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新能源侧的储能空间如何展望?

北极星储能网  来源:兴业电新    2020/7/14 14:19:27  我要投稿  

北极星储能网讯:本报告回答了关于新能源配储能的三个核心问题:

1)密集出台的新能源配置储能政策的背后本质是什么?

政策的背后是电网稳定性要求与新能源波动性愈发凸显的矛盾。风电光伏渗透率的快速提升对电力系统提出了严峻考验,现有灵活性资源已逐渐无力支持电网接纳如此高比例的波动性能源,储能作为更优质的灵活性资源,可以有效平滑新能源出力、提供调频调峰等辅助服务。

(来源:微信公众号“兴业电新”作者:朱玥 范昭楠)

2)储能可以为新能源带来哪些收益,经济性到底如何

储能的加入可以使得新能源成为电网友好型的优质电源,同时帮助新能源实现多种价值,包括满足电网硬性要求、平滑出力曲线、提供辅助服务等。

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我们对某光伏地面电站配置储能的三种场景进行测算:分别为:无储能、有储能(仅实现减少弃电功能)、有储能(减少弃电同时提供辅助服务)。

当储能系统仅具备削峰填谷功能时,内部收益率难以满足8%的要求,因为弃电获得的额外收益不足以抵消储能成本。但储能参与调频市场后,可获得额外的辅助服务收入,内部收益率虽然仍低于无储能场景,但已高于8%。但随着储能成本进一步降低或者辅助服务收益提高,经济性也有望得到解决。

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3)新能源侧的储能空间如何展望?

我们对2024年不同储能渗透率下的装机进行测算,中性情景下储能累计空间可达27.95GW/55.91GWh,年均复合增长率149%,预计2020年新增装机0.87GWh,在2024年有望实现年度新增33.49GWh。

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○ 我们对储能产业链进行了拆解,目前电池仍是系统核心利润环节,BMS和逆变器为重要组成部分。

储能系统主要包括电池、逆变器(PCS)、电池管理系统(BMS)等。其中电池成本占比约为67%,对储能电站成本影响最大,其次为变流系统及BMS,分别占据成本的10%、9%左右。

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储能电池在每GWh储能系统中可贡献利润约2.65亿元,储能逆变器每GWh贡献利润约0.39亿元。电池管理系统(BMS)虽然为产业链中的细分行业,但其技术壁垒较高,现阶段研发成本吞噬了大量利润,后续行业龙头有望实现高额回报率。单独的系统集成业务在2019年处于微亏状态,主要原因是行业初期系统集成的专业化水平较低,商业模式不够清晰时往往承担着较大风险。

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01搭配储能是新能源“上位”的必经之路

1.1 电网的特殊性:电力供需实时平衡

我国的电网是世界上电压等级最高、输送容量最大、线路长度最长的电网,电网的稳定性要求极高。然而最细微的供需失衡也会导致电网的频率波动,当供给大于需求则导致频率上升,供给小于需求则导致频率下降。同时电网的频率只能限定在极小的范围内波动(国网规定不超过±0.2Hz),因此需要调度系统通过实时调节各类电源的发电出力维持频率不超过稳定极限。

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○ 灵活性资源同样是维持电网稳定运行不可或缺的要素。

灵活性资源是电网中除了电源和用户这两个基本要素以外的隐性关键要素。

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电网的稳定运行条件包括电压稳定、频率稳定以及事故备用等,这些都需要辅助资源来实现,我们称之为灵活性资源,灵活性资源的最主要功能就是实时调节电力的供需“天平”保证电网稳定。我国的峰谷电价价差就是灵活性资源的典型价值体现方式之一,高峰电价的背后是支付灵活性资源的成本。

○ 为什么灵活性资源越来越稀缺?电力生产和消费革命的必然趋势

在传统能源时代,电力灵活性资源并不稀缺,煤电和燃机就可以承担灵活性资源的角色,因为燃煤和燃机是可调、可控的。而当今以新能源高比例接入和新能源汽车爆发为代表的电力生产和消费方式正在发生深刻变革,导致电力供需两侧的波动性增强,对灵活性资源提出了更多数量、更高质量的要求,依靠传统资源已然难以为继,灵活性资源的价值必然需要单独体现。

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1.2政策背后的挑战:新能源渗透率快速提升对电网提出了严峻考验

近期多省密集发布了或鼓励或强制新能源配置储能的政策,背后反映了电网灵活性资源稀缺与新能源渗透率持续提升之间正在加剧的矛盾,同时也反映出电网对于储能的需求越来越大。

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○ 风电光伏具有天然波动性和不可预测性

风电:出力日内波动幅度最高可达80%,出力高峰出现在凌晨前后,从上午开始逐渐回落,午后到最低点,“逆负荷”特性更明显。

光伏:日内波动幅度100%,峰谷特性鲜明,正午达到当日波峰,正午前后均呈均匀回落态势,夜间出力为0。

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○ 风电和光伏出力难以预测,增大了电网运行调度的难度

风电光伏出力受气象因素影响较大,然而气象因素无法做长期预测。即使做短期预测,风速、风向和云量等因素变化也非常复杂,难以准确预测。这使得风电和光伏出力准确性下降,给电网运行调度造成了难度。

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国家推进清洁低碳转型的战略部署下,我国近5年风电光伏装机规模不断扩大。截至2019年,风电装机规模已达210GW,光伏装机规模达到了204GW。

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风电和光伏装机合计占发电装机比例已在2019年超过20%,作为发展最快的两种可再生能源,风电和光伏在电源侧占比越来越大。2019年我国发电装机容量为2010GW,其中风电和光伏占比分别为10.4%和10.1%。在新增光伏装机中,分布式光伏装机占比为40%。相比集中式光伏,分布式光伏具有安装灵活、投入少和方便就近消纳的优点,越来越受到中小用户的青睐,预计未来装机比例会不断增大。

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随着风电光伏装机规模的扩大,我国风电光伏发电量和其在总发电量的占比都逐年增长,风电和光伏对电网的稳定性影响越来越大。截至2019年,风电发电量达到4057亿度,发电量占比为5.54%;光伏发电量达到2243亿度,占比为3.06%。

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1.3储能是更优质的灵活性资源

自特斯拉于1882年发明了交流电以来,电力已经深刻地改变了这个世界。传统观念中电能最显著的特征就是产销实时特性,绝大部分电能在生产出的那一刻就需要被使用,而无法被储存。储能的出现让电力可以被存储,可以看做是“电力仓库”,通过电力时移维持电网平衡。

储能是更优质的灵活性资源。电力灵活性资源的供应主体较少,传统意义上的主体为煤电、燃机,近年来出现了新的主体——电储能。相对于前两种资源,储能更环保,且具备优异的调节性能、灵活的安装方式和高质量的调节能力等多种优势,必将成为未来最主要的灵活性资源。

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02多重价值并存,经济性拐点临近

储能的加入可以使得新能源提升为电网友好型的优质电源,同时帮助新能源实现多种价值,包括满足电网硬性要求、平滑出力曲线、提供辅助服务等。

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2.1满足电网调频要求,获取优先并网资格

调频是指通过电网频率偏离一定值后,电网中的发电机组通过控制装置调节有功功率的增减限制频率变化的手段。电网中有一次调频和二次调频,一次调频和二次调频为频率波动时的主要调频手段。

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传统的电网调频往往通过火电机组或水电机组来实现,风电和光伏发电机组不仅本身不具备调节能力,其出力的间歇性还增加了电网的调频负担。随着光伏风电发电比例不断增大,电网的调频需求越来越大。为了缓解调频压力,国内包括山西在内已经有多个省份出台政策,要求新能源(风电场、光伏发电站)通过保留有功备用或者配置储能,同时通过快速响应改造实现一次调频功能,只有具备一次调频功能的场站才可并网运行。

2019年6月28日,新疆发改委和新疆能监办正式联合发布《关于开展发电侧光伏储能联合运行项目试点的通知》,要求试点范围内3GW光伏电站原则上按照不低于光伏电站装机容量15%,且额定功率下的储能时长不低于2小时配置,据此推算储能总装机不低于350MW/700MWh。首批试点共36家,后由于投资方对项目经济性疑虑较大,最终改为5家,至2020年1月已投运3家,均采用磷酸铁锂电池。2020年4月湖南省电力公司发布《关于做好储能项目站址初选工作的通知》,湖南省境内28家企业承诺配套新能源项目总计建设388.6MW/777.2MWh储能设备。

○ 储能是帮助新能源实现一次调频的最优选择

调频功能要求发电机组具备发电出力的双向调节能力,也就是具备能量备用功能,如采用预留发电容量方式,对新能源机组则意味着永久性不能满发。这对于新能源机组来说无疑会造成大量的发电量浪费,导致经济性下降。

采用配置储能方案,系统响应速度更快。在接收到调频指令后,储能装置快速响应,达到稳定的技术指标;等风电光伏出力逐步跟上后,逐渐减少储能出力。通过灵活的充放电方案,无需限制发电。即使在发电峰值,也具备提升出力的能力。

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为保证储能的高效利用,优化储能配置,可以将储能设备按容量分为大容量储能和小容量储能两部分。在电网频率频繁波动的区域,频繁动作小容量储能装置;在小储能不能满足要求时,再用大容量储能补充。这样可以最大程度减少全部储能装置的动作次数,实现储能装置的经济利用。

2.2 通过减少弃电率,提供辅助服务获取经济收益

伴随着风光电高比例接入,消纳不畅导致的弃风、弃光问题愈发突出。虽然近年来全国整体弃风、弃光现象得到改善,但局部地区仍弃电严重,如新疆、甘肃、内蒙等地,仍存在弃电超过5%的情况。随着新能源渗透率继续提升,弃电风险将持续存在。

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配置储能系统以后,通过制定合理的充放电策略可以有效避免弃电。以风电为例,在凌晨期间,风电出力往往会超过负荷,此时电网会发出限电指令,无储能时只能弃电,配置储能以后则可以在这期间给储能系统充电,在白天非限电期间储能放电,避免了弃电损失。同时储能还可以提供调峰、调频等辅助服务获取收益,目前新疆等地区已经出台了新能源储能参与调峰政策,度电收益达0.55元/kWh。

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辅助服务的本质是通过调节电网中电力的供需关系维持系统的平衡,具体为维护电力系统安全稳定运行所需的服务,广义概念包括基本服务和有偿服务,一般均指有偿服务,具体包括:调峰、AGC调频、无功调节、自动电压控制、旋转备用、黑启动等。目前调频、调峰辅助服务已经建立较为完善的市场机制。

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2.3 新能源配置储能的经济性分析

2.3.1 储能度电收益应根据不同场景分别分析

储能系统本身不生产电力,只能通过“电力时移”创造价值,其度电收益完全取决于所在的应用场景,因此我们有必要根据其不同的应用场景分别测算度电收益。

○储能减少弃电的度电收益可认为等于新能源上网电价。

○储能提供调峰辅助服务收益为调峰辅助服务度电单价,一般也以“元/kWh”计算,如新疆公布储能调峰度电收益为0.55元/kWh。

○储能提供调频辅助服务的度电收益较为复杂,因为调频辅助服务一般以调节里程作为计量单位且计算方式较为复杂,因此我们有必要进行折算。

调频服务度电收益的详细测算,目前大多数地区采用如下计算方法:

调频收益 = 调节里程(MW)×性能指标Kp×里程单价(元)

性能指标Kp = 响应时间指标K1+响应精度指标K2+调节速率指标K3

广东及福建地区还引入了容量补偿,容量补偿主要是指根据机组调节能力确定的固定收益。

我们对上述补偿标准进行归一化处理,建立服务全过程模型:假设某100MW机组配置15MW/30MWh储能,某时刻下达调频指令“+9MW”,假设储能系统基本实时响应,新能源机组有一定滞后,整个调频过程持续2分钟,此过程中储能系统逐步减少放电功率,机组逐步增加功率。

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