液气压缩空气储能在光伏发电中的经济性分析

杨 安，孙春顺，杨江涛，邓 明，邓宇恩

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 4 10004;2.国网四川省电力公司 泸州供电公司，四川 泸州 6 46000)

液气压缩空气储能在光伏发电中的经济性分析

杨 安1，孙春顺1，杨江涛1，邓 明2，邓宇恩1

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 4 10004;2.国网四川省电力公司 泸州供电公司，四川 泸州 6 46000)

将液气压缩空气储能用在“自发自用，余电上网”模式的光伏发电系统中，提出了一种能量管理策略，优化储能的充放电和电网的交换功率，建立以日收益最大为目标函数的模型，求解储能的最优容量。最后通过算例分析经济效益，和铅酸蓄电池进行比较，表明液气CAES更具经济性优势，随着技术的改进和性能的完善，经济性将更加明显，是一种具有投资前景的储能方式。

液气压缩;光伏发电;能量管理;经济性分析

0 引言

随着经济发展和人民生活水平的提高，人们对于电能的需求和电能质量的要求愈来愈高。引入储能装置是解决诸多电能问题的重要手段，并且能带来一定的经济效益。现有的储能技术有压缩空气储能 (Compressed Air Energy Storage，CAES)、抽水蓄能、超级电容储能、飞轮储能、电池储能［1］等。抽水蓄能受地理条件限制［2］，建造周期长，超级电容能量密度小，初期投资大。飞轮储能能量密度低，费用昂贵，电池储能的寿命短，更新换代成本高，且存在二次污染［3］。压缩空气储能具有环境友好性和高可靠性，存储能量时间长，维护费用低，但受地理位置和存储压力的限制。微型CAES利用缩小存储体积，提高气体压力和转换效率，发展空间更大。其中液气CAES通过注入液体来压缩空间气体，与传统的CAES相比，取消了燃烧室实现零污染，采用压力容器取消对地下溶洞依赖，减小摩擦损耗和气体泄露，提高了工作效率，而且无自放电，使用寿命长，维护方便［4］。基于液气CAES的独特优势，吸引了越来越多的研究者。文献 ［5］建立了液气CAES的宏观能量流模型，可直观控制机械能、电能、势能之间的转换与分配。文献 ［6］提出液气循环压缩空气储能，通过优化控制，达到了更高的转换效率。文献 ［7］建立了含有液气CAES的离网光伏发电系统，并且研究了工作条件和压缩效率。把液气CAES与超级电容组成混合储能系统的研究比较多，文献 ［8～9］提出了能量管理策略，优化了超级电容的容量，并通过实验进行验证;文献 ［10］提出最大效率跟踪控制方法，并用实验进行验证。这些文献都侧重研究液气CAES本身的控制和能量管理，提高它的效率，而没有侧重研究液气CAES的经济性和可行性，而经济性是制约储能发展和推广的关键前提。本文从经济性角度出发，把液气CAES应用在“自发自用，余电上网”模式的用户光伏并网系统中，在峰谷分时电价下，用户可选择上网售电或使用市电。本文先介绍了液气CAES的结构和用户光伏发电系统的结构，提出一种高效的能量管理策略，优化储能充放电和电网交换功率，使用户获取更大的经济效益。最后，通过算例分析了液气CAES的经济效益，并通过和铅酸蓄电池的对比，得出了液气CAES更具经济性优势。

1 液气CAES装置和用户并网光伏系统结构分析

1.1 液气CAES装置

液气CAES采用活塞原理，将液气混合介质压缩存储在压力容器中，能量释放时利用高压气体驱动液泵带动发电机发电。液气压缩装置有封闭式和开放式液气压缩［11］两种 (图1和图2所示)。封闭式装置压缩气腔封闭，在压缩和膨胀过程中气体质量始终没变化，存储能量有限，能量密度低。而开式装置成本更低，能量密度高，压缩能量可全利用，总体效率为70%。本文采用性能和经济性更好的开式装置。

图1 封闭式液气CAES装置

图2 开放式液气CAES装置

液气 CAES的荷电状态 (station of charge，Soc)表示实时电量情况，计算公式如下:

式中:pi表示初始压力;pf表示储能装置的最大压力，通过压力表的测量，很方便得知荷电状态。

装置存储的能量为

液气CAES没有自放电，电量递推关系如下:

1.2 光伏发电系统

把液气CAES装置运用在“自发自用，余电上网”模式的光伏并网发电系统［12］中，在这种模式下，光伏发电量优先自用，多余电量按当地燃煤脱硫机组标杆电价卖给电网企业，且按全电量获得国家补贴。通过储能灵活充放电，能减少用户负荷对市电的需求，满足用户的用电需求，电量多余时上网售电，给用户带来经济效益。系统结构图如图3所示。

图3 带储能的用户并网光伏系统结构图

按2013年国家提出的对分布式光伏发电实施全电量补贴［13～14］政策，电价补贴0.42元/kW·h，多余电量电网公司按当地脱硫标杆电价收购。因为负荷的高峰低谷与电价的高峰低谷不完全相同，为使用户获取更大经济价值，提出一种有效能量管理策略，在分时电价下，在保证用户正常用电的基础上，在高峰电价阶段不向电网买电，优化储能的充放电和电网交换功率。

2 系统经济性模型

基于24 h的光伏发电特性和典型负荷用电特性，即:

用户光伏并网系统所安装区域光伏发电出力与负荷曲线如图4所示。曲线对时间的积分为电量，主要分为以下3部分:第①部分为Ppv-Pload＞0，多余的电量可以上网或者存储在储能装置中;第②部分为Ppv-Pload＜0，用户负荷缺少的电量可由储能装置提供或者从电网购买;第③部分用户的用电量由光伏发电提供。结合分时电价情况，能量管理流程图如图5所示，来优化储能的充放电和电网交换功率。

图4 PV输出与用户负荷曲线之间的关系

图5 能量管理流程图

在图5 中，g(X，Y)=CYPηη－CXP，CX取值可能为CM或者CL，CY取值可能为CH，CM或者CL。

CYPηη表示在X时刻从电网购电为储能充电，在Y时刻释放电能使用户节约的电费。CXP表示在X时刻电网为储能充电时应支付的电费。若g(X，Y)＞0表示在X时刻从电网购电给储能充电是有经济效益的，反之则是没有经济效益的。

2.1 发电补贴收入

由政策决定，光伏所发电量均享受补贴电价，设光伏在S时段内发电，所得收入为:

2.2 用户的电费收益

用户收入为光伏发电自用抵消电费，向电网售电和储能放电节省电费，电费支出为从电网购电，用户总的电费收益为两者之差。

在图4的第③部分光伏发电量全部自用，用户节省的电费为:

装有储能装置，可以灵活充放电，根据图5的能量管理流程图，可分为S1.1，S1.2，S1.3，S2.1，S2.2，S2.3，S2.4这7个工作状态，在每种工作状态下的储能充放电功率和向电网购电售电功率以及用户收益情况如下。

在图4的①区域中Pleft(t) ＞0，多余的电量为∑Pleft(t)t，多余的电量优先给储能充电，充满后再上网卖电，工作状态可分为 S1.1，S1.2，S1.3。

S1.1:系统将光伏发电给负载供电所剩余的电量给储能充电，充电产生的效益在放电阶段体现。

S1.2:系统将光伏发电给负载供电所剩余的电量给储能充电的同时上网售电，储能充电功率为Pyq．max，上网售电产生的效益为:

S1.3:系统将光伏发电给负载供电所剩余的电全部上网售电，用户获得的收益为:

在②区域中Pleft(t)＜0，缺少的电量为∑Pleft(t)t，将该区域工作状态分为S2.1，S2.2，S2.3，S2.4。

S2.1:该时段内电价为CH，缺少的用户电量全部由储能装置放电提供，不向电网购电，用户所得到的经济效益等于节约的电费为:

S2.2:上网购电供用户缺少的电量使用和给储能装置充电，用户需要支付的电费为:

用户所得到的经济效益为:

S2.3:光伏发电供用户使用缺少的电量由储能装置放电提供，该时刻的电网供电电价为Cx，所产生的效益为所节约的电费:

S2.4:光伏发电供用户使用缺少的电量从上网购电补充，用户需要支付的电费为:

用户所得到的经济效益为:

2.3 运行和维护成本

光伏的运行成本是Cpv，元/kW/天，储能装置的运行维护成本是Cyq，元/kW/天，所以日运行维护费用G为:

2.4 目标函数

对于用户来说，优化目标应是赚取的收益最大，因此建立以日收益最大的目标函数:

2.5 约束条件

电功率平衡约束

式中:Pnet(t)是t时刻用户与电网交换功率;Pnet(t)＞0表示用户向电网购电，反之表示向电网售电。Pyq是储能的充放电功率。式 (18)和(19)分别表示储能装置在放电和充电状态下的电功率平衡。

式中:Pyq．max为储能最大放电功率;Wyq．max为最大储能容量。式 (20)表示充放电功率约束;式(21)表示储能容量约束。式 (22)为储能电量的约束。

储能装置的容量由 (23)式确定:

式中:t为储能装置持续供电时间。

3 算例分析

3.1 基础数据

本文采用的算例为我国山东某地区，山东为光伏资源III类地区，适合安装光伏发电系统，用户为能够支付得起投资费用的用户。图6为某一典型10 kW光伏系统的发电输出功率和用户负荷使用功率［15］，图7为该地区所在配电网的分时电价情况。算例所需要的数据为 CH=1.31元/kW·h;CN=0.82元/kW·h;CL=0.33元/kW·h;Cb=0.42元/kW·h;Ct=0.447元/kW·h;Cpv=0.13元/kW/天;Cyq=0.36元/kW/天;η=70%。液气CAES装置的初始Soc=0.5，变化范围为0.1～0.9，假设使用年限为30年。

图6 典型日光伏发电和负荷用电情况

图7 分时电价示意图

3.2 仿真结果与分析

本文利用Matlab编写分析程序，计算每一个时段储能的充放电功率和从电网购电及售电功率，如图8所示。

图8 储能充放电功率和电网交换功率

求解模型，可得出储能的最佳容量为4.3 kW，38.2 kW·h，光伏发电补贴为22.76元，光伏发电自用节省电费为30.9元，储能放电节省电费为18.1元，上网售电收入为1.06元，购电支出为4.03元，光伏和储能维护费用为2.85元，即每天可最大盈利65.94元，一年可盈利24 068元。

单位容量的液气CAES和铅酸蓄电池的成本费用［16］比较如表1所示。

表1 单位容量储能成本费用

根据表1，可得出:

(1)配置4.3 kW，38.2 kW·h的压缩空气储能和铅酸蓄电池，液气压缩空气的初始投资费用为96 080元，运行维护费用为19 214元，运行维护费用为637元/年，使用寿命为30年，铅酸蓄电池的初始投资费用为76 858元，运行维护费用为2 345元/年，使用寿命为10年。目前分布式光伏发电系统单位造价约为9元/W［17］，算例中光伏发电系统总造价为90 000元。采用静态分析法计算可得出在光伏发电系统中用液气CAES的投资回收期为8.09年，投资利润率为12.89%;运用铅酸蓄电池的投资回收期为7.95年，投资利润率为11.36%。

(2)由于铅酸蓄电池存在自放电，为保证蓄电池的使用寿命，蓄电池不能过分充放电，这样，在其他条件不变的情况下，需要配置更大容量规模的蓄电池储能才能匹配算例中的光伏发电系统来满足用户的需要，这样经济性远不如液气CAES。

(3)液气CAES使用空气压缩，零污染，不会释放温室气体，而铅酸蓄电池属于化学储能，存在二次污染，废弃物的治理需要额外的环境治理费用。

(4)铅酸蓄电池使用寿命只10年，更新置换成本比液气CAES高，但是制造液气CAES装置用的金属原料具有回收价值，还会带来一定的收益。

通过比较，液气CAES运用在光伏发电系统中的经济性要比铅酸蓄电池好，具有投资价值。另外把该系统运用在日照资源更充足的地区或峰谷电价差更大的地区，加大补贴力度，获取的经济效益会更大。

4 结论

液气CAES采用空气作为储能介质，零污染，是一种颇具前景的储能方式。本文分析了用在“自发自用，余电上网”的光伏发电中的液气CAES的结构及运行特点，提出了一种合理的能量管理策略，建立日收益最大的目标函数，并通过具体实例的分析，通过和铅酸蓄电池的比较，论证了液气CAES更有经济性优势。目前，液气CAES虽然在我国还没有进入市场使用，但具有十分可观的研究价值，而且随着技术的改进和性能的完善，它的经济性将更加明显，投入市场也将指日可待。

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Economic Analysis of the Hydro-pneumatic Compressed Air Energy Storage in Photovoltaic Power System

Yang An1，Sun Chunshun1，Yang Jiangtao1，Deng Ming2，Deng Yuen1
(1．Changsha University of Science and Technology Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control，Changsha 410004，China;2．State Grid Sichuan Electric Power Company Luzhou Power Supply Company，Luzhou 646000，China)

This paper proposes a new energy management strategy for the application of the hydro-pneumatic CAES to photovoltaic power generation system based on the principle of self-sufficient power generation with the surplus going to the grid．This strategy was used to optimize the charge and discharge of energy storage and the grid’s exchanging power．And also a model was set using the maximum daily profits as the objective function to calculate the optimal capacity．Finally，its economic benefits were calculated using examples and then compared with those of lead-acid batteries．It was found that the hydro-pneumatic CAES was a better energy storage form with more economic advantages．Moreover，with the development of technology and improvement of performance，the hydro －pneumatic CAES will have good commercial prospects because of its increasing economical efficiency．

hydro-pneumatic compression;photovoltaic power generation;energy management;economic analysis

TM919

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.007

2015－04－21。

杨安 (1990-)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制，压缩空气储能的研究与运用，E-mail:1145456910@qq.com。