基于经济成本的光伏电站储能容量配置分析
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[摘要]太阳能是一种可再生新资源，太阳能发电是直接将光能转变成电能的发电方式，光伏发电是太阳光发电的主流，利用太阳能级半导体电子器件，有效吸收太阳光辐射能，转变成电能。光伏发电具有不确定性和随机性，使供电也出现较大幅度的随机性变化，系统在并网运行中产生瞬时功率就会大幅波动，影响供电质量、供电的稳定性和可靠性。将储能技术引入光伏发电系统中，为平抑光伏出力的波动提供可能，光伏发电站要维持经济运行，满足出力波动性的要求，需要合理选择储能容量。
[关键词]经济成本;光伏电站;储能容量配置
[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2019.08
光伏发电有随机性、波动性和间歇性，储能装置发挥着重要的作用，对于维持系统的稳定、电力的品质和保证能量备用有重要的意义。因此在考虑经济成本和电网调度要求的基础上，优化光伏电站储能容量配置十分必要。本次基于经济成本的问题提出成本经济函数，考虑储能电池的容量问题、充放电最大功率的约束，以及调度计划，可以满足出力波动性的限制，也能够保证光伏电站的经济性，优化目标函数，确定最优储能容量，为光伏电站的储能配置提供参考。
1 储能电池的容量优化
本次对储能电池容量配置的优化，目的是实现最优的经济成本，同时也是以满足调度要求的基础为基础。本次研究构建成本函数，同时考虑光储能站弃电能量和储能电池的成本问题。光伏电站出力和参考出力波动的最大值依据调度中心的要求，对函数进行优化，满足经济成本的需求，获得最小投资下的最优储能容量，实现经济效益的最优化。
由于储能电池容量的限制，以及最大充放电功率的约束，光储电站在发电时必然会出现能量的损失[1-2]，损失主要包括：第一，在电池充电状态下，t时间充满储能电池，不能继续充入多余，只能舍弃。这部分舍弃的能量为S1。公式表示为：
第二，电池充电的t时刻，当实测出力和参考出力的差值高于，最大充电功率是储能电池充电的限制条件，超出部分不能冲入，就需要舍弃這部分表示为S2。公式表示为：。
第三，在电池放电状态，当达到放电深度，放电停止，多余电能就要舍弃。这部分舍弃的电能为S3。公式表示为。
第四，当实测出力和参考出力的差值低于-，放电受到最大放电功率的约束，超出部分就不能释放，只能舍弃，这部分舍弃的电能为S4[3]。公式表示为：
储能电池放电深度用D表示，储能额定容量用E表示，储能电池放电深度取值0.3，公式为。
光伏电站出力波动需要平抑，电池储能技术不同，就会有不同的平抑效果，计算综合成本，运行和维护成本用COM表示，投资成本用表示，储能系统容量为E，储能系统最大输出功率为Pmax。公本文考虑到建设成本的问题，储能电池使用钒电池，充电效率为0.7，投资成本和运行维修成本COM之和，就是储能电池的成本C。[4]目标函数为储能电池成本和弃电能量之和，公式为：。最大充放电的功率、储能容量、光储出力波动性是目标函数的约束条件。
储能容量约束表示为：。
出力波动性约束表现为光储联合出力和参考出力之差，以表示置信水平，最大波动允许值表示为，t时间光储联合出力表示为，约束条件表示为：
最大充放电功率的约束条件表示为：。
2 算例分析
依据NREL光伏观测站的一日实测数据，使用735个观测点，进行二次拟合。出力参考值从中获取。根据经济性的要求，计算最优的储能容量。进行算例分析，假设有光伏电站的总装机容量为25MW，为5MW，为5MW，Wc和Wd分别为0.7，D为0.3，a1和a2分别为1，b1和b2分别是4和0.33。计算在不同波动性约束条件下，经济型函数和最佳的储能容量。实际出力和参考出力都有较大的波动性，要平抑出力波动需要使用储能装置。随着储能容量的增加，弃电能量不断下降，随着储能容量的增加，储能成本也不断上升，随着储能容量的增加，目标函数显示先减少然后增加。通过优化算法，能够保证经济成本和最佳的储能容量。显示，平均每天电池满充满放大约两次，曲线波动小的同时也可以保证电池的寿命。
假设在光伏电站调度中心中，要求波动性为5%和10%，使用同样的方法对两种情况进行优化，以最佳储能容量为基础，计算其经济性的目标函数，保证其经济成本。在不同波动性下，计算系统优化结果，5%波动性约束条件下，储能成本为7.55万美元，弃电损失2.55万美元，最佳储能容量为3.42 MW。在10%波动性约束条件下，储能成本为7.24万美元，弃电损失2.63万美元，最佳储能容量为3.38MW。在没有波动性约束条件下，储能成本为7.13万美元，弃电损失2.71万美元，最佳储能容量为3.29MW。对出力波动性的要求越小，弃电损失也会减少，光储联合出力与出力参考值越接近。但同时需要的最佳储能容量增加，储能成本也会上升，相对应的储能电池荷电状态就会有更大的波动性，降低储能电池的寿命[5]。
总之，在基于经济成本的条件下，分析光伏电站储能容量的配置，依据经济性和储能容量的选择，提出相应的目标函数。通过算例反映出本次使用的优化模型能够达到相应的效果，在保证系统经济成本的同时，尽可能将输出功率平滑输出，将现有电网的运行调度和光伏出力相结合，提升对光伏出力的接纳能力。波动性越小，最佳储能容量越大，光储电站的经济性也越差。
参考文献：
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