碳中和目标下的微网运行经济性分析_王雷.pdf
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1、第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology碳中和目标下的微网运行经济性分析王雷1,王鑫1,张蓉蓉2,刘宗浩2,穆生胧2,陈刚1(1国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司,辽宁 阜新 123000;2大连融慧能源科技有限公司,辽宁 大连 116085)摘要:在当前“双碳”背景下,许多企业都在探索用户侧分布式新能源的应用。本研究集光、储、用等诸多元素于一体,搭建起工商业用户侧分布式新能源智能微网。截至目前,微网经过5年时间的实际运行,验证了谷电峰用、需求侧容量管理、需求响应等
2、多种微网模式,理想条件下单独运行年收益分别达到24.88万元、26.40万元、32.88万元,并探索了多模式协调运行策略。运行数据统计表明:利用分布式新能源以及储能系统构建的智能微网,在主控系统的协调控制下,实现了工商业用户侧百分百的绿色能源供应,实现了碳中和目标,通过微网多模式协调运行,年收益可达52.29万元,远超其他单一运行模式收益,为分布式新能源智能微网的应用和推广起到了一定的示范和参考作用。关键词:分布式新能源;智能微网;碳中和doi:10.19799/ki.2095-4239.2022.0430 中图分类号:TM 91 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)01-
3、319-10Economic analysis of microgrid operation based on carbon neutralityWANG Lei1,WANG Xin1,ZHANG Rongrong2,LIU Zonghao2,MU Shenglong2,CHEN Gang1(1State Grid Fuxin Electric Power Supply Company,Fuxin 123000,Liaoning,China;2Dalian Conspark Energy Co.,Ltd.,Dalian 116085,Liaoning,China)Abstract:Numero
4、us businesses are investigating the industrial and commercial consumer side application of distributed new energy against the backdrop of“carbon peaking and carbon neutrality.”In this project,a smart microgrid with distributed new energies on the industrial and commercial user side has been built,wh
5、ich incorporates many components,including photovoltaics,vanadium energy storage systems,and industrial loads.The microgrid has been active for 5 years,and several microgrid operational modes have been confirmed,such as peak shaving,demand-side capacity management,demand response,etc.Under perfect c
6、ircumstances,the yearly income of independent operation will generate¥248810(peak shaving),¥264000(demand-side capacity management),and¥328800(demand response),respectively.Also,a multimode coordinated operation technique has been investigated.Operational data figures show that the smart microgrid b
7、uilt using distributed new energy and energy storage systems achieved a 100%green energy supply on the industrial and commercial user side while being controlled by the primary control system,thereby achieving carbon neutrality targets.Additionally,the annual income of the microgrid can generate up
8、to 储能技术经济性分析收稿日期:2022-08-01;修改稿日期:2022-09-03。基金项目:化工园区垃圾发电与储能电池协调控制技术研究(2021YF-26)。第一作者:王雷(1983),男,学士,助理工程师,研究方向为调度控制与运行,E-mail:;通讯作者:刘宗浩,教授级 高 工,研 究 方 向 为 电 化 学 储 能 应 用,E-mail:。2023 年第 12 卷储能科学与技术¥522,886,which is significantly more than the income of conventional single operation modes.It contribu
9、tes to the application and promotion of distributed new energy smart microgrids in several ways by serving as a demonstration.Keywords:distributed new energy;smart microgrid;carbon neutrality在“双碳”背景下,提高新能源发电占比,改善我国能源结构势在必行,除了大力发展集中式新能源发电以外1-3,许多企业也承担起各自的社会责任,积极在用户侧配置以光伏为主的分布式发电系统,实现节能减排4-10。但由于光伏等新能
10、源发电系统具有间歇性、随机性和波动性,对电网的安全稳定运行存在一定影响,多地禁止用户侧配置的分布式新能源系统向电网倒送电;为了从根源上提高光伏等新能源系统的可控性和电网友好性,多地也出台相关政策要求用户侧项目应根据新能源发电系统规模配置一定比例的储能系统11-14。除了政策层面的需求,在实际用能方面,许多企业也面临各种问题。2021年受煤炭价格上涨、碳排放指标等因素影响,国内多地出现拉闸限电情况,造成了一定的经济损失。即使在用户侧配置了新能源发电系统,但由于新能源发电不能作为独立电源使用,依然面临停电威胁;同时,多数用户侧负荷波动性较大,在光伏发电较高时,负荷可能处于低谷阶段,在用户侧光伏不得
11、上网售电的情况下,会发生弃光现象,造成能源浪费。为解决上述问题,企业或个人可在用户侧新能源发电基础上配置一定比例的储能系统,不仅能提高新能源发电的可控性和可靠性,在拉闸限电等极端条件下实现孤网运行,减少停电造成的经济损失;还可以利用储能系统谷电峰用等模式,降低用电成本,甚至获得一定的经济补贴,一举多得。用户侧分布式新能源配套储能系统具有非常多的好处,但受电化学储能成本相对较高、短时间无法快速收回成本等因素影响,用户侧分布式新能源配套储能系统的应用相对较少,且基本以示范运行为主。本研究集光、储、用等诸多元素于一体,搭建了用户侧分布式新能源智能微网,分析了多种运行模式的经济性,并探索了多模式协调运
12、行策略。经过5年多的运行,该微网在实现碳中和的基础上,微网多模式协调运行也取得了良好的经济效益。1 微网系统构成1.1微网系统架构本研究智能微网位于大连某公司储能装备制造基地,2016年12月并网运行。该微网包括光伏发电系统(峰值总计 1574.6 kW)、全钒液流电池储能系统(总计780 kW/3150 kWh)、基地负荷(总计4494 kW)等多种元素,如图1所示。微网一次系统架构如图2所示。本微网为典型的交流微电网,微网内母线电压为AC 380 V。微网通过两台容量为1000 kVA的干式变压器与10 kV配电网相连接。每台变压器及其低压交流380 V母线所接入的光伏发电系统、储能系统及
13、相关负荷构成独立的子网。为了更好地进行电量等数据记录,微网内配置了完善的数据计量及记录装置。计量点如图3所示。1.2微网控制系统该微网开发配置了就地监控系统,对微网运行数据进行存储,以便统计分析,就地监控系统的可视化界面如图4所示。通过该可视化界面可以看到微网内光伏、风电、负荷及储能等元素的实时运行情况。图1微网系统主要构成单元Fig.1The main components in the microgrid system320第 1 期王雷等:碳中和目标下的微网运行经济性分析2 微网总体运行模式本研究开发的微网是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以并网运行,也可以孤网运行。以1#变
14、压器下负荷、光伏及储能构成的微网子网在典型工作日期间的运行情况为例,如图5所示,图中光伏、储能功率数据为负值时表示发电(或放电),功率数据为正表示负荷用电(或储能充电)。2.1光伏发电模式2018年负荷用电量与光伏系统发电情况如图6所示。由图可知,光伏系统总发电量可以覆盖园区负荷总用电量,根据近几年的微网发电量及用电量统计数据也可得出这一结论,见表1。在总体电量上,本微网已超额实现100%绿色用能,实现了碳中和目标。本研究分布式光伏发电系统上网电价为0.3749元/kWh(辽宁省火电机组并网标杆电价),分时电价见图2微网架构Fig.2Schematic diagram of microgrid
15、图3微网计量点Fig.3Schematic diagram of microgrid metering points3212023 年第 12 卷储能科学与技术表2,装备基地工作时间为8:0016:30。白天光伏发电的时间,光伏上网电价低于平段、峰段电价,为降低微网用电成本,微网应优先使用成本更低的光伏供电,即光伏发电应优先就地使用,即采用“即发即用”模式;当光伏发电电量过剩,超过本地负荷时,剩余电量有两种处理方式:卖给电网,获得上网收益(0.3749元/kWh);为储能系统充电,此时充电成本为0.3749元/kWh,且受储能系统能量效率影响,放电时会损失30%光伏电量。而储能系统还可以选择在
16、谷电时段充电,充电成本为0.2399元/kWh,明显低于光伏充电成本,且该时段充电可促进电网清洁能源消纳。因此,从经济最大化角度考虑,光伏剩余电量应选择上网卖电,即采用“余电上网”模式。综上所述,为实现光伏系统经济性最大化,光伏系统发电模式为“即发即用,余电上网”。2.2储能系统运行模式本微网储能系统针对不同运行工况开发了多种运行模式,主要包括谷电峰用模式、需求侧容量管理模式、需求响应模式3种。需要说明的是,储能系统各个运行模式之间有优先级之分,且有些运行模式可能存在互斥的情况,其中需求响应模式涉及表2园区分时电价信息Table 2Time-of-daytariff for industria
17、l parks分类谷电平电峰电时段22:005:005:008:00,11:0017:008:0011:00,17:0022:00时长/h789电价/(元/kWh)0.23990.47980.7197图51#变压器子网运行曲线Fig.5Running curve of sub-grid under 1#transformer图6光伏发电量与负荷用电量对比Fig.6Comparison of PV power generation and load consumption表12018年与2017年光伏发电量与负荷用电量统计Table 1Statistics of PV power generat
18、ion and load consumption in 2018 and 2017分项光伏发电量/MWh负荷总用电量/MWh光伏发电量/负荷总用电量/%2018年1651.721407.56117%2017年1633.801332.78123%图4智能微网就地监控系统可视化界面Fig.4Visual interface of smart microgrid local controller322第 1 期王雷等:碳中和目标下的微网运行经济性分析相关考核,执行期间不能执行其他运行模式;当谷电峰用和需求侧容量管理指令矛盾时,为避免容量不足影响负荷运行,储能系统需要优先执行需求侧容量管理指令。本研究
19、采用的各运行模式协调运行控制策略如图7所示,下文就储能系统各种运行模式及功能进行简述。2.2.1谷电峰用谷电峰用模式是一种应用较为广泛的用户侧储能系统运行模式,主要针对执行峰谷分时电价的用户,该模式利用储能系统在低谷时期充电,在峰电(或尖峰)时段放电,这样利用电网低谷时段的低价电,减少了装备基地在峰电(或尖峰)时段从外网购电电量,进而实现节约用户电量电费的目的。同时,该模式还可以削峰填谷、减少负荷落差,促进新能源消纳,有助于提高电力系统经济运行的作用。本微网执行的谷电时段为22:005:00,峰电时段为8:0011:00、17:0022:00。以1套125 kW储能系统运行曲线为例,本研究谷电
20、峰用运行模式如图8所示,其中储能系统功率为正表示充电,功率为负表示放电。由图可知,储能系统在夜间谷电时段充电,在白天峰电时段放电,晚间峰电时段(17:0022:00)为下班时间,园区负荷较低,储能系统不再放电,其他时间段待机。根据园区峰谷电价,500 kW/2000 kWh储能系统在全年仅运行谷电峰用模式时见表3,每天1充1放,该理想条件下年收益为248810元。2.2.2需求侧容量管理容量管理模式主要针对微网主变容量不足,或有用户容量/需量电费管理需求的工况,在用户侧微网项目中有大量应用。当微网主变容量不能满足微网尖峰负荷需求,且多数时间运行负荷不高、主变留有充足上行及下行容量空间时,可利用
21、储能系统的容量管理模式,在运行负荷不高的时段充电,在负荷尖峰时段放电,弥补主变容量不足,实现延缓扩容,节约主变容量增加带来的容量电费15。本研究就容量电费管理进行了相关验证,主要包括以下两项措施:光伏发电系统采用即发即用模式可保证微网收益最大化,为尽可能保证光伏就地消纳,微网可根据光伏系统发电规律安排用电计划,大型设备集中在光伏系统发电功率较高时段;储能系统采用容量管理模式,实时监测变压器低压侧功率,一旦实时功率超过变压器容量80%,立即启动储能系统进行放电,实现容量管理。为便于理解,图9采用实际运行数据模拟了储能系统需求图7微网多模式协调运行控制策略Fig.7Multi-mode coord
22、inated operation control strategy for microgrid图8125 kW电池储能系统谷电峰用运行曲线Fig.8Operation curve of 125 kW BESS for peak shaving表3谷电峰用模式算例边界条件及收益情况Table 3The example boundary conditions and income of peak shaving项目储能系统算例边界条件运营成本及收益功率容量效率日循环次数年运营天数充电成本放电收益年收益单位kWkWh%次d元/d元/d元数值500200070%1330685.431439.40248
23、810.103232023 年第 12 卷储能科学与技术侧响应时的工作模式,在容量管理前,微网采用2台1000 kVA变压器,总负荷仅在少数时间段超过1000 kW,如图9(a)所示;容量管理后,微网减少了1台变压器的使用,仅利用1台变压器供电。微网从安全角度出发,变压器应不超过80%,因此设定了800 kW的变压器阈值,通过对变压器低压侧负荷监控,一旦总负荷超过800 kW,就启动储能系统对超出部分负荷供电,保证变压器安全稳定运行,整个微网成功减少1台变压器,实现容量电费管理。本微网执行的容量电费收费标准为22元/(kVA月),变压器总容量为2000 kVA,微网年容量电费52.8万元。通过
24、容量电费管理,可减少1台1000 kVA变压器使用,500 kW储能系统,在光伏超发时充电,在负荷尖峰时放电,平均日运行时间约2.3 h,计及储能系统效率,年充放电成本与收益可基本抵消,则年节约费用为26.4万元,见表4。需要注意的是,在进行容量管理时,储能系统需要保证微网实时功率不超过变压器容量80%,因此有可能在非峰电时段放电,进而降低了谷电峰用的收益,降低程度主要取决于容量管理过程中非峰电时段储能放电电量:非峰电时段放电电量越多,谷电峰用收益降低越多。2.2.3需求响应需求响应是指参与主体根据市场价格信号或激励机制做出响应,主动改变常规电力消费模式的市场行为16-19。该模式主要针对可享
25、受需求响应政策地区的用户侧项目,还处于示范推广阶段。山东省能源局发布相关规定要求,用户侧储能设施和电网侧储能设施可作为参与主体参与需求响应,且聚合的储能资源总充放电功率不低于5 MW,持续充放电时间不低于2 h,可在接收电网通知后4 h内快速响应。各需求响应类型补偿方式见表5。自2021年12月1日山东启动第5次电力现货市场结算试运行以来,全省电力现货日前市场出清图9需求侧容量管理运行曲线Fig.9Demand side capacity management operating curve表4需求侧容量管理模式算例边界条件及收益情况Table 4The example boundary co
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