浅谈如何优化基于分布式光伏系统下的储能配置

摘要:随着风光系统的装机容量不断提升,由于其资源特性导致的出力曲线对于电网调度和电量消纳问题也逐渐明显,而对于这一问题的解决,储能不失为一个重要的调节因素。 通过引入光伏系统容配比分析优化计算时采用的平准化度电成本概念,对比不同储能配置下光储系统折算的平准化度电成本,进而在已有负荷功率及光伏系统下进行优化计算,得出适合储能系统配置,并用项目收益率对该方法进行验证,明确该方法对于用户侧储能系统配置工作具有指导意义。

关键词:储能;平准化度电成本;优化设计

0引言

随着新能源的不断发展,尤其是光伏风电行业的大快速进步,其技术与投资建设已逐渐趋于成熟化、规模化,截至10月21日,国家能源局发布1—9月全国电力工业统计数据。截至9月底,全国发电装机容量22.9亿 kW,同比增长9.4%。其中,风电装机容量约3.0亿kW,同比增长32.8%。太阳能发电装机容量约2.8亿 kW,同比增长24.6%,风电光伏发电装机容量已达到总装机容量的 25%。 随着风光系统的装机容量不断提升,由于其资源特性导致的出力曲线对于电网调度和电量消纳问题也逐渐明显,而对于这一问题的解决,储能不失为一个重要的调节因素。从目前的大型集中式新能源基地、特高压外送项目对于电化学储能配置要求、国家发改委对于推动用户侧储能发展完善分时电价等一系列举措也可以看出,其对于平滑出力曲线、减少弃风弃光现象、匹配负荷需求等具有一定的作用,也是目前较为成熟可靠的方式之一。

1储能简介

科技的进步和社会的发展,推动着电力系统向高比例可再生能源、高比例电力电子装备、多能互补的综合能源以及信息物理融合的智能电力系统发展,有效低成本的太阳能/风能发电技术、高可靠性低损耗电力电子技术、有效低成本长寿命储能技术以及高强687环境工程2022 年第 40 卷增刊度绝缘技术和超导输电技术的突破将对新一代电力系统产生全局性影响。其中,储能技术是智能电网、能源互联网、可再生能源接入、分布式发电、微网系统等发展的支撑技术之一。

不同的储能技术有其特点不同,在电力系统中也取得了不同程度的应用。 在电力系统中,习惯依据电能转化后的各种不同形态,将储能分为 3 大类,即机械、电化学、电磁储能,另外还有储热、储冷及储氢等形式。 其中机械储能包含抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等形式;电化学储能主要为电池储能,包含锂离子电池、液流电池、铅酸电池和钠硫电池等类型;电磁储能包含超级电容储能和超导储能 2 种形式。

抽水蓄能作为稳定成熟电力系统调节工具,随着新能源装机容量占比不断上升,其装机容量也会不断提高,但受限于自然条件特点,在部分地区无法大规模开发,因此压缩空气储能、电化学储能也成为热点之一,尤其是电化学储能,会逐渐趋于普遍化、大众化。

《储能产业研究 2021》对中国储能市场发展展望:基于保守场景,化学储能累计规模 2021—2025 年复合增长率为 57. 4%,市场将呈稳步、快速增长的趋势。基于理想场景,2021 年市场累计规模将达到 661. 48 万 kW;随着以新能源为主体的新型电力系统建设,如果未来 2 年能有稳定的盈利模式保驾护航,2024,2025 年将再形成一轮高增长,累计规模分别达到 32. 7,55. 9 GW。

而大规模的储能发展,势必会带来对设计、建设和运维能力要求的不断提高,在平价时代下,为实现良性循环,不通过试错来增长设计经验,作为光储系统的从业人员,也亟须提高储能系统设计能力,尤其是没有明确配比要求的用户侧储能,优化储能系统设计,满足项目要求的前提下提高项目收益率,从而进一步推动储能行业的发展进步。

2工程项目概述

本文通过分析 1 个工程实例的储能配置过程,体现分布式光伏系统储能优化设计的过程及特点,为实际项目的光储系统设计提供理论和实际依据,从而推动小型用户侧储能系统优化配置。

本项目位于中东部地区,辐照量在C类的中值左右,资源水平丰富,光伏系统固定式合适倾角为24°,影子倍率为 1.9,考虑到项目的电价水平较高,因此对于一般的分布式光伏系统项目,可达到平价上网基准。

本项目为温室蔬菜种植园项目,在其屋顶上方进行屋顶光伏系统布置,补充一部分负荷用电。此外,为减少光伏发电系统的弃光现象,因此,考虑配置一部分储能系统,进行削峰填谷,提高项目收益。

为简化计算,在进行项目造价核算时采用匡算,即通过单价乘以容量的形式进行造价匡算。

3工程项目系统分析

3.1项目负荷分析

本项目为温室蔬菜种植园项目,主要负荷为冷热及光照负荷,包含植物灯及空调负荷,用于夜间加热及光照较多,负荷主要存在于夜间,考虑到项目所在地农业生产用电存在分时电价,在 22:00—6:00 电价较低,与大负荷时段正好匹配。 因此,对于项目运营存在一定好处,可提高项目整体收益。

通过分析项目特点,描绘各月典型日负荷曲线如图 1 所示。

由图 1 可知,由于项目主要目的为温室蔬菜种植,其负荷主要为调温、调光,且项目所在地为东部沿海城市,全年温差不大,所以全年负荷较为稳定。 因此各月典型日负荷变化趋势基本一致,其主要区别在于负荷值大小的各月不同,且主要用电大负荷在晚上23:00—早上 8:00,正好绝大多数用电负荷匹配低谷用电电价。

3. 2　 项目光伏系统分析

对项目所在地的屋顶上方进行屋顶光伏系统布置,采用目前屋顶项目主流设备及方案,考虑最终光伏系统采用升压接入场区配电室,因此选取主流有效单晶 硅 540Wp 组 件, 最 终 布 置 容 量 为 直 流 端4. 998 MWp,下文中取整为 5. 0 MWp,对光伏系统布置建立 PV 模型,利用 PVsyst 软件模拟全年 8760 h光伏系统出力,整理成全年 12 个月的系统出力与用电负荷关系如图 2 所示,可看出各月出力曲线稍有不同,但整体出力最大值均在中午时段。

4　 储能系统优化分析

4.1项目储能系统分析

由图 2 可看出:光伏系统出力高值区间为负荷低值时间段,因此会造成较多的光伏系统发电量被舍弃,因此,对此系统需要运用储能系统调节出力、匹配负荷,减少弃光现象,加大项目收益。

4.2储能系统优化配置

在设计没有明确配比要求的用户侧储能时,需考787环境工程2022 年第 40 卷增刊　 　 　

887环境工程2022 年第 40 卷增刊虑经济性进行储能系统设计,满足项目要求的前提下提

高项目收益率,也进一步推动储能行业的发展进步。

考虑到项目需要配置一定的储能系统,为实现项目投资优化,从光伏系统引入平准化度电成本的概念,对储能系统进行优化配置。

通过 PV 模拟光伏系统 25 年的发电量,结合不同储能系统配置下光储系统投资与项目收益,通过当地平价上网下折算出的光储系统节约电量,可计算项目全寿命周期的度电成本[12,13]。

式中:i 为折现率,%;n 为系统运行年数(n=1,2,…,N);N 为光储发电系统评价周期,年;I0为静态初始投资,元;It为项目增值税抵扣,元;VR为光储系统残值,元;Mn为第 n 年运营成本;Yn为折算年上网电量,kW·h。光储发电系统配置优化计算需考虑光伏系统出力、光伏系统建设成本、储能系统建设成本、项目运行模式及运维成本等因素,经过技术性和经济性比选后确定。 储能配置优化分析宜使用试算法进行计算,宜对已确定光伏系统从低到高选取不同储能配置进行多点计算,得出配置,其优化计算流程见图3。

4.3计算过程及结果分析

1)总投资费用。

考虑本项单体容量在分布式屋顶中适中,且屋顶较为集中,屋面情况较好且都可用夹具施工,造价较为可控,其单位造价可控制在较低水平。由表1可知:组件价格按1.9元/Wp计算,屋顶租赁费用按6元/年/m2计算,将25年屋顶租赁费用折现到首年,综合考虑后光伏系统单价按3.7元/Wp,储能系统按1.7元/W,储能充放电时长按照目前新能源项目较为常见的2 h配置。

项目运维费用包含材料费、其他费用、土地租赁费用、人员工资及福利、修理费、保险费用等,其取费标准如表2所示。

经计算后的各部分运维费用如表3所示,此外,储能电池考虑 4500次左右更换1次电池,电池部分造价按照储能系统的65%考虑。

经计算后项目总成本现值如表 4 所示。　

通过对全年 8760 h 的光伏系统出力及全年各小时负荷进行匹配,可以把负荷端用电量分为 3 部分:第 1 部分为光伏系统出力低于负荷侧或高于负荷侧功率时(不超过负荷侧功率部分) 直接由负荷端使用;第2部分为光伏系统出力部分瞬时超出负荷侧功率,在早晨9:00—10:00 开始向储能系统储存多余发电量,待储能系统储满后,待下午16:00—17:00左右辐照量减小后,开始由储能系统开始向负荷侧供电;第3部分为光储系统不工作时,负荷侧由电网系统取电。 本项目光伏发电系统发电时段对应用电电价较高时段,包括储能部分储存后释放电量电价也处在电价高值时段,但计算时需考虑储能系统效率,通过计算可以得出光储系统运行后节约的电费,在其基础上折算为上网电价下的电量,进而计算度电成本,对比结果如表 5 和图 4 所示。表5光伏储能系统度电成本

由图 4 和表 2 可知:本项目光伏系统在负荷功率下配置 2 MW·h 的储能系统,其度电成本较低,但 1~3 MW·h 储能系统配置下,光储系统的度电成本均较低,在项目实施阶段可根据情况进行调整。

考虑本项目高电价时段在 6:00—22:00,在6:00—9:00 期间光伏系统出力较低,因此可进一步考虑储能系统采用两充两放模式。其中,一次冲放在光伏系统出力高于负荷功率时,储存光伏系统多余出力部分;另一次冲放可利用分时电价价差。在夜间谷电时充电,在早晨 6:00 后放电[14,15],在充放电量计算时,考虑储能系统效率,通过电量及对应电价,可计算出 1 次冲放电收益,进而折算成当地上网电价下的电量,从而通过两充两放下储能系统增加的投资与电量,计算两充两放光储系统下的度电成本,结果如表6所示。

由表6可知:本项目光伏系统在负荷功率下配2 MW·h 的储能系统,其度电成本较低,但 2~3 MW·h储能系统配置下,光储系统的度电成本均较低,在项目实施阶段可根据情况进行调整,且两充两放下的光储系统度电成本更低。

对于上述结果运用其运维边界条件及造价水平,通过专业财务评价工具木联能软件进行收益率测算,初始投资可通过单位造价进行估算,项目收益即为光储系统实施后节约的电费,通过建模计算一冲一放下2 MWh的光储系统、两充两放下1,2,3 MW·h 的光储系统项目收益率(由于电费为实际支出费用,因此计算收益时不考虑税收影响),如表 7 所示。

5安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

5.2适用场合

3.2.1系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.2.2工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能进行探索融合发展新场景，已出现在数据中心、5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

5.3系统结构

5.4系统功能

5.4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的最大、最小电压、温度值及所对应的位置。

风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.4.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

5.4.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

5.4.5运行报表

应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

5.4.6实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

5.4.7历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

5.4.8电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、最大值、最小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

5.4.9遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

5.4.10曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

5.4.11统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

5.4.12网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.4.13通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

5.4.14用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

5.4.15故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

5.4.16事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故qian10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户和随意修改。

图29事故追忆

5.5系统硬件配置清单

6总结

随着风光系统的装机容量不断提升,由于其资源特性导致的出力曲线对于电网调度和电量消纳问题097环境工程2022 年第 40 卷增刊也逐渐明显,而对于这一问题的解决,储能不失为 1个重要的调节因素,从目前的大型集中式新能源基地、特高压外送项目对于电化学储能配置要求、国家发改委对于推动用户侧储能发展完善分时电价等一系列举措也可以看出,其对于平滑出力曲线、减少弃风弃光现象、匹配负荷需求等具有一定的作用,也是目前较为成熟可靠的方式之一。

本文通过引入光伏系统容配比分析优化计算时采用的平准化度电成本概念,通过对比不同储能配置下光储系统折算的平准化度电成本,进而在已有负荷功率及光伏系统下进行储能系统配置优化计算,得出储能系统配置,指导用户侧储能系统配置工作。