宋远军, 何 凯, 石进永, 柯慧敏

(1.国网电动汽车服务江苏有限公司, 江苏 南京 210019;2.国电南瑞科技股份有限公司, 江苏 南京 211106)

0 引 言

风力发电和光伏发电等可再生能源的快速发展,在带来大量电能的同时也因为可再生能源的波动性和间歇性,威胁到电网的稳定运行。储能技术是解决该问题的重要技术,可提高分布式电源的接入能力,保证供电可靠性,实现用户智能电能管理[1-2]。从应用分布上看,新增投运项目应用在集中式可再生能源并网、辅助服务和用户侧等领域[3-5]。因此,针对用户侧储能方案经济性评估方法研究对于储能技术的应用发展具有极高的参考价值。

储能技术大量应用于示范工程,已有大量学者对此开始展开深入研究。其中,文献[6]基于储能协调蓄热式电锅炉消纳风电供暖系统的方案进行了经济性评估,并建立“源-网-荷-储”联合运行系统风电消纳经济性评估模型。文献[7]充分考虑我国电力市场环境的特点,对电储能技术参与辅助服务的理论及其应用作了深入研究。文献[8]提出基于电池储能技术的削峰填谷控制策略,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。文献[9]建立了考虑电池充放电深度及寿命的储能电站初始投资、运行维护成本计算模型,并建立包括发电侧、电网侧、用户侧以及政府补贴的储能电站收益计算模型。文献[10]在分析我国现行储能相关政策的基础上,提出工业园区用户侧电池储能系统的运营模式,考虑储能不同充放电运行策略,建立用户侧电池储能系统经济性分析模型。

虽然目前针对储能装置的经济性评估方法较多,但是对于不同的应用场景,储能的功能及需求容量差异很大,因此建立针对不同场景下储能配置方案及经济性评估方案意义重大。本文针对用户侧储能装置的成本和收益模型进行经济性分析,结合江苏省现行峰谷电价变化曲线,通过储能每日充放电次数和是否参与企业负荷削峰服务提出2种储能收益方案,得到2种储能方案经济性评估总模型,最后通过算例对2种储能方案进行经济性评估分析。

1 储能装置运营成本及收益模型

1.1 成本模型

用户侧储能投资成本主要包括初始投资成本和运营成本。

1.1.1 投资成本模型

储能装置的初始投资成本主要与储能系统的容量和功率有关。其初始投资成本为

Cinv1=kpPi+kqEi

(1)

式中:Cinv1——储能系统投资成本;

kp——储能系统峰值功率相关的成本系数;

Pi——储能系统的额定功率;

kq——电池组及其管理系统的单位容量成本系数;

Ei——储能系统容量。

考虑储能装置的使用寿命和基准收益率,可得储能装置年均投资成本为

(2)

式中:i——贴现率;

N——系统使用寿命周期。

1.1.2 运营成本模型

储能系统的年运营成本主要包括系统的运行成本和维护成本,主要成本来源于电池及其管理系统的故障预防及消除、人工维护和巡检等。年运营成本为

Cope=koEi+krCr

(3)

式中:Cope——储能系统运营维护成本;

ko——单位容量年运营维护成本系数;

kr——电池替换率;

Cr——电池更换成本。

1.2 收益模型

对于用户侧,储能装置的收益包括需量电费管理收益、峰谷套利收益、调频收益、需求响应收益。

1.2.1 需量电费管理收益

针对需量电费缴纳,电力公司给出两种选择:第一种按照变压器容量收取;第二种按照厂区月最大负荷收费(按需收费)。通过第二种方法,用户可以利用储能系统调整最大负荷来降低费用,实现间接收益。加入储能系统可以在用电低谷时储能,在用电高峰时放电给负载,从而降低整体负荷,达到降低变压器容量费用的目的。

(4)

式中:Sdfc——削减尖峰负荷带来的间接收益;

se——最大负荷时的容量费(按月最大负荷收取);

k——储能系统具有10%长期过载能力系数,取1.1。

1.2.2 峰谷套利收益

峰谷套利是指储能装置在低谷用电、平峰或高峰放电的方式利用峰谷电价差来获得收益的方式。在峰谷电价下,储能装置通过这种低储高发的形式获得的收益称为直接收益:

(5)

式中:Spva——峰谷套利获得的直接收益;

spi、svi——第i时段内的峰谷电价;

ΔT——时段i峰谷套利的持续时间。

1.2.3 调频服务收益

《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则(试行)》中提出:储能电站根据电力调度机构指令进入充电状态的,按其提供充电调峰服务统计,对充电电量进行补偿,具体补偿标准为500 元/MWh[11]。调频服务收益为

(6)

式中:Sfre——储能系统调频服务带来的收益;

Pr——调频容量;

sf——容量电价;

K——调节性能的得分;

Δt——每次调频服务的持续时间。

1.2.4 需求响应收益

用户侧需求响应是指电网公司采取的激励措施,用以引导用户进行负荷管理,以使电力需求在不同时间段上得到合理分配,从而提高电力系统的使用效率和可靠性。某地需求侧响应补贴如表1所示[12]。

表1 某地需求侧响应补贴

参与需求响应的电力用户和负荷集成商(售电公司)服务费用计算公式如下:单次响应服务费用=实际响应负荷×服务补偿标准×服务费系数。其中,实际响应负荷为当日各响应时段平均负荷与对应基线平均负荷差值中的最低值;服务费系数按当天实际响应量与应约响应量比例确定,比例为80%～100%时的补贴系数为0.8,比例为100%及以上时的补贴系数为1,比例超过120%时,实际响应量按应约响应量的120%计算。因此,可得需求响应收益为

(7)

式中:Sres——储能装置通过需求响应获得的收益;

kr——服务费系数;

s′i——服务补偿,按日计算,按年结清,原则上不高于20元/(kW·d);

Pirl——第i天实际响应负荷。

2 用户侧储能方案经济性分析

2.1 用户侧储能收益方案

用户侧储能可以通过峰谷套利实现直接收益,同时也可以参与电网调度指令提供辅助服务。为使用户侧储能收益最大化,本文结合江苏省现行峰谷负荷变化曲线,通过储能每日充放电次数和是否参与企业负荷削峰服务设计出以下2种储能收益方案。江苏省现行峰谷负荷变化如图1所示。

(1) 单次循环峰谷套利收益+需量电费管理收益+需求响应收益+调频服务收益。在此收益模式下,用户侧储能仅在谷段对储能设施进行充电,在峰段阶段放电来获取单次充放电循环的收益。同时通过在谷段、平段充电,在用户侧负荷高峰时放电对用户侧负荷进行削峰实现间接盈利。此外,需求响应收益必须由电网机构向用户侧储能下达需求响应时才能获得收益,但在实际情况中,电网机构向用户侧下达指令的时间和次数都很少。为了方便计算,在此忽略由需求响应在其他收益模式下的影响,由此在储能系统经济性成本和收益分析基础上得出该方案每一年的收益。

(2) 两次循环峰谷套利收益+需求响应收益+调频服务收益。在此收益模式下,用户侧储能可以在谷段充电、峰段放电和平段充电、峰段放电实现每日两次循环峰谷套利。根据江苏省现行峰谷电价变化可知,若用户侧储能参与两次充放电循环峰谷套利,则无法参与到企业自身的负荷削峰中,再加上电网机构每年不固定的向用户侧发送的需求响应获取的收益,得到该方案每一年的收益。

2.2 储能系统经济性评估总模型

将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有关。结合储能系统的成本分析,得出2种储能方案系统经济性评估总模型:

式中:S1、S2——储能方案一和储能方案二的收益。

功率约束应满足充放电功率Pi+和Pi-不超过功率极限;为提高储能设备的正常使用寿命年限,使其处于适宜的运行环境,需要对储能设备的荷电状态SOC进行约束。

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(10)

SOC=Cres/Cact

(11)

式中: SOC——表征电池剩余容量的指标;

Cres——电池剩余容量;

Cact——电池实际容量。

3 算例分析

以江苏某企业为例进行经济性评估,储能系统为2台500 kW/2 MWh集装箱系统。以1.25元/Wh计算,储能系统总造价约为500万元。现在结合上述储能系统经济性评估总模型,对该企业的储能收益进行分析计算。

3.1 需量电费管理收益

以该典型工作日为标准计算需量电费管理收益。负荷曲线变化情况(典型工作日)如图2所示。由图2得出该日最大负荷为5.8 MW,加入储能系统后最大可释放1 100 kW的功率用以抵消峰值负荷,江苏省需量电费为40元/(kW·月),则每月可为企业减少4.40万元的容量电费,但是平段充电电费2.28万元,以此估算每年可节省25.44万元。

3.2 峰谷套利和调频服务收益

江苏省用户电压等级为1～10 kV时,高峰电价为1.150 7元/kWh,平段电价为0.690 4元/kWh,低谷电价为0.330 1元/kWh。DOD为0.9,充放电损耗为15%,每年工作天数为320天。

由用户侧储能收益方案中江苏省现行峰谷电价可以得到,峰谷套利收益有每日单次循环和每日两次循环两种方案,再考虑将用户侧储能充放电行为参与到电网调频服务中。假设用户侧储能全负荷参与调频服务,考虑电池容量衰减,由于两种收益方案中储能电池每天的循环次数不同,所以电池衰减率不一致。按照锂离子电池全生命周期最大充放电次数2 000次折算,方案一储能电池使用寿命为6.25 a,电池衰减为3.2%;方案2仅为3.13 a,电池衰减为6.4%。两种储能方案下每一年调频服务收益与峰谷套利收益变化如表2所示。

3.3 需求响应收益

需求响应收益取决于用户侧储能设备是否被调用,只有被调用,才能获得收益,因此该部分收益不确定性较大。以12元/kWh进行计算,每次可获得48 000元,估算平均每年被调用5次,则每年从需求侧响应获得的收益为24万元。

结合上述4种储能收益分析,通过对该企业储能4种收益的计算,可以得出该企业储能系统在2种储能收益方案下的投资收益变化曲线。储能系统投资收益变化曲线如图3所示。

表2 两种储能方案下每一年调频服务收益与峰谷套利收益变化

由图3可见,方案一在2.5 a后开始盈利,在储能电池的全生命周期内可获利620.09万元。方案二不到2 a就开始盈利,由于每天循环次数两次,故电池的全生命周期比方案一缩减50%,在储能电池的全生命周期内可获利263.05万元。因此,若企业追求储能电池全生命周期内获得利益最大化,可以考虑方案一的储能方案实现经济性收益;若是企业追求短时间的储能盈利,可以考虑方案二的储能方案实现经济性收益。同时,由于方案二投资周期短,所以可以在储能全生命周期结束后进行二次投资,实现经济最大化。

4 结 语

随着储能技术在用户侧的大量应用,用户侧储能经济性评估开始受到关注。本文主要对用户侧储能方案进行经济性评估的研究,并提出了2种储能收益方案,由评估结果可以看出,若企业追求经济最大化,可以考虑方案一的储能方案;若企业追求尽快储能盈利,可以考虑方案二的储能方案(实现经济性收益)。