面向商业大厦的储能微网系统及其经济效益分析

　　摘要：在能源互联网的需求侧，工商业用电是电力消费的主要组成部分，将储能技术灵活地应用在用户需求侧具备非常大的市场前景，有望获得不错的社会经济效益。商业大厦具有用电负荷明确，规律性强，用电总量大，负荷集中等特点，有利于在大厦内建设集中式的储能系统，结合用电需求对大厦用电情况进行优化控制，实现大厦用电的削峰填谷，不仅有利于优化电网的负荷曲线，还有利于帮助企业实现大厦的节能运行。本文以上海某商业大厦为研究对象，对其用电情况进行统计，结合上海市电价跌策，设计配套的储能系统及其运行方式，并给出相应的经济性分析。

　　关键词：储能;商业大厦;削峰填谷;经济性分析;灵敏度分析;优化控制

　　0引言

　　储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术[1,2]。储能能够为电网运行提供调峰、周频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段[3];储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术[4,5];储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础[6]。在能源互联网的需求侧，工商业用电是电力消费的主要组成部分，将储能技术灵活地应用在用户需求侧具备非常大的市场前景，有望获得不错的社会经济效益[7,8]。

　　商业大厦具有用电负荷明确，规律性强，用电总量大，负荷集中等特点，有利于在大厦内建设集中式的储能系统，结合用电需求对大厦用电情况进行优化控制，实现大厦用电的削峰填谷，不仅有利于优化电网的负荷曲线，还有利于帮助企业实现大厦的节能运行[9,10]。本文以上海某商业大厦为研究对象，对其用电情况进行统计，结合上海市电价政策，设计配套的储能系统及其运行方式，并给出相应的经济性分析。

　　1负荷及上海市电价分析

　　1.1负荷概况

　　大厦负荷主要分为空调系统设备(制冷主机、电锅炉、地源热泵、冷却塔及空调附属设备)用电、给排水系统设备(生活热水热水器、给水泵与排水泵)用电、消防系统设备设施用电、电梯设备用电、通讯机房用电、应急照明用电和办公用电、停车场照明用电，各路负荷率不超过单路总容量的80%[11]。

　　1.2历史用电量分析

　　根据上海某大厦的电费单，统计2014~2017年每月用电负荷情况可以发现，每年的1、2、3、6、7、8、9、12月共计8个月的用电量较大，原因是这几个月为大厦空调用电高峰;而4，5，10，11月共计4个月用电量较少，原因是空调需求较少。大厦的用电量逐年递增，2015~2017年平均增长速度7.16%。

　　1.3典型月份日负荷曲线分析

　　根据商业大厦的用电量数据，冬季和夏季用电量较为接近，选择2016年7月作为代表月进行分析;春季和秋季用电量较为接近，选择2016年11月作为代表月分析。夏季工作日时，上海某商业大厦在6：30~18：00时段内负荷最高，在夜间，由于存在储冷系统用电，因此负荷也较高，在4：00~6：00和18：00~22：00时段内，用电负荷最低。非工作日时，白天用电负荷较为平稳，夜间用电负荷较高。

　　秋季工作日时，上海某商业大厦在7：30~18：00时段内负荷最高，在夜间，由于储热系统用电较少，因此夜间开始时负荷也较高，夜间后半时段负荷较低。非工作日时，白天用电负荷较为平稳，夜间用电负荷较高。

　　1.4上海市电价政策分析

　　我国一般对大工业生产用电，即受电变压器总容量为315kVA及以上的工业生产用电实施两部制电价制度。两部制电价包括基本电价和电度电价两部分。两部制电价制度是指基本电费按用户的最大需量或用户接装设备的最大容量计算，电度电费按用户每月记录的用电量计算的电价制度。按目前电价规定，实行两部制电价的用户，根据其功率因数的高低，实行功率因数调整电费的办法。

　　其构成包括以下三个部分：基本电费、电量电费、功率因数调整电费[12]。根据上海市电价政策该商业大厦电价采用两部制分时电价，35kV接入。大厦用电电价如下：非夏季峰时段电价为1.058元/kWh，平时段电价0.626元/kWh，谷时段电价为0.313元/kWh。峰谷价差为0.745元/kWh，峰平价差为0.432元/kWh;夏季峰时段电价为1.100元/kWh，平时段电价0.668元/kWh，谷时段电价为0.242元/kWh。峰谷价差为0.858元/kWh，峰平价差为0.432元/kWh。

　　2储能建设规模分析

　　2.1储能规模分析

　　根据上海市电价峰、平、谷时段的分布情况，选择谷时段充电、平时段充电和峰时段放电的基本策略。非夏季，上海市峰平谷时段依次为：谷-平-峰-平-峰-平-谷，共有两个峰时段，因此储能系统最多可以循环两次;夏季，上海市峰平谷时段依次为：谷-平-峰-平-峰-平-峰-平-谷，共有三个峰时段，因此储能系统最多可以循环三次[13]。采用“并网不上网”的运行方式，储能系统最大输出电量不应超过用户负荷所需电量，即储能系统允许输出电量不应超过用户峰时段用电量。

　　为了充分利用大厦用电的峰时段，储能系统存储的电量需尽量在峰时段全部释放[2]。可以看出大厦的非工作日的用电量较小。其中，夏季非工作日13：00~15：00的用电量与其他时段差距较大，但是此时段的持续天数较少，持续时间也较短，如按此用电量考虑则经济性较差。不考虑夏季非工作日13：00~15：00的用电量，2016年线路1峰时段非工作日平均用电量为1411kWh，线路2峰时段非工作日平均用电量为1180kWh，峰时段非工作日平均总用电量为2591kWh。

　　考虑到2017年总用电量相对2016年增长8%，估算2017年线路1峰时段非工作日平均用电量为1524kWh，线路2峰时段非工作日平均用电量为1274kWh，峰时段非工作日平均总用电量为2798kWh。选用的磷酸铁锂电池柜单个容量为160kWh，则线路1储能电池柜配置数量为9面，线路2储能电池柜配置数量为7面，共需16面电池柜。最终确定储能电池总容量为2.56MWh，其中线路1容量为1440kWh，线路2为容量为1120kWh。

　　2.2储能系统组成

　　储能系统由储能电池柜、汇流柜、控制柜、PCS等组成，如图5所示。储能电池所发电量经过汇流柜、PCS逆变后接入电网。PCS可实现电能的双向转换：在充电状态时，PCS作为整流器将电能从交流变成直流储存到储能装置中;在放电状态时，PCS作为逆变器将储能装置储存的电能从直流变为交流，输送到电网。

　　3储能系统运行策略

　　储能系统运行策略：充分利用每个峰时段进行放电;储能系统充放电功率不得超过储能PCS功率;储能系统放电功率不得超过线路用电负荷;储能系统充放电功率应尽量保持平稳[3,4,5,11,12]。根据上海市最新电价政策，夏季每天共有3个峰时段，结合大厦2016年7月的平均负荷分析，储能系统接入前后系统侧供电曲线变化。按照上述运行方式，夏季工作日线路1满充满放循环次数2.69次，线路2满充满放循环次数2.62次;夏季非工作日线路1满充满放循环次数2.89次，线路2满充满放循环次数2.61次。夏季线路1总计满充满放循环次数为246.0次，线路2为258.9次。

　　4经济效益分析

　　按照2016年上海某商业大厦用电负荷数据，线路1的储能子系统预计满充满放循环次数为785.3次，线路2的储能子系统预计满充满放循环次数为796.1次。按照保守计算的原则，本储能系统平均年满充满放循环次数按照790次计算。储能系统接入大厦的用户电网，在电价谷时段和平时段进行充电，在峰时段对大厦内用户电网进行供电，并以市电价格的97.5%(后续需由业主内部评审)作为储能系统的放电电价。本项目每年收入按如下公式计算[9]：年收入=放电电量×放电单价(不含税)-充电电量×充电单价(不含税)。

　　4.1盈亏平衡分析

　　盈亏平衡分析是在一定的生产能力条件下，分析项目成本费用与收益间的平衡关系，找出项目盈利与亏损之间的转折点(盈亏平衡点)，考察项目对市场的适应能力和抗风险能力[7]。盈亏平衡分析如图10所示。经过计算在资本金内部收益率为8%的情况下，本项目的生产能力利用率达到51.15%，售电量达到814.16MWh时，项目收入等于总成本费用，达到盈亏平衡。

　　4.2敏感性分析

　　该项目做了调整所得税后项目投资的敏感性分析。基本方案的税后项目投资财务内部收益率(税前)为9.8%，考虑项目在实施过程中一些不确定因素的变化，分别对静态投资、营业收入(峰期卖电电价)、经营成本做了提高10%、5%、降低5%、10%的单因素变化对内部收益率影响的敏感性分析。其中静态投资的提高或降低对IRR的影响最为敏感，其次是卖电电价，而经营成本的变化影响最小。通过对该项目进行盈亏平衡分析以及不确定性分析，可以看出该项目的主要评价指标较好，由此推断本项目在经济上可行。

　　5结束语

　　1)在商业大厦中安装储能系统，有利于缓解电网峰值压力。在商业大厦内部建设储能系统在谷时段和平时段进行充电，在峰时段进行放电，有利于降低电价峰时段的用电负荷，从而减少对电网的压力，延缓电网的改造时间，缓解供电压力，促进电力工业健康长远地发展。2)有利于减少企业用电成本。在实行分时电价的售电市场，电力用户可根据自身实际情况安排用电计划，储能设施可在电价较低时充电、电价较高时放电，将电价较高时段的电力需求转移至电价较低的时段实现，从而在不改变用户行为的前提下，帮助用户降低整体用电成本。

　　3)有利于提高企业用电可靠性。建设储能系统，利用峰谷电价差获取经济效益。同时，储能系统也可作为电力用户的备用电源，在电网供电不足时或电网故障时可以启动储能系统向用户供电，从而提升供电可靠性。4)符合国家政策。当前国家陆续出台了多项储能政策，推进储能产业的发展。一些地方政府提出了对储能技术研发、示范项目建设的要求和规划，从智能电网或可再生能源发展的角度制定的政策强调了储能的重要性。本工程的建设符合国家政策。

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