李 程 黃紹唐 趙學(xué)風(fēng) 韓軍林 劉繼濤 鮑 磊 廖強(qiáng)強(qiáng)

1.國(guó)網(wǎng)漢中供電公司

2.上海電力大學(xué)

3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院

4.國(guó)網(wǎng)陜西綜合能源服務(wù)有限責(zé)任公司

0 引言

使用儲(chǔ)能電池（BES）能提升戶用光伏（PV）的自利用，從而減少饋入電網(wǎng)的光伏電力，由此可以增加電網(wǎng)的穩(wěn)定性。Quoilin等人[1]對(duì)歐洲國(guó)家的家用光伏電池系統(tǒng)的自利用和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了量化，認(rèn)為作為光伏系統(tǒng)和電池尺寸的函數(shù)，自利用和經(jīng)濟(jì)盈利能力是非線性的，鋰離子電池系統(tǒng)需要進(jìn)一步降低電池成本或間接補(bǔ)貼。Huang等[2]調(diào)查了分布式光伏電池系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)效益，結(jié)果表明，相對(duì)較小的電池尺寸可以顯著降低家庭用電量，在聚合水平上協(xié)調(diào)平滑電網(wǎng)需求曲線，系統(tǒng)級(jí)的好處可以作為激勵(lì)消費(fèi)者加速電池存儲(chǔ)的動(dòng)力。Luthande等[3]通過將單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)變?yōu)楣蚕韮?chǔ)能系統(tǒng)，光伏電池系統(tǒng)的利潤(rùn)可以增加，從社區(qū)到電網(wǎng)的最大功率可以減半，可以有效緩解公用電網(wǎng)的壓力。Ranaweera等[4]提出了住宅光伏電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，以最大限度地提高挪威的住宅經(jīng)濟(jì)效益，蓄電池的應(yīng)用有助于減少電網(wǎng)的供電量，并在發(fā)電高峰時(shí)段維持電壓穩(wěn)定。Zhang等[5]對(duì)美國(guó)PV-BES系統(tǒng)的財(cái)務(wù)激勵(lì)政策進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的激勵(lì)政策可以將加州和夏威夷的投資回收期縮短到10年以下。

然而在中國(guó)，由于電價(jià)較低，尤其在民用領(lǐng)域，提高光伏自用所減少電網(wǎng)電力獲得的收益是相對(duì)較少的。新的儲(chǔ)能電池成本居高不下，且中國(guó)目前還沒有出臺(tái)統(tǒng)一的儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策，導(dǎo)致了中國(guó)推行家用式儲(chǔ)能較為困難。如果能將從電動(dòng)汽車上退役后的電池應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，一方面減少間歇性的光伏電力對(duì)電網(wǎng)的沖擊，另一方面也大幅降低儲(chǔ)能成本。鋰離子電池有著能源轉(zhuǎn)化效率高和壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是它的成本也相對(duì)較高，而梯次利用電池雖然在效率和壽命上不如前者，但是它的成本卻更低廉。

本文以中國(guó)陜西西安市某一居民發(fā)用電負(fù)荷為例，采用成本效益模型對(duì)固定容量的光伏和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究，在全壽命周期內(nèi)分析了新鋰離子電池，以及退役鋰離子電池在光伏儲(chǔ)能中的經(jīng)濟(jì)性，評(píng)價(jià)退役電池儲(chǔ)能的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 研究方法

本文以并網(wǎng)式用戶側(cè)光伏電站的3種運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比，采用模擬和仿真手段研究了退役鋰離子電池（LIB-2nd）以及新鋰離子電池（LIB）光伏儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。三種場(chǎng)景分別為：Scenario 1(S1)：系統(tǒng)僅安裝光伏，且光伏的所有發(fā)電量全部賣給電網(wǎng)；Scenario 2(S2)：系統(tǒng)僅安裝光伏，光伏發(fā)電優(yōu)先供給負(fù)載，剩余電量賣給電網(wǎng)；Scenario 3(S3)：系統(tǒng)安裝光伏和儲(chǔ)能電池，光伏發(fā)的電優(yōu)先供負(fù)載使用，多余的電存儲(chǔ)在電池中，再多余的電賣給電網(wǎng)；光伏不足的時(shí)候，電池放電給負(fù)載使用；光伏和電池電量不足時(shí)由電網(wǎng)供電。

1.1 電量控制策略

由于S1和S2不包含儲(chǔ)能，電能控制策略較為簡(jiǎn)單，因此本文重點(diǎn)介紹S3中光伏儲(chǔ)能的用電策略。由于我們討論的地區(qū)在一年中有部分月份存在分時(shí)電價(jià)，在分時(shí)電價(jià)和固定電價(jià)下的電量控制模式又有稍許不同。圖1為S3在分時(shí)電價(jià)下的電量控制流程圖。用電時(shí)候以電網(wǎng)的電價(jià)時(shí)段（，）、儲(chǔ)能電池的SOC實(shí)時(shí)狀態(tài)（）、光伏的實(shí)時(shí)發(fā)電功率與負(fù)載的實(shí)時(shí)用電功率（，）作為判斷和電量控制依據(jù)，下標(biāo)的t是一天中以小時(shí)為單位的時(shí)間(t=1，2，…，24)。同時(shí)，本文設(shè)置了一個(gè)光伏有效天數(shù)理想化概念，即在非光伏有效天數(shù)下，不存在光伏發(fā)電，它取決于當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r。當(dāng)光伏發(fā)電功率不小于負(fù)載用電功率時(shí)，光伏在該時(shí)段的總發(fā)電量等于該時(shí)間段內(nèi)的光伏給負(fù)載放電量、光伏給儲(chǔ)能電池充電量、光伏賣給電網(wǎng)電量以及該時(shí)間段內(nèi)電能轉(zhuǎn)換過程中的損耗之和。其中的計(jì)算方法如圖1所示，和分別表示逆變器和儲(chǔ)能電池的電能轉(zhuǎn)換效率。同理，當(dāng)＜時(shí)，負(fù)載的用電總和等于該時(shí)間段的光伏給負(fù)載放電量乘以決策因子a、儲(chǔ)能給負(fù)載放電量乘以決策因子b、電網(wǎng)給負(fù)載放電量乘以決策因子c以及該時(shí)段的電能轉(zhuǎn)換過程中的損耗之和。其中決策因子的4種情況如圖1所示，（1）a=1，b=1，c=0表示只有光伏和儲(chǔ)能給負(fù)載供電；（2）a=1，b=1，c=1表示光伏、儲(chǔ)能和電網(wǎng)同時(shí)給負(fù)載供電；（3）a=1，b=0，c=1表示只有光伏和電網(wǎng)給負(fù)載供電；(4)a=0，b=1，c=1表示只有儲(chǔ)能和電網(wǎng)同時(shí)給負(fù)載供電，即電池峰谷套利的模式。要注意的是，(4)僅在非有效光伏天數(shù)里進(jìn)行。

圖1 分時(shí)電價(jià)下S3的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)電量控制策略流程圖

而當(dāng)在固定電價(jià)時(shí)期，不管哪種模式都統(tǒng)一按照?qǐng)D2的電量控制流程進(jìn)行。因?yàn)椴淮嬖诜謺r(shí)電價(jià)，在沒有光伏發(fā)電的時(shí)就不存在儲(chǔ)能電池進(jìn)行峰谷套利。

圖2 固定電價(jià)下S3的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)電量控制策略流程圖

1.2 光儲(chǔ)系統(tǒng)的成本-效益模型

凈現(xiàn)值（NPV）是一種廣泛應(yīng)用于光伏和儲(chǔ)能分析中的經(jīng)濟(jì)效益分析方法[6]。本文利用該方法計(jì)算光伏或光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在全壽命周期中的經(jīng)濟(jì)收益，公式如下：

為了對(duì)比3種不同運(yùn)行情景（S1，S2，S3）的經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)公式（1）至（3）中的計(jì)算模型，針對(duì)上述3種運(yùn)行場(chǎng)景定義了不同的成本和收益計(jì)算方式。其收益模型分別為：

其成本模型分別為：

公式（4）、（5）、（6）分別表示S1、S2、S3的收益模型，其中公式（4）中不包含給負(fù)載供電的收益，公式（6）包含在第j年內(nèi)光伏給負(fù)載供電收益、儲(chǔ)能通過存儲(chǔ)光伏電量然后給負(fù)載供電收益和儲(chǔ)能在非光伏有效天數(shù)通過存儲(chǔ)電網(wǎng)低谷電量給負(fù)載供電的收益；公式（8）代表S1和S2的成本模型，公式（9）表示S3成本模型，相對(duì)多了電池成本和電池的更新成本，以及在非光伏有效天數(shù)電池利用電網(wǎng)低谷電價(jià)充電的費(fèi)用。

由于電池的過充、過放電行為會(huì)導(dǎo)致電池性能的加速下降[7]，因此本文限定了電池的SOC范圍，見公式（10）。且儲(chǔ)能電池的充放電功率不應(yīng)超過最大功率限制[8]，見公式(11)和(12)。

雖然對(duì)光伏或光儲(chǔ)系統(tǒng)的成本、收益以及NPV值的計(jì)算在上述公式中已定義，但通過這些公式仍無法詳細(xì)計(jì)算每一部分的成本和收益，因此對(duì)構(gòu)成成本和收益的各部分計(jì)算模型進(jìn)一步進(jìn)行了補(bǔ)充（公式13-20）。

其中rg為光伏上網(wǎng)電價(jià)，和分別為國(guó)家補(bǔ)貼和地方補(bǔ)貼。

2 案例研究

本文選取了陜西省西安市某一居民的實(shí)際用電數(shù)據(jù)和該地區(qū)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，并基于上述模型框架進(jìn)行計(jì)算。

2.1 并網(wǎng)式用戶側(cè)光儲(chǔ)系統(tǒng)的分布圖

圖3為用戶側(cè)光儲(chǔ)系統(tǒng)的示意圖，圖中包含光伏、電網(wǎng)、儲(chǔ)能與負(fù)載。光伏優(yōu)先給負(fù)載供電，多余光伏優(yōu)先存儲(chǔ)在電池里，再賣給電網(wǎng)；光伏和儲(chǔ)能優(yōu)先給負(fù)載供電，不夠時(shí)由電網(wǎng)來補(bǔ)充。

圖3用戶側(cè)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

2.2 光伏發(fā)電效率與負(fù)載用電需求

圖4 為陜西省西安市某家庭的具有代表性的一天用電負(fù)荷圖和當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘囊惶斓墓夥蕡D，光伏效率定義為瞬時(shí)光伏功率除以額定功率。在參考了陜西省西安市天氣的情況下，設(shè)定每個(gè)月的有效光伏天數(shù)為25天[9]。

圖4 代表性一天中的光伏發(fā)電效率與用戶負(fù)荷需求功率

2.3 光伏補(bǔ)貼與西安市電價(jià)政策

國(guó)家針對(duì)戶用分布式光伏且采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式的補(bǔ)貼依據(jù)最新的規(guī)定以0.08元/kWh進(jìn)行補(bǔ)貼，而根據(jù)西安市政策規(guī)定，西安市分布式光伏全發(fā)電量補(bǔ)貼為0.25元/kWh，連續(xù)補(bǔ)貼5年。因此西安市當(dāng)?shù)貞粲梅植际焦夥l(fā)電補(bǔ)貼（）前5年為0.33元/kWh，后15年為0.08元/kWh[10，11]。此外居民分布式光伏采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式的光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.354 5元/kWh[12]。西安市電網(wǎng)公司在每年的11月份到第二年的3月份進(jìn)行了峰谷電價(jià)的探索，以此引導(dǎo)和鼓勵(lì)居民用戶參與電力移峰填谷，滿足居民電采暖、電儲(chǔ)能等個(gè)性化用電需求。其余月段為固定電價(jià)，為0.498 3元/kWh。實(shí)行峰谷電價(jià)的月份，其高峰時(shí)段（8:00-22：00）以0.548 3 元/kWh、用電低谷時(shí)段（22:00-8:00）以0.298 3元/kWh計(jì)算電費(fèi)。而對(duì)于光伏規(guī)模，在咨詢利益相關(guān)者的基礎(chǔ)上，假設(shè)光伏容量為5 kW。電池儲(chǔ)能容量設(shè)定為6.5 kWh。整個(gè)系統(tǒng)以20年為一個(gè)壽命周期，電池的成本下降率為15%，貼現(xiàn)率r設(shè)定為8%[13]。

2.4 光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定

表1為當(dāng)下市場(chǎng)的光伏系統(tǒng)和使用的逆變器所能達(dá)到的技術(shù)參數(shù)，表2為3種不同儲(chǔ)能電池的技術(shù)參數(shù)。

表2 不同電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)果與討論

圖5顯示了3種場(chǎng)景下的NPV隨年份的變化情況。雖然三種場(chǎng)景的NPV都隨年份在增長(zhǎng)，有趣的是，從全生命周期的NPV來看，S2＞S1＞S3，說明光伏產(chǎn)生的電力自我消納比完全賣給電網(wǎng)的盈利更高，但是光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下是不具備競(jìng)爭(zhēng)力的；從回收成本最快的角度來看，S2（9年），S1（12年），S3-LIB2nd(13年)，但是有以新鋰離子電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的場(chǎng)景在整個(gè)系統(tǒng)周期里無論怎樣都回收不了成本。雖然光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下的收益不太樂觀，但是梯次利用鋰離子電池與新鋰離子電池相比是具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的。

圖5不同應(yīng)用場(chǎng)景下的全生命周期內(nèi)光伏或光儲(chǔ)系統(tǒng)NPV值

圖6 顯示了各個(gè)場(chǎng)景模式下20年的收益與支出?？梢娫赟1中，電量全部賣給了電網(wǎng)，能獲得更高的，但總的收益也相對(duì)較少。而在S2中一部分電量是在本地消耗的，從而增加了這項(xiàng)收益。在S3中無論是新鋰離子電池還是退役電池，得益于電池將光伏時(shí)移，獲得了更大的，而也相對(duì)減少了，但總的收益是增加的。各個(gè)場(chǎng)景模式中，占據(jù)最大份額，尤其在S3中，電池的成本是不可忽略的，且新鋰離子電池的成本明顯大于梯次利用電池。值得注意的是，這項(xiàng)兩者差距不大，主要緣于新離子電池更新了1次而梯次利用電池更新了3次，導(dǎo)致了梯次利用電池的更新成本也逐漸上升。

圖6 不同應(yīng)用場(chǎng)景模式下光伏或光儲(chǔ)系統(tǒng)20年的收益與支出

圖7 顯示了光伏電池系統(tǒng)中的能量流，在僅有光伏時(shí)，只有7.863 kWh在當(dāng)場(chǎng)被消耗，自利用率僅為35.13%，再加入電池后，自利用率能達(dá)到58.37%，增加了23.24個(gè)百分點(diǎn)。從新鋰離子電池和梯次利用電池轉(zhuǎn)移光伏的性能上來說并無差別，只是梯次利用電池因?yàn)樾瘦^低，損失的能量更多，相對(duì)賣給電網(wǎng)的能量也相對(duì)減少。

圖7 光儲(chǔ)系統(tǒng)中能量流

住宅光伏系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)通常是光伏系統(tǒng)的自利用率[14]。自利用率定義為光伏發(fā)電消耗量與光伏發(fā)電總量之比，見公式(21)。

鑒于較高的儲(chǔ)能成本，為了推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)也正在積極探索儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)貼的合理方案。見表3。

表3 達(dá)到S1或S2對(duì)應(yīng)的NPV所要給予的補(bǔ)貼

目前主要有兩種方案：一是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始裝機(jī)容量進(jìn)行補(bǔ)貼，第二種是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的實(shí)際放電量。本文以5 kW光伏+6.5 kWh電池的光儲(chǔ)系統(tǒng)為例，討論不同補(bǔ)貼方式對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響，特別是對(duì)退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的NPV的影響。

圖8和圖9分別顯示了S3的NPV對(duì)基于儲(chǔ)能系統(tǒng)初始容量補(bǔ)貼和儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼的依賴性。

在圖8中，新鋰離子電池和梯次利用電池，不是按照相同比例在增加，因?yàn)樵谡麄€(gè)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)，新鋰離子電池會(huì)補(bǔ)貼2次，梯次利用電池會(huì)補(bǔ)貼4次。而在圖9中，無論是新鋰離子電池還是梯次利用電池都是基于5.2 kWh的有效放電量。政府決策者可能會(huì)更傾向于基于儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼，因?yàn)檫@樣也可以減輕他們的財(cái)務(wù)壓力。表3顯示了達(dá)到S1或S2對(duì)應(yīng)的NPV所要給予的補(bǔ)貼。S3-LIB要達(dá)到S2的NPV，如果按基于初始容量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以1.287 4元/kWh，補(bǔ)貼8 372元，每10年補(bǔ)貼一次。如果按照基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.725 8元/kWh，每年補(bǔ)貼1 246元；而S3-LIB2nd要達(dá)到S2的NPV，如果按基于初始容量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.248 4元/kWh進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)貼1 615元，每5年一次。如果按照基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，需要以0.236 6元/kWh，每年補(bǔ)貼為406元。從以上分析可以看出，基于放電量進(jìn)行補(bǔ)貼，政府長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)壓力是小的。而且從政府層面而言，更應(yīng)該提倡“光伏+梯次利用電池儲(chǔ)能”，因?yàn)樗璧奶荽卫秒姵貎?chǔ)能補(bǔ)貼資金更少。

圖8 S3模式的NPV對(duì)基于儲(chǔ)能系統(tǒng)初始容量補(bǔ)貼的依賴性

圖9 S3的NPV對(duì)基于儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量補(bǔ)貼的依賴性

4 結(jié)論

本文研究了陜西省西安市梯次利用電池在戶用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，以NPV為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)論如下：

1）基于該地區(qū)較低的戶用電價(jià)以及較小的峰谷電價(jià)差，由于電池初始成本過高，戶用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)目前仍然無法與單光伏系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。

2）雖然梯次電池在性能和壽命上不如新鋰離子電池，但其初始成本更低，梯次利用電池比新鋰離子電池更具競(jìng)爭(zhēng)性。

3）戶用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣離不開政府對(duì)電池的補(bǔ)貼。采用基于梯次利用電池儲(chǔ)能放電量進(jìn)行補(bǔ)貼的方案是合理的，因?yàn)檎斗诺膬?chǔ)能補(bǔ)貼資金更少。