低碳场景下光储充联合系统经济性分析

易 林 ，何 格 ，刘从超 ，詹玖远 ，唐春华 ，杨海龙 ，罗泽高

（1.国网重庆市电力公司市北供电分公司，重庆 渝北 401147;2.国网重庆市电力公司城口供电分公司，重庆 城口 405999）

在加快建设新基建的背景下，电动汽车和分布式新能源呈现快速发展趋势：2022 年1 月，国家发展改革委等10 个国家部委联合发布《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》，要求加快推进居住社区充电设施建设安装，提升城乡地区充换电保障能力；
2022 年5 月，国家发展改革委、国家能源局联合发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》，明确要提高配电网智能化水平，着力提高配电网接入分布式新能源的能力。

当前，充换电基础设施和清洁能源在广大农村地区也取得快速发展。以重庆市城口县为例，该县位于重庆市最北端，是连接陕川渝三省市的革命老区和边区，目前该县已建成2 座直流换电站、140个交流充电桩，实现25 个乡镇充电站基础设施全覆盖。同时，该县结合当地风、光等清洁能源资源禀赋条件，加快发展清洁能源产业，建成重庆首座“零碳”供电所，投运30 MW 集中式光伏和1.1 MW屋顶光伏，“十四五”期间规划建设约400 MW 风力发电和光伏发电。

在电动汽车和清洁能源快速发展的同时，废旧电池储能梯级利用和电网安全稳定冲击问题值得关注：一方面，当电动汽车电池储能实际容量低于额定容量的一定限度时（通常为80%），其将不再满足电动汽车的动力需求，废旧电池直接淘汰将造成资源的严重浪费和环境污染；
另一方面，受自然禀赋的影响与限制，光伏发电等具有随机性、波动性等出力特性，大规模新能源并网将对相对薄弱的农村电网的安全稳定经济运行带来挑战[1-2]。随着电动汽车及新能源的快速发展，如何考虑退役电池储能系统的有效利用及分布式新能源的友好并网，对于环境保护及电网安全运行具有研究意义。

近年来，国内外学者对电池储能利用及新能源并网问题进行了研究，并取得了一定的研究成果。文献[3]基于低碳视角，建立了以含风电电力系统发电成本及碳排放量最小的多目标经济调度模型，但未考虑储能设备的应用场景。文献[4]分析了储能技术在虚拟电厂中的具体作用，探讨了储能技术在提高可再生能源利用率、优化出力特性等方面的作用。文献[5]提出将分布式风电机组与储能设备构成虚拟电厂参与电力系统运行，并建立了计及虚拟电厂的电力系统优化调度模型；
文献[6]提出了以一种考虑电池梯级利用的快速充电站容量优化配置方法，但没有考虑电池储能参与电动汽车充换电的节能减排效益。

本文以农村地区电动汽车退役电池梯级利用及分布式光伏就近消纳为研究背景，以“光储充”联合运行的电动汽车充电站为研究对象，如图1 所示，在“双碳”目标背景下，分析了该应用场景下联合系统的投资等年值、年运行成本、延缓电网升级改造效益、节能减排收益和年发电收益，提出了经济效益分析模型，并以重庆市某充电站为例，对提出的模型有效性进行验证。

图1 联合系统应用场景示意图

1.1 目标函数

本文从光储充联合系统的经济性角度出发，分析屋顶光伏、电池储能在充换电站优化利用的经济效益。模型的目标函数包含光伏发电与电池储能投资成本、年运行成本、延缓电网升级改造效益、节能减排收益和年发电收益，其数学表达式如式（1）所示：

式中：R为联合系统总收益；
RD为延缓电网升级改造的年效益；
RE为节能减排年效益；
RF为年发电收益；
FB为电池储能投资等年值；
FK为电池储能的年固定运行费；
FPV为光伏发电投资成本等年值。

1.1.1 延缓电网升级改造的年效益

联合系统中的电池储能系统具有充放电的功率双向流动功能，可作为充电站与配电网之间的缓冲层，增强传统配电网的柔性。通过电池储能在电动汽车充电高峰时放电、充电低谷时充电，可有效平抑充电尖峰负荷，进而可延缓电网升级改造，其经济效益RD评估为：

式中：EB为电池储能额定容量；
γ 为单位扩建容量建设费用；
λ 为年利率；
YB为电池储能运行寿命。

1.1.2 节能减排年效益

联合系统的光伏发电系统所发电量可供电动汽车充电或上网，在低碳背景下，其所发清洁电量的节能减排效益RE评估如下：

式中：PPV(t)为光伏发电在t时刻的出力；
ξ 为单位发电量的碳减排折算系数；
KC为碳交易价格。

1.1.3 发电年效益

联合系统在运行过程中，光伏发出的电一部分用于上网，一部分用于电动汽车充电，其上网和充电使用的比例，可以通过电池储能系统进行调节。系统发电年效益计算如下：

式中：εH、KH分别为发电量上网的比例和上网电价；
εL、KL分别为发电量充电的比例和充电电价。

1.1.4 电池储能投资等年值

电池储能投资等年值计算如下：

式中：KP、KE分别为电池储能单位功率、电量容量成本；
PB为电池储能的功率容量；
r为贴现率；
C(r,YB)为等年值系数。

1.1.5 电池储能年固定运行费用

电池储能年固定运行费用计算如下：

式中：KK、KV分别为电池储能的单位功率和单位电量容量年运行维护费用。

1.1.6 光伏发电投资成本等年值

光伏发电投资等年值计算如下：

式中：KPV为光伏发电的单位功率成本；
PPV为光伏发电的额定装机容量；
YPV为光伏发电设计使用年限；
η 为光伏发电年运行维护费率；
C(r,YPV)为等年值系数，计算同式（6）。

1.2 约束条件

1.2.1 系统功率平衡约束

式中：PG(t)为t时刻电网下网或上网功率；
PPV(t)为光伏发电在t时刻的出力；
PB(t)为电池储能在t时刻的充放电功率；
PL(t)为电动汽车在t时刻的充电负荷。.

1.2.2 光伏发电运行约束

1.2.3 电池储能运行力约束

电池储能运行过程中，其应满足以下约束条件：

式中：EB(t)为电池储能在t时刻所存储的电量值；
E0为初始储存电量值；
EBmin为电池储能存储电量的下限值；
ηc、ηd为充放电效率；
µ1、µ2为电池储能充放电状态变量：充电时，µ1=1，µ2=0；
放电时，µ1=0，µ2=1。

本文以重庆市某充电站为例开展联合系统经济评估分析，该充电站配置10 台7 kW 充电枪，利用充电站车棚及屋顶建设150 kW 分布式光伏，配置功率为50 kW、150 kW·h 的电池储能，电池储能使用寿命YB取4 年，不考虑充放电损失；
光伏发电设计使用寿命YPV取20 年，年运行维护费率取2%；
单位电量的碳减排折算系数 ξ 取0.9 t/MW·h，碳交易价格KC取为50 元/t；
电池储能初始存储能量E0设为0.5EB[7]，使其具有充分的上调和下调容量空间；
存储电量的下限值EBmin为0.1EB；
其余测算参数如表1 所示[6,8]。

表1 测算参数

2.1 光伏发电出力特性分析

该联合系统中6 月光伏日发电量如图2 所示。由图2 可知，光伏发电受天气及温度影响较大，其中天气主要影响太阳能辐射大小，温度主要影响光伏电池板散热特性。在天气方面，对6 月每日发电量按照晴、多云、阴、雨4 类天气分类并进行分析，晴天单日发电量普遍较高，多云天气单日发电量相较晴天减少幅度不大且个别多云天气优于晴天，阴、雨天气单日发电量减小速度最快。晴天日均发电量为758 kW·h，多云日均发电量为647 kW·h（占晴天85%），阴天日均发电量为458 kW·h（占晴天60%），雨天日均发电量为350 kW·h（占晴天46%）。在温度方面，相同天气条件下（太阳能辐射量基本相同），光伏发电量随平均温度呈现倒“V”型变化：在温度较低时，发电量随着温度增加而增加；
在达到最佳温度后，发电量随着温度增加呈现减小趋势，主要是由于温度过高引起光伏组件、逆变器等电子元件发热，增加发热损耗，影响设备性能，从而降低光伏组件的发电量。从统计数据看，该联合系统光伏发电项目的最佳平均运行温度区间约为23～25 °C。

图2 联合系统光伏日发电量（6 月）

2.2 联合系统经济效益分析

按照本文提出的联合系统经济效益分析模型，对该应用场景下的电池储能进行效益测算。其中，对于光伏发电充电比例按照最不利情况进行分析，即发电量充电比例取储能功率占光伏装机容量的比值。各主要测算指标如表2 所示。

由表2 可知，该应用场景下联合系统年总收益为4.03 万元，其中延缓电网升级改造的年效益为其主要的收益点，占总收入约55.2%；
其次为发电年效益，占总收入约41.6%；
节能减排年收益占比最小，约为3.2%。

表2 电池储能经济分析数据

上述经济效益是发电量充电比例按照储能功率占光伏装机容量的比值得出的分析，由于该充电比例取值未考虑光伏发电出力与充电负荷的相关性，为最不利条件下的测算结果。在实际运行过程中，通过优化电池储能充放电策略，可提高光伏发电量充电利用比例，从而进一步提高联合系统的经济效益。同时，随着我国碳交易市场的逐步完善，可以预见节能减排年收益将逐步提升，其将成为新的收益增长点。

2.3 电池储能使用寿命灵敏度分析

电池储能投资占联合系统投资成本的比重较大，电池储能的使用寿命是影响其投资成本的关键参数之一。图3 为电池储能不同使用寿命下的主要经济指标变化趋势。

由图3 可知，随着电池储能使用寿命的降低，储能投资等年值增大，延缓系统升级效益减小，联合系统年总收益也逐渐降低，其收益过零点约为3.42 年。实际上，电池储能使用寿命与其充放电行为密切相关，放电深度越深其调节能力越明显，发电量的充电利用占比可提升，年发电收益增大，但其循环使用寿命越低导致储能投资等年值增大；
另一方面，电池储能容量配置规模越大其初始投资越大，但大容量规模一定程度使得单次充放电深度降低从而延长电池储能使用寿命，一定程度降低初始投资等年值。因此，为最大化联合系统经济效益，在配置电池储能时应对电池储能容量配置规模及充放电行为进行优化选择。

图3 不同使用寿命下主要经济指标变化趋势

电动汽车和清洁能源发电的不断发展为电动汽车退役电池在光储充联合系统中有效利用提供了新的契机。本文针对电动汽车退役的电池储能循环利用以及光伏发电的出力特性改善需求，建立了光储充联合系统的经济效益分析模型。算例表明，在“双碳”建设目标下，光储充联合运行场景能够有效地延缓电网改造升级，具有良好的发电效益和一定的节能减排效益。该系统的经济效益受电池储能使用寿命的影响较大，在具体配置时应对电池储能容量配置规模及充放电行为进行优化选择，也是后续可以进一步开展的研究内容。