浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司 ■ 胡華友 吳云來(lái) 朱健雍

0 引言

傳統(tǒng)制造型企業(yè)多為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，主要有冶金工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)、電子工業(yè)等。此類(lèi)型企業(yè)大多為24 h不間斷連續(xù)生產(chǎn)制，電力負(fù)荷長(zhǎng)期活躍穩(wěn)定，非常適宜建設(shè)分布式“光伏+儲(chǔ)能”電站，不僅可以改善企業(yè)的負(fù)荷電網(wǎng)友好性，還可以減少企業(yè)的固定電費(fèi)支出。本文以昆山帕捷1.5 MWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、2×(400kW/1MWh)儲(chǔ)能系統(tǒng)建立模型，對(duì)分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)

1.1 電站基本情況

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)在機(jī)加工車(chē)間屋頂，裝機(jī)容量為1.5 MWp；結(jié)合項(xiàng)目裝機(jī)容量和電氣設(shè)計(jì)接入條件，采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”單點(diǎn)10 kV高壓并網(wǎng)形式。儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)總規(guī)模為2×(400kW/1MWh)，根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷的特點(diǎn)，采用2點(diǎn)低壓380 V接入至原廠區(qū)低壓0.4 kV母線側(cè)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)互為獨(dú)立運(yùn)行方式。電站特性如表1所示。

表1 電站特性表

1.2 配電情況

昆山帕捷內(nèi)部有一回10 kV專(zhuān)線供電回路，設(shè)有2臺(tái)2000 kVA變壓器，遠(yuǎn)期規(guī)劃預(yù)留1臺(tái)2000 kVA變壓器出線間隔，規(guī)劃變壓器總?cè)萘繛?000 kVA。根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)屬性及類(lèi)似負(fù)載的長(zhǎng)期負(fù)荷情況預(yù)測(cè)，光伏發(fā)電功率可基本在用戶(hù)側(cè)完成消納，在企業(yè)停產(chǎn)或大規(guī)模減產(chǎn)時(shí)少量上網(wǎng)。

1.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

昆山帕捷廠房為彩鋼瓦屋面，原建筑設(shè)計(jì)時(shí)已考慮分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的新增荷載，按順沿屋面角度滿(mǎn)鋪敷設(shè)，可最大化利用屋頂面積，裝機(jī)容量為1.5 MWp。

企業(yè)為24 h連續(xù)生產(chǎn)“三班倒”模式，用電負(fù)荷穩(wěn)定在2000～3600 kVA，而分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為1.5 MWp，正常情況下可全部消納。因此，光伏系統(tǒng)采用10 kV單點(diǎn)“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式，可最大程度的匹配業(yè)主的用電負(fù)荷密度，減少相當(dāng)?shù)碾娰M(fèi)支出。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)

傳統(tǒng)的單一光伏發(fā)電形式有明顯的缺陷，如季節(jié)性障礙無(wú)法克服、供電不穩(wěn)定、波動(dòng)性大、公用設(shè)施供電不適宜等。相比之下，“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1)削峰填谷。利用平時(shí)段、谷時(shí)段電價(jià)進(jìn)行充電儲(chǔ)能，在峰時(shí)段將電能放出。

2)需量調(diào)節(jié)。超出基本安裝容量的突發(fā)性負(fù)荷予以補(bǔ)償，降低基礎(chǔ)電費(fèi)。

3)穩(wěn)定新能源?？善揭趾头€(wěn)定風(fēng)、光等間歇性可再生能源發(fā)電的輸出功率。

4)微網(wǎng)運(yùn)行?？膳c其他分布式能源組成微網(wǎng)運(yùn)行。

5)應(yīng)急電源。可減少各種暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失。

6)無(wú)功支撐。可作為靜止無(wú)功發(fā)生器使用，提供就地?zé)o功補(bǔ)償。

7)電網(wǎng)調(diào)頻。可快速響應(yīng)調(diào)頻需求，爬坡速率高，解決了常規(guī)電源調(diào)整響應(yīng)慢的困境[1]。

獨(dú)立的自發(fā)自用型光伏并網(wǎng)電站因未配套儲(chǔ)能系統(tǒng)，電力只能通過(guò)用戶(hù)側(cè)消納，多余部分返送至電網(wǎng)側(cè)，因此，最大限度的在用戶(hù)側(cè)消納是最為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。配備儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可拓寬用戶(hù)的“消納范圍”，即在負(fù)荷端低谷狀態(tài)時(shí)，蓄電池充電存儲(chǔ)；在負(fù)荷端高峰狀態(tài)時(shí)，蓄電池放電補(bǔ)充。對(duì)于電網(wǎng)而言，配電系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)性能得到了加強(qiáng)，大幅提高了負(fù)荷的電網(wǎng)友好性；對(duì)于電網(wǎng)和企業(yè)自身而言，是雙贏的結(jié)果[2]。

考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)需功能，蓄電池需參與功率需量調(diào)節(jié)。本文中的用戶(hù)10 kV供電回路共3臺(tái)變壓器，屬于大工業(yè)用電類(lèi)型，基本容量費(fèi)用為30元/kVA/月，需量費(fèi)用為40元/kW/月，7月、8月這2個(gè)月有尖峰時(shí)段，非常適宜實(shí)施儲(chǔ)能電站。

根據(jù)江蘇省物價(jià)局文件，結(jié)合用戶(hù)的配電情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)分別設(shè)置在兩段低壓母線處，容量都為400kW/1MWh，此時(shí)峰谷電價(jià)差為0.7558元，可發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)價(jià)差。即在00:00～08:00低谷時(shí)段蓄電池充電，08:00～12:00高峰時(shí)段蓄電池放電，第一次充放電過(guò)程完成；在12:00～17:00用電平時(shí)段充電，17:00～21:00高峰時(shí)段放電，第二次充放電過(guò)程完成。這樣的模式不僅可以降低用戶(hù)的最大需求功率費(fèi)用，節(jié)省固定支出，還可以提高系統(tǒng)的投資回報(bào)年限，降低回收周期。

由于蓄電池設(shè)計(jì)的日充放電次數(shù)為2次，而普通鉛酸蓄電池的正常使用壽命為3～5年，在25年電站運(yùn)營(yíng)期內(nèi)需多次更換蓄電池組，造價(jià)、維護(hù)成本較高，因此，能量密度較高、充放電次數(shù)更高的鋰離子蓄電池得到了儲(chǔ)能系統(tǒng)的青睞。同時(shí)，隨著石墨烯等新型材料的研制，相信在未來(lái)，儲(chǔ)能電池的可選范圍會(huì)相對(duì)寬泛。

2 系統(tǒng)效益分析

2.1 已運(yùn)行電站的系統(tǒng)效益分析

為驗(yàn)證分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性，以正泰新能源公司在上海松江產(chǎn)業(yè)園投資建設(shè)的“光伏+儲(chǔ)能”項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。本項(xiàng)目共建設(shè)3.37 MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用單點(diǎn)10 kV“自發(fā)自用”形式并網(wǎng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量為500kW/1MWh，充、放電電源均取自電網(wǎng)側(cè)；光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)互為獨(dú)立運(yùn)行模式。

表2 江蘇省工業(yè)用電峰谷分時(shí)銷(xiāo)售電價(jià)表(2017年7月1日起執(zhí)行) (單位：元/kWh)

目前，該“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行200余天，采用高性能的比亞迪鋰電池管理系統(tǒng)，實(shí)際的充放電效率高達(dá)86.54%；根據(jù)上海的分時(shí)電價(jià)及用電負(fù)荷情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)每天要完成1.5次的充放電過(guò)程。

圖2為實(shí)時(shí)日用電負(fù)荷曲線，反映的是企業(yè)

圖1 EMS儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

每天各個(gè)時(shí)間的用電功率。根據(jù)功率分布情況，可將該企業(yè)的用電負(fù)荷分為3個(gè)用電時(shí)間段，即00:00～07:00、19:00～23:00、08:00～18:00，前兩個(gè)時(shí)間段為企業(yè)生產(chǎn)減產(chǎn)或停產(chǎn)間歇時(shí)間，用電負(fù)荷普遍很低，而08:00～18:00為企業(yè)的豐產(chǎn)期，電氣設(shè)備集中運(yùn)行。

以7月28日為例，日用電峰值有2處，發(fā)生的時(shí)間分別為09:00和14:00，而儲(chǔ)能系統(tǒng)正是在此峰值時(shí)間段介入補(bǔ)償，可有效降低用電峰值功率，減少企業(yè)的需量費(fèi)用。

圖2 系統(tǒng)日功率曲線圖(2018年7月28日)

圖3 a為PCS系統(tǒng)的日實(shí)時(shí)功率曲線，反映的是儲(chǔ)能變流器的工作狀態(tài)(充電、放電、待機(jī))。23:30～03:00為蓄電池低功率充電狀態(tài)，03:30～09:30為蓄電池待機(jī)狀態(tài)，09:30～11:00為蓄電池高功率放電狀態(tài)，11:30～13:00為蓄電池高功率補(bǔ)充充電狀態(tài)，13:00～17:30為蓄電池待機(jī)狀態(tài)，18:00～20:30為蓄電池高功率放電狀態(tài)，20:30～22:00為蓄電池待機(jī)狀態(tài)，之后進(jìn)入夜間谷電時(shí)段，將電池電量充滿(mǎn)，然后繼續(xù)循環(huán)。

如圖3b、圖3c所示，以2018年6月全月為例，當(dāng)月總充電電量為46701 kWh(日均1556.7 kWh)，總放電電量為43494 kWh(日均1449.8 kWh)，日均充電次數(shù)設(shè)置為1.5次，在此運(yùn)行模式下經(jīng)濟(jì)效率最佳。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率曲線圖

2.2 昆山帕捷電站的系統(tǒng)效益分析

對(duì)照已實(shí)際運(yùn)行的分布式“光伏+儲(chǔ)能”電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)昆山帕捷電站的收益做初步成本估算。

1)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。若年均發(fā)電量約為142萬(wàn)kWh，按消納率100%、電價(jià)8折的優(yōu)惠力度計(jì)算，企業(yè)的綜合平均用電電價(jià)為0.85元/kWh；每年可為企業(yè)減少固定電費(fèi)支出為1420000×0.85×0.8=96.56萬(wàn)元；25年運(yùn)行期內(nèi)共可節(jié)省2414萬(wàn)元。

2)儲(chǔ)能系統(tǒng)。單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量為400kW/1MWh，按每天完成2次充放電過(guò)程計(jì)算，第1次為低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電，電價(jià)價(jià)差為1.0697-0.3139=0.7558元；第2次為平時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電，電價(jià)價(jià)差為1.0697-0.6418=0.4279元。

為簡(jiǎn)化財(cái)務(wù)分析模型，假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率按85%考慮，鋰電池的放電深度(DOD)為90%，谷電時(shí)段和平電時(shí)段的充電時(shí)間比為1:1，儲(chǔ)能系統(tǒng)的年運(yùn)行故障率為2%，單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的總投資成本為300萬(wàn)元/MWh，可計(jì)算得出：系統(tǒng)每天放出的電量為2×1000×0.9=1800 kWh，需要在谷時(shí)段和平時(shí)段共充電1800/0.85=2118 kWh，谷時(shí)段和平時(shí)段的充電量均為2118/2=1059 kWh；則每天可 節(jié) 省 電 費(fèi) 為 2×(1.0697×1800-0.3139×1059-0.6418×1059)=1826元；每運(yùn)行年可節(jié)省費(fèi)用為365×0.98×1826=65.316萬(wàn)元；參與調(diào)需的容量為800 kW，每月可減少需量費(fèi)用為32000元，年均為38.4萬(wàn)元。

綜合以上因素考慮，項(xiàng)目?jī)?chǔ)能部分的靜態(tài)投資回報(bào)周期為600/65≈9.23年。但這是未考慮鋰電池衰減因素的結(jié)果，在系統(tǒng)每天“兩充兩放”的利用情況下，每年的鋰電池衰減為3%，因此，動(dòng)態(tài)回收周期可能需要超出10年累計(jì)回報(bào)周期。

3 推廣應(yīng)用

目前制約分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)發(fā)展的主要因素是電池成本及電池技術(shù)。按目前的價(jià)格來(lái)看，搭配儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏電站價(jià)格仍然較為昂貴。能量高效存儲(chǔ)受電池技術(shù)發(fā)展的影響，新材料電池如石墨烯等還未得到大規(guī)模的應(yīng)用，如果現(xiàn)在建設(shè)儲(chǔ)能電站，可能會(huì)很快面臨以鋰電池為代表的儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)升級(jí)換代，對(duì)于投資企業(yè)來(lái)說(shuō)，成本是需要酌情考慮的。

但儲(chǔ)能是未來(lái)的發(fā)展方向，企業(yè)對(duì)于儲(chǔ)能需提早布局。在未來(lái)2～3年內(nèi)，儲(chǔ)能電池技術(shù)會(huì)迎來(lái)新的飛躍，相信那時(shí)便是“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)的爆發(fā)階段。再配以新能源汽車(chē)的應(yīng)用，光伏將進(jìn)一步取代其他能源，成為清潔能源的代表，融入未來(lái)生活的方方面面。

4 總結(jié)

本文分析了分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合已實(shí)際運(yùn)行的案例，探索投資回報(bào)率的最大化，并以昆山帕捷電站建立模型進(jìn)行了分析。目前，制約分布式“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)發(fā)展的主要因素是儲(chǔ)能電池的成本及技術(shù)，但其在未來(lái)2～3年必將迎來(lái)爆發(fā)階段。