用于削峰填谷的电池储能系统经济价值评估方法

为该金属化学符号；Rrecycle_i ——处理单位重量废电
池 所 需 生 产 性 支 出 ；δenergy_i —— 储 能 系 统 能 重 比 ；
RTP ——常规火电机组单位供电成本。
3.1.4 政府补贴
财政部、国家发改委关于印发的《电力需求侧
管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂
行办法》通知中明确指出对通过实施能效电厂和削
根据上述经济模型参数设定，采用遗传算法进 行优化求解。遗传算法作为一种优化算法，因其具有 并行性、鲁棒性、快速随机的搜索能力近年来被广泛 应用，本文不再赘述设计算法时需注意的问题［10］。其 中，设定种群规模为 100；交叉概率 0.8；变异概率 0.01；终止进化代数 500，通过优化求解后得到锂离
4 仿真实例
选用锂离子电池组成储能系统实现负荷侧削 峰填谷任务，设定政府补贴 mf 为 55 万￥/MWh；应 用削峰填谷地区分时电价：低谷时段 22∶00~06∶00 电价为 0.294 ￥/kWh；高峰时段 06∶00~22∶00 电价 为 0.976 ￥/kWh，对经济价值评估模型式（1）~式（7） 所述的经济评价参数设定如表 1。
3.1.1 直接收益
在 峰 谷 电 价 下 ，储 能 装 置 在 负 荷 低 谷 、电 价 较
低时充电，而在负荷高峰、电价较高时放电，通过这
种低储高发的形式获得的收益称为直接收益，其数
学模型如式（1）所示：
365 24
∑∑ S = income
（Pi_out - P ）R i_in i
1 i=1
（1）
（1. 华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206；2. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130012； 3. 中国电力科学研究院，北京 100085）
摘 要：针对典型日负荷曲线，分析负荷侧电池储能系统在延缓设备投资收益、直接收益、环境效益、政府补贴 4 个
方面的经济价值，提出基于电池储能技术的负荷侧削峰填谷控制策略，综合考虑储能系统的投资成本和运行维护
第 35 卷 第 9 期
2014 年 9 月
文章编号：0254-0096（2014）09-1634-05
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol. 35, No. 9
Sep., 2014
用于削峰填谷的电池储能系统经济价值评估方法
韩晓娟 1，田春光 2，张 浩 1，修晓青 3
3 电池储能系统价值评价总模型的 构建
目前我国绝大部分的调峰只能依靠常规电厂 来承担，为保持低谷负荷电力平衡，要求火电机组 频繁增减出力，这会导致耗煤量的增加［7，8］。将储能 系统应用于负荷侧削峰填谷，能有效减小峰值负荷 且具有多方面收益。但由于储能装置的成本因素， 使储能系统应用受到质疑。本文建立用于负荷侧 削峰填谷的储能系统价值评价总模型，通过遗传优 化算法对储能系统的经济性进行评价，给出储能系 统容量的优化配置。
综上所述，通过以上步骤可求得储能系统参与 削峰填谷的放电时间，进而求出充电起始、终止时 间。由于设定电池充放电功率为恒功率充放，因此 可保证每日储能系统“吞吐”能量相等，且有助于延 长 电 池 储 能 系 统 的 使 用 寿 命 。 此 外 ，在 控 制 策 略 中，涉及到电池的 SOC 约束和充放电功率约束，其 约束模型将在后文中详细介绍。
能系统单位容量成本。
3.2.2 年运行维护成本
储能装置的年运行维护成本费用主要由其规
模确定，可表示为：
Sm = C ∙E i_m i
（6）
式中，Ci_m ——储能系统单位容量年维护费用。
根据储能系统的使用寿命和基准收益率，将电
池储能系统的总投资成本在寿命期内进行成本分
摊［9］，与储能系统的年维护成本叠加，得储能系统的
某地区典型日负荷曲线如图 1 所示。从图 1 可 看 出 ，24 h 的 负 荷 波 动 范 围 较 大 ，峰 谷 差 值 达 4445.3 kW，电网运行存在安全隐患，因此需采取措 施进行削峰填谷。由于储能系统具有灵活的电功 率“吞吐特性”，能应对负荷曲线的不同变化，针对 典型日负荷曲线制定了 24 h 的电池储能系统最优
3.2 储能系统投资成本分析
3.2.1 初始投资成本分析 储能系统的初始投资成本主要由功率成本和
容量成本构成。容量成本与储能电池的投资有关，
功率成本与储能电池使用双向变流器、监控系统等
的投资有关。其数学模型为：
SP,E = Ci_P∙Pi + Ci_E∙Ei
（5）
式中，Ci_P ——储能系统单位功率成本；Ci_E ——储
R ρ - R )δ E metali metali
和 储 能 系 统 代 替 火 recycle_i energy_i i
i=1
365 24
∑∑ 电 调 峰 所 产 生 的 节 煤 效 益 ，即 (
Pi)RTP ；
1 i=1
Rmetali ——金属 i 的价格，下标为该金属化学符号；
ρmetali ——单位重量储能电池中金属 i 的含量，下标
从图 2 可看出，控制策略中基于典型日负荷曲 线统计出日负荷电量，根据不同削峰填谷控制目标 设 定 参 数 α 以 及 电 池 储 能 系 统 功 率 P ，并 由 ΔQ = αQ 得出目标“削峰”电量，在满足 SOC 约束和 充放电功率约束的同时，选择放电起始、终止时刻 （如图 1 所示）。具体选择过程为：
1）根 据 典 型 日 负 荷 曲 线 统 计 得 出 的 负 荷 峰 值 画出对应直线 L1；
2）由上至下调整步长 ΔM ，即将直线 L1 向下 平移 ΔM 得出 L2，判断是否达到削峰填谷控制目标 ΔQ ，若 ΔQ = αQ 则停止平移，否则持续进行直到满 足 ΔQ = αQ 为止；
3）根 据 公 式 T放 = ΔQ/P 得 出 削 峰 填 谷 放 电 时 间，因电池恒功率充放电，此时 T放 = T充 ，且保证储 能系统在一天内充放电平衡，即 ΔQ充 = ΔQ放 。


Q
a
ΔQ=αQ
SOC




a


ΔQ=αQ ΔM
T=ΔQ/P
a

图 2 基于电池储能系统的削峰填谷控制流程图 Fig. 2 Control flow chart of peak load shifting based on BESS
9期
韩晓娟等：用于削峰填谷的电池储能系统经济价值评估方法
1635
充放电策略。本文采用恒功率的储能系统充放电 策略，通过人为设定恒定充放电功率，可保证在实 时应用过程中偶遇突发状况时只需简单调节充放 电时间，此方法既方便对电池的控制，又贴近于现 实的应用情况。基于电池储能系统的负荷侧削峰 填谷控制策略流程如图 2 所示。
成本，建立以经济价值最高为目标函数的电池储能系统经济价值评估模型，通过遗传算法优化得到符合经济性的
储能系统最优容量配置方案，并通过仿真实例验证该模型的有效性。
关键词：削峰填谷；控制策略；电池储能系统；经济价值评估
中图分类号：TM614
文献标识码：A
0引言
电 池 储 能 系 统（Battery Energy Storage System， BESS）因其灵活的电功率吞吐特性，目前广泛应用 于平滑风力发电和光伏发电、削峰填谷和调频等领 域。将储能系统用于负荷侧削峰填谷，即在负荷低 谷时充电，在负荷高峰时放电，进而实现对负荷的 时空平移。合理利用储能系统实现削峰填谷，能有 效 缓 解 负 荷 曲 线 的 大 幅 波 动 ，减 少 对 大 电 网 的 影 响，并可推迟设备容量升级，提高设备利用率、节省 费用［1］。目前，关于储能系统在削峰填谷领域的研 究大多集中在储能系统容量配置和控制策略上，对 于考虑储能成本、收益的经济性相关研究较少。文 献［2］根据电化学储能电池特性给出了规模储能装 置的经济效益指数关系式，由此来计算化学储能装 置的经济效益。但该方法考虑因素较少，不能准确 反映规模储能系统的经济性。文献［3，4］仅针对不 同 发 电 公 司 ，对 发 电 带 来 的 环 境 成 本 进 行 核 算 分 析。文献［5］对蓄电池储能装置在调节负荷、功率 平衡、削峰三方面价值及投资成本进行建模分析， 其所涉及应用模式较多，模型精度不足。文献［6］ 分析了蓄电池储能装置在延缓电网扩建、提供辅助 服务和提高设备利用率等方面的效益。
关。综合前面所建立的收益模型和成本模型，得到
储能系统用于削峰填谷价值评价总模型：
S = S + S + S + S - AC （8） i
income
delay
environment
allowance
经济评价模型中涉及到的约束条件：
ìíî功SO率C约约束束：：0-.1P≤i_mSaxO<CP≤i <0P.9i_max
用，导致设备使用率降低，造成资源浪费。将电池
1636
太阳能学报
35 卷
储能系统用于负荷侧削峰填谷，在高峰时刻出现时
由储能装置负责削峰，能延缓设备投资并带来间接
收益，数学模型为：
S = R ∙P delay
P_vest i
（2）
式 中 ，RP_vest —— 常 规 配 电 设 备 单 位 功 率 投 资 额 ；
峰填谷技术等实现永久性节约电力负荷和转移高
峰电力负荷，东部地区补贴 440 ￥/kW，中西部地区
补贴 550 ￥/kW。建立数学模型为：
365 n2
∑∑ S = allowance
Pi∙mf
1 i = n1
（4）
式中，n1 、n2 ——储能系统放电起始、终止时间；
mf ——减少单位峰荷而补贴的现金。
Pi ——储能系统功率。
3.1.3 环境效益
目前我国电网中大部分调峰只能依靠常规电
厂 承 担 ，其 中 大 多 为 燃 煤 电 厂 ，使 单 位 煤 耗 增 加 。
储能装置参与削峰填谷可优化系统火电机组运行，
使这些机组基本保持在高效率区域稳定运行，在运
行过程中无需频繁增减出力或开停机组，从而降低
单位煤耗，获得环境效益。其数学模型为：
n
365 24
∑ ∑∑ S =( R ρ - R )δ E +( environment
metali metali
recycle_i energy_i i
Pi)RTP
i=1
1 i=1
（3）
式中，Senvironment ——储能系统的环境效益，包括两部
分：储能系统运行寿命终结后所获得的回收效益，
n
∑ 即 (
本文以典型日负荷曲线为基础，提出基于电池
储能系统的负荷侧削峰填谷控制策略，分析电池储 能系统低谷充电、高峰放电，即削峰填谷作用下各 参与方的成本和收益，从电网公司角度建立用于削 峰填谷的储能系统经济价值评估模型，通过遗传算 法优化得出符合经济特性的最优容量配置。
2 基于电池储能系统的负荷侧削峰 填谷控制策略
3.1 储能系统经济性分析
将电池储能系统应用于负荷侧进行削峰填谷，
既降低了负荷峰谷差值、优化了负荷曲线，又可有
效减少高峰时备用机组的容量，提高发电机组运行
效率并降低发电成本。此外，储能系统的参与延缓
了输配电设备的升级改造且具有环境效益。下面
从 4 个方面对储能系统用于负荷侧削峰填谷的经
济价值进行分析。
费用年值。
AC
= (Ci_P
Pi
+
Ci_E Ei)
×
i(1 + i)n (1 + i)n -
1
+
C wenku.baidu.com i_m i
（7）
式中，i——储能项目投资收益率，本文取 8%；n——
系统使用寿命年限。
3.3 储能系统价值评价总模型的建立
储能系统应用于配电网削峰填谷，涉及经济价
值 评 估 ，必 然 与 储 能 装 置 的 成 本 以 及 未 来 收 益 有
23
/MW
22
L1 L2
21
L3
20
19
18
17 00?00
06?00
12?00
18?00
24?00
图 1 典型负荷曲线示意图
Fig. 1 Schematic diagram of typical load curve
收稿日期：2013-04-28 基金项目：国家自然科学基金（51277157）；国家高技术研究发展（863）计划（2012AA050203） 通信作者：韩晓娟（1970—），女，博士、副教授，主要从事新能源发电控制技术、故障诊断等方面的研究。wmhxj@163.com
式中 P ， i_in 、Pi_out ——分别表示第 i 小时段电池充、
放电功率，在同一时间内电池储能系统只会保持充
电或放电单一状态；Ri ——第 i 小时段分时电价。
3.1.2 延缓设备投资收益
由于电网必须按照满足最大用电负荷修建，然
而最高用电负荷持续小时通常较短，为满足这短暂
的高峰负荷大幅度追加输配电设备升级改造的费