Economic Value of PV Energy Storage Using Batteries of Battery Switch Stations

1、年利用電池交換站的蓄電池進(jìn)行光伏儲能的經(jīng)濟(jì)性的研究摘要：日本政府對本國電力行業(yè)設(shè)立了一個目標(biāo)：到2030年使用光伏發(fā)電量達(dá)到53萬兆瓦。為了實現(xiàn)大規(guī)模引進(jìn)光伏發(fā)電，用抽水蓄能或者電池的形式進(jìn)行大容量存儲光伏電站產(chǎn)生的剩余電力。與此同時，在交通運輸方面，電動車作為環(huán)保的交通工具正在逐步發(fā)展。為了促進(jìn)電動汽車的普及，我們需要短時間內(nèi)能夠給電動汽車充電的基礎(chǔ)設(shè)施；電池交換站這就是解決這個問題的一種方法。本文（1）提出了使用電站電池作為從光伏發(fā)電中產(chǎn)生的剩余電量的儲存介質(zhì)，（2）提出了兩個相關(guān)分析。在第一個分析中，我們計算出了電池和逆變器使用最佳發(fā)電組合模型所產(chǎn)生的邊際價值。第二個分析中，我們制定了逆

2、變器和電池的年度租金，并計算出了這些設(shè)備的最佳裝機容量。結(jié)果表明隨著逆變器/電池容量的增加，逆變器/電池的邊際價值會減少。邊際價值的直線與年度租賃費直線的交點就是逆變器/電池的最佳裝機容量。電站通過把電池出租給公共事業(yè)來獲得額外收入。關(guān)鍵詞：電池交換站，經(jīng)濟(jì)價值，電動車，光伏電池，剩余電力引言日本政府對本國電力行業(yè)設(shè)立了一個目標(biāo)：到2030年光伏能源的使用量達(dá)到53000。然而，大規(guī)模引進(jìn)光伏電池會給電力系統(tǒng)帶來一些問題：配電網(wǎng)電壓升高、輸出波動、電能過剩。這些問題中，電力過剩的費用在日本電力系統(tǒng)引進(jìn)光伏發(fā)電的總成本中占有很大份額。如果多余電力出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中，需要將其存儲然后再輸入到電網(wǎng)?？?/p>

3、之，我們需要大存儲容量的抽水蓄能系統(tǒng)或電池，但是這些電站的建設(shè)成本非常高。與此同時，在交通運輸方面，電動車作為環(huán)保的交通工具正在逐步發(fā)展。為了促進(jìn)電動汽車的普及，需要建設(shè)給電池充電的基礎(chǔ)設(shè)施。尤其是，快速充電是一個關(guān)鍵因素。電池交換站是這個問題的一個解決方法。在交換站，自動交換平臺用充滿電的電池?fù)Q下耗盡的電池并把耗盡的電池放置在儲藏室進(jìn)行重新充電以便于給其他司機使用。這意味著交換站需要擁有一定數(shù)量的電池。在以前的研究中，我們曾經(jīng)提出用交換站電池儲存光伏發(fā)電的剩余電力并評估了假定在電池和逆變器都具有恒定容量條件下的經(jīng)濟(jì)價值。另外，在文獻(xiàn)【3】中得到的經(jīng)濟(jì)價值包括電池和逆變器的共同價值。相比之下，

4、這篇文章闡述了在不同情況、不同電池容量和逆變器容量的的價值。電力存儲的經(jīng)濟(jì)價值在早期的文獻(xiàn)【4】和【5】中進(jìn)行了分析。電力系統(tǒng)在車輛電網(wǎng)（V2G）的貢獻(xiàn)見文獻(xiàn)【6】【8】，用于控制充電式混合動力電動汽車的充電電源的方案在【9】和【10】中提出，他們主要針對家庭充電電池，其中包括電動車車主的的不確定性行為。在這項研究中，公用事業(yè)公司可以排除的電動車車主的不確定性和對電池的充放電進(jìn)行統(tǒng)一管理。本研究的出發(fā)點是對電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)的研究。電站的充放電控制圖1說明了在控制信號的作用下電池的充放電。通過發(fā)送一個控制信號x，電網(wǎng)運營商可以控制充、放電功率。圖中，虛線上方的區(qū)域表示在充電狀態(tài)，虛線下方的區(qū)

5、域表示放電狀態(tài)。我們建立了控制規(guī)律，使各站可以得到電池轉(zhuǎn)換的日常所需電量：1）控制信號x在24小時的積分值等于預(yù)設(shè)值X，公式如下： （1）2）各站設(shè)定最大的充電功率以保證他們擁有日常所需的電量，公式如下： （2）圖1 控制信號的充放電X是控制信號x在24h的積分；是當(dāng)控制功率是1KW時的充電功率；是電池交換的日常所需充電電量（kWh/day）。這些規(guī)則保證了各站滿足每天的日常充電配額。電網(wǎng)運營商獲取每個充電站充電功率的最大值，通過公式（2）計算出控制信號x，并把控制相同的信號x發(fā)送到各個充電站。使用相同的控制信號的好處是公共事業(yè)公司可以把好多充電站視為一個，例如：一個被控對象。公共事業(yè)公司在充

6、電時可以用電池儲存多余電量，放電時可以把電池視為峰值提供者或者產(chǎn)生備用電量。這個系統(tǒng)的優(yōu)點是有能力達(dá)到最佳運行狀態(tài)，給電動車主提供便利。日本乘用車的年度總里程在2007年度達(dá)到了5830億公里。參考文章12，我們設(shè)定了7km/kWh的效率。我們可以將年度總里程數(shù)的充電效率的需求由7km/kWh轉(zhuǎn)換為83286億千瓦時/年，或者228GWh/day.假設(shè)上述電量的20的需求是由電池轉(zhuǎn)換站提供的，則每天的電量需求變?yōu)?5億千瓦時/天。模型A、 最佳發(fā)電組合模型我們用最佳發(fā)電組合模型來評估擬設(shè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值【13】，【14】。該模型通過求解線性規(guī)劃問題計算出最經(jīng)濟(jì)的運營成本和建設(shè)成本。目標(biāo)函數(shù)中的總

7、成本包括建設(shè)成本和燃料成本。問題在于 （3）中相對于和的最小化，其中TC是公用事業(yè)的年度總費用（日元）；下標(biāo)n是電廠的類型；N是電廠類型的總和；是n類電廠的裝機容量（kW）；是n類型電廠在t時刻的輸出量（kW）；代表建設(shè)成本；代表資本回收率；代表運營成本率；代表每千瓦時的燃料費（日元/千瓦時）；代表時間間隔是1h。模型中考慮四類電廠：核電廠，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）【15】，更先進(jìn)的液化天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（LNGMACC）【16】，抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。這些電廠的費用參數(shù)見表【17】。核電廠的燃料成本定為1.58日元/千瓦時【17】。通過公式（4）可以利用發(fā)電效率算出化石燃料電廠

8、的燃料成本【15】【16】；每單位重量的燃料價格【18】以及所產(chǎn)生的較高熱量值【19】見表 （4）是n型電廠的發(fā)電效率；是較高的熱值（千卡/千克）；是能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，860千卡/千瓦時；是每單位重量的燃料價格（日元/千克）。表 電廠的費用參數(shù)類型建設(shè)費用燃料價格資本回收系數(shù)運營成本率核電廠279，0001.585.8%4.0%IGCC272，0002.235.8%4.8%LNG-MACC164,0009.075.8%3.6%抽水蓄能220,000-5.8%4.0%表 燃料電廠的參數(shù)IGCCLNG-MACC發(fā)電效率48.0%53.0%燃料價格（日元/噸）7，65072，900較高的熱值（千卡/千克

9、）6,13913，043燃料價格（日元/千克）2.239.07決策變量是裝機容量和發(fā)電量；總之，該模型優(yōu)化了在電力系統(tǒng)操作約束的前提下每個電廠的裝機容量和每小時的產(chǎn)出。水電站的電力輸出是由外力決定的。圖2顯示了基于2030年前景需求的每個季節(jié)的日負(fù)荷曲線【18】【20】.表三 電廠運行參數(shù)圖2 每個季節(jié)日負(fù)荷曲線模型中考慮了以下操作約束，相關(guān)參數(shù)見表。（1） 隨時保持供需平衡。（2） 保持發(fā)出的備用電量高于需求的5。（3） 設(shè)置運轉(zhuǎn)率的上限，考慮定期檢查和維護(hù)。（4） 設(shè)置輸出變化率限額。（5） 基于公共設(shè)施的電力供應(yīng)計劃設(shè)置電廠廠房建設(shè)的上限。（6） 對于核電廠，要保證每個季節(jié)電量的恒定輸出

10、。（7） 對于抽水蓄能電廠，要保證泵送流入和流出的平衡超過一天，并設(shè)定儲水容量達(dá)到裝機容量的10倍（8） 對于IGCC，由于它不能在短時間內(nèi)立即啟動或停止，所以要設(shè)定最低輸出量為額定發(fā)電量的50。（9） 對于LNGMACC，保持負(fù)載頻率控制（LFC）的容量大于需求的2這個章節(jié)提到的最優(yōu)發(fā)電組合模型被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的規(guī)劃中。在這項研究中，我們模擬了電池交換站，并把約束添加到OPTIGEN模型，新的約束將在下節(jié)詳細(xì)討論。B、電池交換站的規(guī)劃為了減少計算時間，我們沒有模擬每個單獨的電池而是把它們作為1GWh容量的集總電池進(jìn)行模擬。在站內(nèi)儲存的電能將被減少為電動車從耗盡的電池轉(zhuǎn)換為充滿電的電池的能

11、量。我們假設(shè)該站的開放時間為7:00至22:00，在開放時間內(nèi)，儲存的能量減少量等于。為了模擬電動車到達(dá)的時間，我們采用的泊松到達(dá)模型 （5）其中，f(s)是電動車到達(dá)的概率；s為每小時交換電池的數(shù)目；為每小時交換電池的平均數(shù)目;e是是自然對數(shù)的底。用每天充電的需求量(45 GWh/day)除以運作時間（15h），我們可以得到每小時節(jié)約的能源(3 GWh/h)。換句話說，每小時交換三個電池，因為上述集總電池容量為1GWh。把平均值3帶入概率密度函數(shù)（5），我們得到泊松分布如圖（3）。通過圖（3），我們可以得到代表每小時交換電池數(shù)量的隨機數(shù)據(jù)集，如圖（4）。圖3 交換電池數(shù)量的泊松分布圖4 每小

12、時交換電池數(shù)對電池的約束如下：（1） 由于放電量包括電池交換時的能量損耗，所以要保持一天內(nèi)充放電量的平衡。 （6）其中m下標(biāo)是電池的數(shù)目;M是電池的總數(shù);T是總小時數(shù)（24）; 是m電池在時間t的充電量（千瓦）; 是m電池在時間t的放電量（千瓦）; 是充電效率；是放電效率。正如第二節(jié)所提到的，通過使用統(tǒng)一控制信號，公共電站可以把很多電站統(tǒng)一管理。在這個模型中我們使用和替代x作為決策變量。（2） 電池容量限定儲能 （8）其中是m電池在時間t時刻儲存的能量（KWh）；是電池容量1GWh；是一個布爾系數(shù)，它采用下列值：我們用布爾系數(shù)表示電池開關(guān)。因此， OPTIGEN模型已經(jīng)由原來的線性模型問題變?yōu)?/p>

13、混合整型線性模型問題。為了解決這個優(yōu)化問題，我們使用了OPL開發(fā)工作室/CPLEX算法。（3） 變頻器的容量限制充/放電功率 （9） （10）其中是變頻器的容量。（4） 交換相同數(shù)目的電池如圖5所示 （11）其中s(t)是交換電池的小時數(shù)（如圖4所示）。表IV顯示了抽水蓄能系統(tǒng)和電池的參數(shù); 電池的效率（0.81）是充電效率（0.9）和放電效率（0.9）的乘積。表 抽水蓄能系統(tǒng)和電池參數(shù)電力系統(tǒng)在設(shè)計的時候要考慮意外的設(shè)備故障以及出乎意料的增加用電量需求。因此，備用發(fā)電量受到OPTIGEN模型制約。如果遇到上述情況，電站可以停止對電池的充電轉(zhuǎn)而由電池進(jìn)行供電，或者電站儲存的老化的電池不能用于給

14、電車供電，但是可以用于存儲普通電力，可以用這些老化電池對電站進(jìn)行供電。在我們的模型中，我們把從電池中釋放出來的電量當(dāng)做發(fā)電的備用電量。通過運用上述變頻器的容量，我們可以將發(fā)電的備用電量描述如下：（12）其中是電廠的利用率；是現(xiàn)場用電率；Demand是電力需求。我們需要注意的是公式（12）的約束條件不包括光伏電站的裝機容量，因為光伏電站的發(fā)電量在很大程度上取決于天氣條件。由于研究目的是分別推導(dǎo)出電池和逆變器的經(jīng)濟(jì)價值，公式（3）中的總花費不包括這些設(shè)備的費用；換句話說，就是把這些設(shè)備的花費設(shè)置為0。如果我們增加了裝機容量，總的花費就會降低。總之，電池的經(jīng)濟(jì)價值是由電池容量的邊際價值計算出來的，它

15、等于總花費的降低與電池容量的增加的比值。逆變器的經(jīng)濟(jì)價值也可以用同樣的方式計算出來。C、假設(shè)我們假定將5300萬千瓦的光伏引進(jìn)全國的電力系統(tǒng)，如圖5所示，光伏的最大發(fā)電量在晴天時是裝機容量的80，陰天時是10。我們把一年365天分成一半晴天一半陰天，可以得到光伏的年利用率為12。這項研究假定光伏系統(tǒng)安裝在房子、工廠以及商業(yè)建筑的屋頂。因此，公式（3）中的總成本不包括光伏的初始成本，因為它們是由用戶而不是公共機構(gòu)承擔(dān)。圖5 光伏電站輸出我們進(jìn)行了兩項分析。第一項分析中，我們用電池和逆變器總?cè)萘抗潭ㄖ涤嬎愠隽穗姵睾湍孀兤鞯倪呺H價值；第二項分析中，我們設(shè)定這些設(shè)備有公共機構(gòu)付給電站的年租賃費用，計算

16、出最佳裝機容量。因此，在第二項分析中，電池和逆變器的容量作為決策變量，公式（3）中總的年度花費被改寫如下：（13）其中是逆變器的年度費用（日元/千瓦/年）; 是電池的年度費用（日元/ 千瓦時/年）。接著進(jìn)行以下三種案例的評估。1）無光伏的案例：在這種案例中，沒有使用光伏，把這種案例作為一種參考案例。2）抽水蓄能案例：抽水蓄能系統(tǒng)用作儲存光伏發(fā)電的過剩電力。3)電池案例：除了抽水蓄能系統(tǒng)，電池電站也用作儲存過剩的電力。在沒有光伏的案例和抽水蓄能的案例中，每天需要均勻的扣除從23:00到7:00的電量需求，沒有其他的控制方案。我們用年度需求總量除以每年的總成本得到每千瓦時的平均電力成本作為評價指標(biāo)

17、。如上所述，我們假設(shè)PV是由用戶而不是公共機構(gòu)所擁有，因此每年的總成本不包括光伏設(shè)備的成本。公式（14）中年度電量需求需要減去PV的年發(fā)電量，因為等式中電力系統(tǒng)的需求已經(jīng)去掉了光伏輸出。因而： （14）其中代表每千瓦時的平均電力成本（日元/千瓦時）；AD代表年度需求總量，包括圖3中的電力負(fù)荷以及電動汽車每年充電需求量（千瓦時/年）；PV代表光伏的年發(fā)電量（千瓦時/年）。、結(jié)論A、逆變器的邊際價值圖6表明逆變器的邊際價值隨著逆變器容量的增加而減少。電池容量越大，邊際價值越高。逆變器的邊際價值在很大程度上取決于電池的容量，因此需要選擇合適的電池容量使逆變器發(fā)揮最大潛能。圖7表示裝機容量變化2GW時

18、逆變器的增加情況；圖6中條形圖A、B對應(yīng)A、B兩點的結(jié)果。A點發(fā)電量的變化如圖8所示；左邊的柱狀圖表示發(fā)電需要的燃料成本，右邊的圖表示不需要燃料成本的電量：用來抽水或者給電池充電的電能來自其他電廠。在發(fā)電時人們希望降低燃料成本而不是升高，換句話說，電池輸出（放電）的增加量大于抽水蓄能系統(tǒng)輸出的減少量，這是因為電池的總效率高于抽水蓄能系統(tǒng)（見表）。我們可以得出結(jié)論：逆變器的邊際價值源于電池對抽水蓄能系統(tǒng)的替代。圖6 電池容量的邊際價值（10,50和90GWH）圖7 逆變器以2GWH的增幅，電廠裝機容量的變化圖8 A點發(fā)電量的變化另一方面，如圖7所示，在點B，LNG-MACC的容量隨著逆變器容量的

19、增加而減少，這可以用公式（12）中對備用發(fā)電量的約束來解釋。B點處，為了滿足公式（12）中在夏天對每天用電量的最大需求建造了LNG-MACC，因為它的建設(shè)成本在所有類型的電站中是最低的。事實表明，逆變器作為備用發(fā)電量作用于電力系統(tǒng)，它一直作用到公式（12）中另外的LNG-MACC建設(shè)被逆變器完全取代。在公式（12）中，考慮到電廠的利用率以及現(xiàn)場的用電量（表），1kW第二代逆變器的容量等于1.07kW的第一代LNG-MACC的容量，這時通過公式（3）可以計算出1.07kW容量的LNG-MACC年均固定成本變?yōu)?6611日元/千瓦時。我們可以看到這個值在圖6邊際價值的平坦部分。B、電池的邊際價值圖

20、9表示隨著電池容量的增加，電池的邊際價值減小。對于逆變器來講，容量越大，邊際價值越高。電池的邊際價值很大程度上取決于逆變器的容量；因此需要合理選擇逆變器容量使電池發(fā)揮最大價值。圖10表明裝機容量以10GWh進(jìn)行變化時增加了電池容量。圖9中條形圖C和D對應(yīng)著點C和D的結(jié)果，點C處隨著電池容量的增加，抽水蓄能系統(tǒng)的容量減?。幌喾?，點D處隨著抽水蓄能系統(tǒng)容量的減小，LNG-MACC的容量變大。這歸功于公式（12）中發(fā)電備用量的約束。抽水蓄能系統(tǒng)被增加的電池容量所取代，因此，在D點，進(jìn)一步的更換抽水蓄能系統(tǒng)，將導(dǎo)致備用電量的缺口。換句話說，由于電池的容量是以千瓦/小時而不是以千瓦來測量的，所以電池不能

21、作為電力供應(yīng)給電力系統(tǒng)供電，所以建立了LNG-MACC來滿足公式（12）的要求。圖9 逆變器從10GW變化到40GW對應(yīng)電池的邊際價值圖10 電池容量以10增加時，電廠裝機容量的變化C、最佳裝機容量我們設(shè)定逆變器和電池年度租賃費分別為6000日元/千瓦/年和3000日元/千瓦時/年，在這個條件下計算出了設(shè)備的最佳容量來解釋第III-C。圖11表示電站的裝機容量。由于公式（12）中發(fā)電備用量的約束，在三種案例下的裝機容量的總和幾乎是相等的。在電池供電的案例中，逆變器的裝機容量是29，電池的裝機容量為。如圖所示，從邊際價值的線（連接實心圓圈數(shù)據(jù)點的線）與每年的租賃費（虛線）的線的交叉點得到逆變器的

22、容量為；在圖中，用同樣的方法得到電池容量為。這些結(jié)果表明，公共機構(gòu)可以通過增加逆變器電池的容量減少總成本直到邊際價值與年度租賃費相等。圖電廠裝機容量圖電池容量是時逆變器的邊際價值圖逆變器容量是GWH時電池的邊際價值、日負(fù)荷曲線圖14表示抽水蓄能系統(tǒng)和光伏電池在晴天日負(fù)荷曲線的案例，這里，我們選擇一周中的較好的點。在抽水蓄能系統(tǒng)案例中，多余的電力在白天用于抽水，給晚上發(fā)電。同樣的，電池案例中，多余的電量在白天給電池充電，給晚上供電。由于電池轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量，電池站不能釋放全部的充入電能。抽水蓄能系統(tǒng)需要有一定的容量來儲存所有來自光伏電池的剩余電量而電池不需要，因為在充電的時候需要消耗儲存的

23、能量，這是使用電池電站的一個優(yōu)勢。白天充電時存儲的能量增加，晚上放電時能量減少?？傊瑏碜怨夥囊徊糠侄嘤嚯娏肯脑诹穗姵剞D(zhuǎn)換上，其余部分消耗在了電網(wǎng)上。這個可由公式（7）來解釋。在白天充電期間，由于第二階段（充電）的增加量大于第四階段（電池轉(zhuǎn)換）的減少量，儲能增加；晚上放電階段，儲存的能量隨著第三和第四階段的消耗而減少，其中第三階段代表給電網(wǎng)送電。圖15表示陰天時的結(jié)果。在抽水蓄能案例中，系統(tǒng)在需求最小的時候抽水蓄能，用于晚上的發(fā)電。同理，電池案例中，需求最小的時候給電池充電，用于晚上放電。這將導(dǎo)致在日常負(fù)荷曲線的峰值偏移。在用電需求最小的時候儲存的電能隨著充電而增加，隨著電池轉(zhuǎn)換和晚上的放

24、電，能量減少。圖14 （a）抽水蓄能系統(tǒng)和（b）電池案例在晴天時的日負(fù)荷曲線圖15 （a）抽水蓄能系統(tǒng)和（b）電池案例在陰天時的日負(fù)荷曲線E、平均電力成本如表所示，在抽水蓄能情況下的平均電力成本為0.16日元/ 千瓦時，多于沒有光伏的情況。這主要是因為抽水蓄能系統(tǒng)的建設(shè)成本。另一方面，電池案例的成本為0.11日元/ 千瓦時，小于沒有光伏的情況。這些結(jié)果表明了光伏電站和其他電站的組合可以減少電力成本的可能性。然而電池案例的成本主要來自于逆變器和電池的年度租賃費用。因此，如圖16所示，我們可以計算得到，電池的年度租賃成本從2000到5000日元/千瓦時/年不等，逆變器的租賃成本從4000到1400

25、0日元/千瓦時/年不等。年度租賃費范圍的確定可以參考圖6和9。如果電力成本是在圖中的虛線區(qū)域，它表示沒有光伏電池的成本，我們可以實現(xiàn)大規(guī)模的引進(jìn)光伏電站和減少電力成本。表平均電力成本圖16電池的年度租賃成本從2000到5000日元/千瓦時/年不等，逆變器的租賃成本從4000到14000日元/千瓦時/年不等時的平均電力成本F、靈敏度分析我們假定一個需求是日常充電需求的10%，通過第二章節(jié)的計算進(jìn)行敏感性分析（即：假定=25GWh）。圖17表示逆變器邊際價值的結(jié)果；圖18表示電池邊際價值的結(jié)果。圖6和9具有相同的趨勢，結(jié)果也十分相似。圖17 第二節(jié)中日充電需求是總電量的10%時逆變器的邊際價值圖18 第