模型，并通过算例进行验证。结果表明，该模型能够实现城区电网中钛酸锂电池储能系统的成本控制，可在寿命周期内实现预期的经济效益。本研究可为储能系统的设计规划提供储能元件类型及其配置的指导和评估，具有一定的实际意义和参考价值。由于目前钛酸锂电池在我国的研发与应用还未大范围普及，仅在城区范围内有应用试点，故暂无对非城区范围的研究。随着可再生能源的发展，钛酸锂电池储能技术也会实现更广泛的应用，其在非城区范围内的应用研究也将在今后进一步开展。此外，在后续研究中也将进一步优化计算模型，加强算法应用，提高模型适用性。