易 林 ，何 格 ，劉從超 ，詹玖遠 ，唐春華 ，楊海龍 ，羅澤高

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 渝北 401147;2.國網(wǎng)重慶市電力公司城口供電分公司，重慶 城口 405999）

在加快建設(shè)新基建的背景下，電動汽車和分布式新能源呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢：2022 年1 月，國家發(fā)展改革委等10 個國家部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進一步提升電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實施意見》，要求加快推進居住社區(qū)充電設(shè)施建設(shè)安裝，提升城鄉(xiāng)地區(qū)充換電保障能力；2022 年5 月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》，明確要提高配電網(wǎng)智能化水平，著力提高配電網(wǎng)接入分布式新能源的能力。

當(dāng)前，充換電基礎(chǔ)設(shè)施和清潔能源在廣大農(nóng)村地區(qū)也取得快速發(fā)展。以重慶市城口縣為例，該縣位于重慶市最北端，是連接陜川渝三省市的革命老區(qū)和邊區(qū)，目前該縣已建成2 座直流換電站、140個交流充電樁，實現(xiàn)25 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)充電站基礎(chǔ)設(shè)施全覆蓋。同時，該縣結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)、光等清潔能源資源稟賦條件，加快發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)，建成重慶首座“零碳”供電所，投運30 MW 集中式光伏和1.1 MW屋頂光伏，“十四五”期間規(guī)劃建設(shè)約400 MW 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。

在電動汽車和清潔能源快速發(fā)展的同時，廢舊電池儲能梯級利用和電網(wǎng)安全穩(wěn)定沖擊問題值得關(guān)注：一方面，當(dāng)電動汽車電池儲能實際容量低于額定容量的一定限度時（通常為80%），其將不再滿足電動汽車的動力需求，廢舊電池直接淘汰將造成資源的嚴重浪費和環(huán)境污染；另一方面，受自然稟賦的影響與限制，光伏發(fā)電等具有隨機性、波動性等出力特性，大規(guī)模新能源并網(wǎng)將對相對薄弱的農(nóng)村電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶來挑戰(zhàn)[1-2]。隨著電動汽車及新能源的快速發(fā)展，如何考慮退役電池儲能系統(tǒng)的有效利用及分布式新能源的友好并網(wǎng)，對于環(huán)境保護及電網(wǎng)安全運行具有研究意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對電池儲能利用及新能源并網(wǎng)問題進行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻[3]基于低碳視角，建立了以含風(fēng)電電力系統(tǒng)發(fā)電成本及碳排放量最小的多目標(biāo)經(jīng)濟調(diào)度模型，但未考慮儲能設(shè)備的應(yīng)用場景。文獻[4]分析了儲能技術(shù)在虛擬電廠中的具體作用，探討了儲能技術(shù)在提高可再生能源利用率、優(yōu)化出力特性等方面的作用。文獻[5]提出將分布式風(fēng)電機組與儲能設(shè)備構(gòu)成虛擬電廠參與電力系統(tǒng)運行，并建立了計及虛擬電廠的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；文獻[6]提出了以一種考慮電池梯級利用的快速充電站容量優(yōu)化配置方法，但沒有考慮電池儲能參與電動汽車充換電的節(jié)能減排效益。

本文以農(nóng)村地區(qū)電動汽車退役電池梯級利用及分布式光伏就近消納為研究背景，以“光儲充”聯(lián)合運行的電動汽車充電站為研究對象，如圖1 所示，在“雙碳”目標(biāo)背景下，分析了該應(yīng)用場景下聯(lián)合系統(tǒng)的投資等年值、年運行成本、延緩電網(wǎng)升級改造效益、節(jié)能減排收益和年發(fā)電收益，提出了經(jīng)濟效益分析模型，并以重慶市某充電站為例，對提出的模型有效性進行驗證。

圖1 聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用場景示意圖

1 經(jīng)濟性分析模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

本文從光儲充聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟性角度出發(fā)，分析屋頂光伏、電池儲能在充換電站優(yōu)化利用的經(jīng)濟效益。模型的目標(biāo)函數(shù)包含光伏發(fā)電與電池儲能投資成本、年運行成本、延緩電網(wǎng)升級改造效益、節(jié)能減排收益和年發(fā)電收益，其數(shù)學(xué)表達式如式（1）所示：

式中：R為聯(lián)合系統(tǒng)總收益；RD為延緩電網(wǎng)升級改造的年效益；RE為節(jié)能減排年效益；RF為年發(fā)電收益；FB為電池儲能投資等年值；FK為電池儲能的年固定運行費；FPV為光伏發(fā)電投資成本等年值。

1.1.1 延緩電網(wǎng)升級改造的年效益

聯(lián)合系統(tǒng)中的電池儲能系統(tǒng)具有充放電的功率雙向流動功能，可作為充電站與配電網(wǎng)之間的緩沖層，增強傳統(tǒng)配電網(wǎng)的柔性。通過電池儲能在電動汽車充電高峰時放電、充電低谷時充電，可有效平抑充電尖峰負荷，進而可延緩電網(wǎng)升級改造，其經(jīng)濟效益RD評估為：

式中：EB為電池儲能額定容量；γ 為單位擴建容量建設(shè)費用；λ 為年利率；YB為電池儲能運行壽命。

1.1.2 節(jié)能減排年效益

聯(lián)合系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量可供電動汽車充電或上網(wǎng)，在低碳背景下，其所發(fā)清潔電量的節(jié)能減排效益RE評估如下：

式中：PPV(t)為光伏發(fā)電在t時刻的出力；ξ 為單位發(fā)電量的碳減排折算系數(shù)；KC為碳交易價格。

1.1.3 發(fā)電年效益

聯(lián)合系統(tǒng)在運行過程中，光伏發(fā)出的電一部分用于上網(wǎng)，一部分用于電動汽車充電，其上網(wǎng)和充電使用的比例，可以通過電池儲能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)發(fā)電年效益計算如下：

式中：εH、KH分別為發(fā)電量上網(wǎng)的比例和上網(wǎng)電價；εL、KL分別為發(fā)電量充電的比例和充電電價。

1.1.4 電池儲能投資等年值

電池儲能投資等年值計算如下：

式中：KP、KE分別為電池儲能單位功率、電量容量成本；PB為電池儲能的功率容量；r為貼現(xiàn)率；C(r,YB)為等年值系數(shù)。

1.1.5 電池儲能年固定運行費用

電池儲能年固定運行費用計算如下：

式中：KK、KV分別為電池儲能的單位功率和單位電量容量年運行維護費用。

1.1.6 光伏發(fā)電投資成本等年值

光伏發(fā)電投資等年值計算如下：

式中：KPV為光伏發(fā)電的單位功率成本；PPV為光伏發(fā)電的額定裝機容量；YPV為光伏發(fā)電設(shè)計使用年限；η 為光伏發(fā)電年運行維護費率；C(r,YPV)為等年值系數(shù)，計算同式（6）。

1.2 約束條件

1.2.1 系統(tǒng)功率平衡約束

式中：PG(t)為t時刻電網(wǎng)下網(wǎng)或上網(wǎng)功率；PPV(t)為光伏發(fā)電在t時刻的出力；PB(t)為電池儲能在t時刻的充放電功率；PL(t)為電動汽車在t時刻的充電負荷。.

1.2.2 光伏發(fā)電運行約束

1.2.3 電池儲能運行力約束

電池儲能運行過程中，其應(yīng)滿足以下約束條件：

式中：EB(t)為電池儲能在t時刻所存儲的電量值；E0為初始儲存電量值；EBmin為電池儲能存儲電量的下限值；ηc、ηd為充放電效率；μ1、μ2為電池儲能充放電狀態(tài)變量：充電時，μ1=1，μ2=0；放電時，μ1=0，μ2=1。

2 算例分析

本文以重慶市某充電站為例開展聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟評估分析，該充電站配置10 臺7 kW 充電槍，利用充電站車棚及屋頂建設(shè)150 kW 分布式光伏，配置功率為50 kW、150 kW·h 的電池儲能，電池儲能使用壽命YB取4 年，不考慮充放電損失；光伏發(fā)電設(shè)計使用壽命YPV取20 年，年運行維護費率取2%；單位電量的碳減排折算系數(shù) ξ 取0.9 t/MW·h，碳交易價格KC取為50 元/t；電池儲能初始存儲能量E0設(shè)為0.5EB[7]，使其具有充分的上調(diào)和下調(diào)容量空間；存儲電量的下限值EBmin為0.1EB；其余測算參數(shù)如表1 所示[6,8]。

表1 測算參數(shù)

2.1 光伏發(fā)電出力特性分析

該聯(lián)合系統(tǒng)中6 月光伏日發(fā)電量如圖2 所示。由圖2 可知，光伏發(fā)電受天氣及溫度影響較大，其中天氣主要影響太陽能輻射大小，溫度主要影響光伏電池板散熱特性。在天氣方面，對6 月每日發(fā)電量按照晴、多云、陰、雨4 類天氣分類并進行分析，晴天單日發(fā)電量普遍較高，多云天氣單日發(fā)電量相較晴天減少幅度不大且個別多云天氣優(yōu)于晴天，陰、雨天氣單日發(fā)電量減小速度最快。晴天日均發(fā)電量為758 kW·h，多云日均發(fā)電量為647 kW·h（占晴天85%），陰天日均發(fā)電量為458 kW·h（占晴天60%），雨天日均發(fā)電量為350 kW·h（占晴天46%）。在溫度方面，相同天氣條件下（太陽能輻射量基本相同），光伏發(fā)電量隨平均溫度呈現(xiàn)倒“V”型變化：在溫度較低時，發(fā)電量隨著溫度增加而增加；在達到最佳溫度后，發(fā)電量隨著溫度增加呈現(xiàn)減小趨勢，主要是由于溫度過高引起光伏組件、逆變器等電子元件發(fā)熱，增加發(fā)熱損耗，影響設(shè)備性能，從而降低光伏組件的發(fā)電量。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，該聯(lián)合系統(tǒng)光伏發(fā)電項目的最佳平均運行溫度區(qū)間約為23～25 °C。

圖2 聯(lián)合系統(tǒng)光伏日發(fā)電量（6 月）

2.2 聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

按照本文提出的聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析模型，對該應(yīng)用場景下的電池儲能進行效益測算。其中，對于光伏發(fā)電充電比例按照最不利情況進行分析，即發(fā)電量充電比例取儲能功率占光伏裝機容量的比值。各主要測算指標(biāo)如表2 所示。

由表2 可知，該應(yīng)用場景下聯(lián)合系統(tǒng)年總收益為4.03 萬元，其中延緩電網(wǎng)升級改造的年效益為其主要的收益點，占總收入約55.2%；其次為發(fā)電年效益，占總收入約41.6%；節(jié)能減排年收益占比最小，約為3.2%。

表2 電池儲能經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)

上述經(jīng)濟效益是發(fā)電量充電比例按照儲能功率占光伏裝機容量的比值得出的分析，由于該充電比例取值未考慮光伏發(fā)電出力與充電負荷的相關(guān)性，為最不利條件下的測算結(jié)果。在實際運行過程中，通過優(yōu)化電池儲能充放電策略，可提高光伏發(fā)電量充電利用比例，從而進一步提高聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。同時，隨著我國碳交易市場的逐步完善，可以預(yù)見節(jié)能減排年收益將逐步提升，其將成為新的收益增長點。

2.3 電池儲能使用壽命靈敏度分析

電池儲能投資占聯(lián)合系統(tǒng)投資成本的比重較大，電池儲能的使用壽命是影響其投資成本的關(guān)鍵參數(shù)之一。圖3 為電池儲能不同使用壽命下的主要經(jīng)濟指標(biāo)變化趨勢。

由圖3 可知，隨著電池儲能使用壽命的降低，儲能投資等年值增大，延緩系統(tǒng)升級效益減小，聯(lián)合系統(tǒng)年總收益也逐漸降低，其收益過零點約為3.42 年。實際上，電池儲能使用壽命與其充放電行為密切相關(guān)，放電深度越深其調(diào)節(jié)能力越明顯，發(fā)電量的充電利用占比可提升，年發(fā)電收益增大，但其循環(huán)使用壽命越低導(dǎo)致儲能投資等年值增大；另一方面，電池儲能容量配置規(guī)模越大其初始投資越大，但大容量規(guī)模一定程度使得單次充放電深度降低從而延長電池儲能使用壽命，一定程度降低初始投資等年值。因此，為最大化聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟效益，在配置電池儲能時應(yīng)對電池儲能容量配置規(guī)模及充放電行為進行優(yōu)化選擇。

圖3 不同使用壽命下主要經(jīng)濟指標(biāo)變化趨勢

3 結(jié)束語

電動汽車和清潔能源發(fā)電的不斷發(fā)展為電動汽車退役電池在光儲充聯(lián)合系統(tǒng)中有效利用提供了新的契機。本文針對電動汽車退役的電池儲能循環(huán)利用以及光伏發(fā)電的出力特性改善需求，建立了光儲充聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析模型。算例表明，在“雙碳”建設(shè)目標(biāo)下，光儲充聯(lián)合運行場景能夠有效地延緩電網(wǎng)改造升級，具有良好的發(fā)電效益和一定的節(jié)能減排效益。該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益受電池儲能使用壽命的影響較大，在具體配置時應(yīng)對電池儲能容量配置規(guī)模及充放電行為進行優(yōu)化選擇，也是后續(xù)可以進一步開展的研究內(nèi)容。