樸紅艷1，劉  斌2，王承民3，李宏仲2，劉  涌4，衣  濤3

　　(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海200090；3.上海交通大學(xué)，上海200240；4.上海博英信息科技有限公司，上海 200240）

　　摘  要： 以儲(chǔ)能電站、分布式電源和充電站等智能設(shè)備接入系統(tǒng)的配電網(wǎng)為研究對(duì)象，從全社會(huì)的角度出發(fā)，分別建立了典型智能設(shè)備的成本效益模型。分析了幾種設(shè)備同時(shí)接入系統(tǒng)后配網(wǎng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，并結(jié)合算例對(duì)比了智能設(shè)備安裝在配網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，智能設(shè)備安裝在負(fù)荷側(cè)時(shí)經(jīng)濟(jì)性較佳。

　　關(guān)鍵詞： 智能設(shè)備；儲(chǔ)能電站；分布式電源；充電站；經(jīng)濟(jì)效益分析

0 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，各種智能設(shè)備在現(xiàn)代電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。分布式電源、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)作為我國(guó)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要組成部分，逐漸被應(yīng)用于削峰填谷、備用、改善電能質(zhì)量、提高新能源供電穩(wěn)定性以及解決資源短缺和環(huán)境污染等方面[4-6]。

　　儲(chǔ)能電站、分布式電源和充電站等智能設(shè)備接入系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而各種智能設(shè)備的投入使用也需要大量的資金支持，智能設(shè)備的接入是否具有經(jīng)濟(jì)性，這取決于其經(jīng)濟(jì)效益是否可觀。對(duì)多種智能設(shè)備接入系統(tǒng)后配電網(wǎng)進(jìn)行成本效益分析，不僅可以為投資決策提供科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)各種智能設(shè)備本身技術(shù)和電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展具有重要意義。

　　文獻(xiàn)[7-8]分析了蓄電池儲(chǔ)能裝置在低儲(chǔ)高發(fā)套利、延緩電網(wǎng)擴(kuò)建和降低輸電阻塞三方面的價(jià)值。文獻(xiàn)[9]對(duì)蓄電池儲(chǔ)能裝置在削峰、功率平衡和調(diào)節(jié)負(fù)荷三方面的價(jià)值及投資成本進(jìn)行了建模分析。文獻(xiàn)[10]較為全面地考慮了鈉硫電池儲(chǔ)能裝置在延緩電網(wǎng)建設(shè)、提供備用、低儲(chǔ)高發(fā)套利等方面的效益，并建立了其成本效益模型。文獻(xiàn)[11]則依據(jù)典型日負(fù)荷曲線分析了配電網(wǎng)中蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）在減少電網(wǎng)擴(kuò)建容量和降低總網(wǎng)損等5個(gè)方面的效益，并與其投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本共同建立了綜合價(jià)值評(píng)估模型，使用結(jié)合罰函數(shù)的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，通過算例驗(yàn)證了蓄電池的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[12]基于分時(shí)電價(jià)，建立了充電變功率工況下的充電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，通過遺傳智能優(yōu)化算法合理安排電池組的開始充電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)充電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[13]從電動(dòng)車的使用成本、電網(wǎng)資源利用率、土地利用率、節(jié)能減排及國(guó)家能源安全等角度分析了建設(shè)充電站潛在的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)等方面的綜合效益。文獻(xiàn)[14]對(duì)基于總費(fèi)用和考慮變壓器過載運(yùn)行的兩種充電站變壓器選擇方法進(jìn)行了對(duì)比，從而確定合理地變壓器配置容量。文獻(xiàn)[15]從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性三個(gè)方面建立了綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，利用層次分析法(AHP)對(duì)分布式電源并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[16]研究了分布式電源作為削峰資源時(shí)所產(chǎn)生的各類經(jīng)濟(jì)效益，并建立了電價(jià)效益、線損效益及減排效益3種評(píng)估模型。文獻(xiàn)[17]建立了不同運(yùn)營(yíng)模式下光伏發(fā)電并網(wǎng)的全壽命周期成本效益模型。文獻(xiàn)[18]分析了分布式電源在降低網(wǎng)損、延緩輸配電建設(shè)、提高供電可靠性、環(huán)境效益、減少購(gòu)電支出、改善氣候等方面的效益，并建立了其效益量化評(píng)估模型。

　　以上對(duì)蓄電池儲(chǔ)能裝置、充電站和分布式電源進(jìn)行價(jià)值評(píng)估的文獻(xiàn)中，只是單純地針對(duì)某一種智能設(shè)備接入電網(wǎng)后對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益的影響，缺乏各種智能設(shè)備完善的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，沒有體現(xiàn)出智能裝置的安裝位置對(duì)系統(tǒng)綜合效益的影響。本文在綜合考慮各種智能設(shè)備的全壽命周期成本和效益的基礎(chǔ)上，通過算例對(duì)多種智能設(shè)備分別同時(shí)接入系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了估算及對(duì)比。

1 多種智能設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益模型研究

　　1.1 儲(chǔ)能電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型

　　隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，大量的分布式電源接入智能配用電系統(tǒng)，城市地區(qū)電能需求與新增傳輸通道的矛盾越來越大，儲(chǔ)能技術(shù)的重要性日益提高。儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過程中的重要組成部分。電力系統(tǒng)在引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平衡負(fù)荷，不僅可以有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的利用，也可以作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用必將在智能配用電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，并將帶來重大變革。目前具有代表性的、技術(shù)比較成熟的儲(chǔ)能蓄電池技術(shù)主要有：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池（包括釩電池、鋅溴電池）。

　　1.1.1 成本模型

　　(1)投資成本

　　儲(chǔ)能電站的投資成本主要包括：規(guī)劃設(shè)計(jì)成本、物資采購(gòu)成本以及工程建設(shè)成本。

　　C1=CA Wmax+Cp Pmax(1)

　　其中，CA為單位儲(chǔ)能的費(fèi)用(萬(wàn)元/MW·h)；Cp為電力傳輸系統(tǒng)以及能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)單位功率建造費(fèi)用(萬(wàn)元/MW)； Pmax、 Wmax分別為儲(chǔ)能電站的最大功率(MW)和其儲(chǔ)存的最大電能(MW·h)。

　　(2)運(yùn)行維護(hù)成本

　　儲(chǔ)能電站的運(yùn)行維護(hù)成本包括運(yùn)行成本和檢修維護(hù)成本。

　　C2=(Cy+Cw) Pmax(2)

　　其中Cy、Cw分別為能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的單位運(yùn)行費(fèi)用和單位維護(hù)費(fèi)用(萬(wàn)元/MW)。

　　1.1.2 效益模型

　　(1)減少電網(wǎng)擴(kuò)建容量

　　通過在配電網(wǎng)中安裝BESS，可以使儲(chǔ)能站在用電低谷時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，提高電網(wǎng)的負(fù)載率，而在用電高峰時(shí)，將儲(chǔ)存的電能釋放到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷就地供電，減少配電網(wǎng)中傳輸?shù)墓β剩瑥亩古潆娋W(wǎng)所需擴(kuò)建容量減少。所以它在減少電網(wǎng)擴(kuò)建容量方面的收益等值到每年的現(xiàn)值E1可以表示為：

　　其中，Cd為配電網(wǎng)的單位造價(jià)(萬(wàn)元/MW)；?姿d為配電設(shè)備的固定資產(chǎn)折舊率；?濁為儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能效率，包括并網(wǎng)設(shè)備的損耗和蓄電池的充放電損耗；Pmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期最大充放電功率，即額定功率。

　　(2)減少電網(wǎng)網(wǎng)損費(fèi)用

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷充電、負(fù)荷高峰放電，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷，拉平負(fù)荷曲線，提高負(fù)荷率。研究表明：儲(chǔ)能系統(tǒng)在拉平負(fù)荷曲線的過程中，能有效地減少系統(tǒng)的總網(wǎng)損。則儲(chǔ)能裝置的安裝所減少的電網(wǎng)網(wǎng)損費(fèi)用為：

　　荷峰期電網(wǎng)網(wǎng)損節(jié)約費(fèi)用：

　　在儲(chǔ)能電站的整個(gè)壽命周期中，系統(tǒng)在減少電網(wǎng)網(wǎng)損費(fèi)用方面的收益為：

　　E2=Wh0+Wl1(6)

　　其中，h0、hi分別為安裝儲(chǔ)能電站前后荷峰期間的網(wǎng)損率，l0、li分別為安裝儲(chǔ)能電站前后荷谷期間的網(wǎng)損率；th、tl分別為荷峰、荷谷時(shí)間（h）；eh、el分別為峰、谷電價(jià)(萬(wàn)元/ MW·h)；N為儲(chǔ)能電站的壽命。

　　(3)低儲(chǔ)高發(fā)套利

　　在峰谷電價(jià)下，儲(chǔ)能裝置在負(fù)荷低谷、電價(jià)較低時(shí)充電，而在負(fù)荷高峰、電價(jià)較高時(shí)放電，在這個(gè)低價(jià)儲(chǔ)電、高價(jià)賣出的過程中，實(shí)現(xiàn)其顯性經(jīng)濟(jì)收益的年值E3可表示為：

　　(4)新能源并網(wǎng)備用容量

　　由于新能源發(fā)電的隨機(jī)性會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊，需要電網(wǎng)中配備更多的備用容量來應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電的波動(dòng)，儲(chǔ)能電站可以快速調(diào)節(jié)其消耗/發(fā)出的功率，可以更好地替代常規(guī)電源作為新能源發(fā)電的備用容量。為方便計(jì)算，將儲(chǔ)能裝置理想化為均勻充放電，則在充放電期間，其剩余電量在0～Pmax T之間的概率分布為均勻分布，其儲(chǔ)存電量期望值為0.5Pmax T，即儲(chǔ)能裝置可用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的電量期望值為0.5Pmax T。所以有：

　　E4=0.5Pmax Tes(8)

　　其中，es為備用容量的價(jià)格(萬(wàn)元/MW·a)；T為儲(chǔ)能裝置以功率Pmax充電的持續(xù)時(shí)間（h）。

　　(5)減少缺電成本

　　儲(chǔ)能裝置帶來的可靠性效益難以直接定性評(píng)估，但儲(chǔ)能電站安裝于配電站中，可以在停電時(shí)作為應(yīng)急電源為部分重要用戶繼續(xù)供電，減少該配電站的用戶停電損失。為便于衡量和計(jì)算，可將缺電成本用由于電力供給不足或中斷引起用戶缺電、停電而造成的經(jīng)濟(jì)損失來表示。

　　E5=0.5Pmax T(1-As)RIEA(9)

　　其中，As為配電站供電可靠度，RIEA為用戶停電損失評(píng)價(jià)率(萬(wàn)元/MW·h)。

　　綜合以上分析，儲(chǔ)能電站的價(jià)值評(píng)估模型如下：

　　Es=E1+E2+E3+E4+E5-C1-C2(10)

　　1.2 分布式電源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型

　　分布式電源大量接入配用電系統(tǒng)是智能配用電系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)配用電系統(tǒng)的主要特征之一。發(fā)展分布式電源是推進(jìn)能源生產(chǎn)和利用方式變革，合理控制能源消費(fèi)總量的重要舉措。分布式電源規(guī)模較小、布局分散、就近利用、清潔高效，是對(duì)傳統(tǒng)能源生產(chǎn)和利用方式的重大變革。分布式電源包含多種類型，我國(guó)近中期分布式電源的發(fā)展重點(diǎn)是分布式光伏、分布式天然氣及風(fēng)能。

　　1.2.1 成本模型

　　(1)固定成本

　　C1=CDi Pmax(11)

　　其中，CDi為分布式電源的購(gòu)買和安裝費(fèi)用(萬(wàn)元/MW)，Pmax為分布式電源的最大功率(MW)。

　　(2)運(yùn)行維護(hù)成本

　　C2=Cm CDi Pmax(12)

　　其中，Cm為運(yùn)行維護(hù)成本占投資成本的百分比。

　　1.2.2 效益模型

　　DG的效益模型主要體現(xiàn)在環(huán)境效益和減少網(wǎng)損效益兩個(gè)方面。長(zhǎng)距離的輸電傳輸不可避免地會(huì)產(chǎn)生線損，其損失的程度主要取決于輸電線長(zhǎng)短以及輸電路徑的阻塞情況，在用電高峰時(shí)期，線損甚至達(dá)到 20%。DG在靠近負(fù)荷的地方或負(fù)荷端接入，在一定程度上能夠減少線損。研究表明，系統(tǒng)大小與接入分布式電源的數(shù)量和位置相關(guān)。當(dāng)負(fù)荷需求較大時(shí)， DG的運(yùn)行能夠減少系統(tǒng)線損，而當(dāng)負(fù)荷需求較小時(shí)，運(yùn)行 DG反而會(huì)增加線損。

　　減少網(wǎng)損效益El可按照儲(chǔ)能電站減少網(wǎng)損效益的公式計(jì)算得到，其環(huán)境效益即相比于普通電源所減少的環(huán)境成本。

　　綜合以上分析，分布式電源的價(jià)值評(píng)估模型如下：

　　Ed=Ee+El-C1-C2(14)

　　1.3 充電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型

　　電動(dòng)汽車具有顯著的節(jié)能減排和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，推廣應(yīng)用電動(dòng)汽車對(duì)于保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。隨著智能電網(wǎng)的逐步建設(shè)以及電動(dòng)汽車保有量的大幅提高，充換電設(shè)施的基礎(chǔ)性地位更為突出和重要，其對(duì)電網(wǎng)以及電力用戶都將產(chǎn)生多方面的影響。因此，分析智能配用電系統(tǒng)中的電動(dòng)汽車充換電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性具有重要意義。

　　1.3.1 成本模型

　　(1)固定成本

　　固定成本主要是充電站的建設(shè)成本，它包括配變等基礎(chǔ)設(shè)備的固定投資成本Cc1、土地使用成本Cc2和充電站整個(gè)壽命周期內(nèi)的人力成本Cc3。

　　其中，Cc0為配變等基礎(chǔ)設(shè)備的固定單位投資成本(萬(wàn)元/MW)，Pmax為充電站的最大功率（MW），r為貼現(xiàn)率，i為貨幣膨脹率，N為充電站的壽命年限；S0為單位土地使用成本（萬(wàn)元/h），S1為單位人力成本（萬(wàn)元/年）。

　　(2)運(yùn)行維護(hù)成本

　　Cm=Cm0 Pmax(18)

　　Cm0為充電站的單位運(yùn)行維護(hù)成本（萬(wàn)元/MW）。

　　1.3.2 效益模型

　　(1)充換電收益

　　充換電收益與購(gòu)電成本對(duì)應(yīng)，是充換電站向電動(dòng)汽車用戶出售電力所獲得的收益：

　　E1=365Pmax T(eh-el)N(19)

　　T為充電樁以功率Pmax充電的持續(xù)時(shí)間（h）。

　　(2)節(jié)能減排收益

　　電動(dòng)汽車的普及將減小傳統(tǒng)燃油汽車的需求，從而減少汽車的尾氣排放，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

　　E2=365TNd Ld(cc Kds+cK+cco Kdco+ccN KdcN+cK)

　　(20)

　　其中，Nd為充換電站在T時(shí)間段內(nèi)的電動(dòng)汽車數(shù)量，Ld為每輛電動(dòng)汽車每次充電后的平均行駛距離（km），cc、cco、ccN、c分別為煤、CO2、CO、CN化合物和NOx的排放價(jià)格(元/kg)；Kds為單量電動(dòng)汽車的平均節(jié)煤系數(shù)(kg/km)，Kdco、KdcN、K分別為其對(duì)應(yīng)污染物的減排系數(shù)（kg/100km）。

　　綜合以上分析，充換電站的價(jià)值評(píng)估模型如下：

　　Ec=E1+E2-Cc1-Cc2-Cc3-Cm(21)

2 算例分析

　　為了對(duì)包括儲(chǔ)能電站、充電站、分布式電源多種智能設(shè)備接入系統(tǒng)的配電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，并對(duì)比典型智能設(shè)備安裝在配網(wǎng)的電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)兩種不同位置時(shí)對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響，在一配網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)分別安裝智能設(shè)備并使用上述經(jīng)濟(jì)效益模型對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

　　2.1 算例描述

　　該配網(wǎng)是某區(qū)域的一條10 kV配電線路，該條線路有62個(gè)配變，最長(zhǎng)供電半徑達(dá)到4 km；10 kV線路采用電纜與架空混合接線，其中母線出線端多以電纜為主；10 kV架空線主干線的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線路主干線的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節(jié)點(diǎn)較多，有兩塊重負(fù)荷區(qū)域，分別為：節(jié)點(diǎn)23、25處和節(jié)點(diǎn)24處。該配網(wǎng)系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線如圖1所示。

　　由圖1可以看出，在一天中，從上午8：45到晚上21:45大概為高峰負(fù)荷階段，凌晨0:00至上午8：00大約為負(fù)荷低谷時(shí)期。所以根據(jù)該配網(wǎng)系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線，取峰時(shí)間13 h，谷時(shí)間為8 h。

　　表1～表3分別為經(jīng)濟(jì)效益分析中用到的儲(chǔ)能電站、分布式電源和充電站的相關(guān)參數(shù)。

　　2.2 綜合效益分析及對(duì)比

　　2.2.1 在負(fù)荷側(cè)配置智能設(shè)備

　　在負(fù)荷側(cè)的節(jié)點(diǎn)23處安裝容量為0.3 MW的蓄電池儲(chǔ)能裝置，在節(jié)點(diǎn)24處安裝容量為1 MW的分布式電源并在節(jié)點(diǎn)25處配置容量為0.4 MW的充電站。荷峰期智能設(shè)備作為電源給負(fù)荷提供電能，荷谷期則作為負(fù)荷從電網(wǎng)吸收電能，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化負(fù)荷曲線，提高設(shè)備利用率以及降低網(wǎng)損等功能。根據(jù)上述負(fù)荷曲線分析，荷峰時(shí)間為13 h，取峰電價(jià)為0.088萬(wàn)元/MWh；荷谷時(shí)間為8 h，谷電價(jià)為0.0408萬(wàn)元/MWh。通過仿真計(jì)算得到在負(fù)荷側(cè)配置智能設(shè)備后該算例系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益為4 501.8萬(wàn)元。

　　2.2.2 在電源側(cè)配置智能設(shè)備

　　在靠近電源側(cè)的節(jié)點(diǎn)2處安裝容量為0.3 MW的儲(chǔ)能電站，在節(jié)點(diǎn)3處安裝容量為1 MW的分布式電源并在節(jié)點(diǎn)4處配置容量為0.4 MW的充電站。各種智能裝置的成本效益分析同負(fù)荷側(cè)，其收益的不同主要在于減少網(wǎng)損費(fèi)用這一項(xiàng)。通過仿真計(jì)算得到在負(fù)荷側(cè)配置智能設(shè)備后該算例系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益為3 966萬(wàn)元。

　　所以，儲(chǔ)能裝置安裝于配網(wǎng)的不同位置時(shí)，會(huì)對(duì)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算有關(guān)的效益組成部分——減少電網(wǎng)網(wǎng)損費(fèi)用和減少缺電成本方面產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

　　本文比較全面地考慮了儲(chǔ)能電站、分布式電源和充電站多方面的效益和相應(yīng)的全壽命周期成本組成，并建立了三者的經(jīng)濟(jì)效益模型。以此為基礎(chǔ)結(jié)合算例的日負(fù)荷變化，對(duì)多種智能設(shè)備同時(shí)接入系統(tǒng)的配電網(wǎng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析。通過對(duì)在負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)分別安裝多種智能設(shè)備后的配網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和對(duì)比可知，在配網(wǎng)中安裝儲(chǔ)能設(shè)備具有一定的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)智能設(shè)備的安裝位置變化時(shí)，對(duì)降低網(wǎng)損帶來的收益影響最大，而且這部分收益是體現(xiàn)在智能設(shè)備的整個(gè)壽命周期中。綜上，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，將儲(chǔ)能設(shè)備安裝于負(fù)荷側(cè)比電源側(cè)的效果更好，這主要是因?yàn)閷?chǔ)能裝置安裝于負(fù)荷側(cè)，可以有效降低線路的傳輸容量，從而有效地降低網(wǎng)損。

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