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大规模电池储能调频应用运行效益评估

北极星储能网  来源:储能科学与技术  作者:饶宇飞  2020/11/27 10:33:49  我要投稿  

北极星储能网讯:摘 要: 具有优异控制性能的电池储能系统成为应对故障或大功率扰动后因电网调频能力不足而使系统频率特性恶化的新一代支撑手段,但储能应用市场机制尚未厘清以及效用与价值衡量尚不系统从而制约储能在调频领域的发展。

针对该问题,本文在分析各有侧重的储能调频价值量化研究成果基础上,结合设备、基建、运行维护等成本构成分析,从储能运营商、发电侧及电网侧等各价值流向方收益、环境效益与社会效益等维度,构建了储能调频系统的运行效益评估的指标及数学模型,包含财务净现值、收益率、投资回收期、节约化石能源以及气体与烟尘减排等可量化的评估指标模型。

(来源:储能科学与技术;ID:esst2012;作者:饶宇飞)

采用最小二乘法确定主、客观指标权重决策思想,最终提出了可全面客观反映储能不同准则层的经济性以及评判各准则层的运行效益综合评估模型,探索了储能调频经济可行性分析思路。以某省网已实现挂网运行的9MW/4.5MW·h储能联合300MW火电机组调频为例,评估了储能在电网调频应用中的综合运行效益情况以及投资盈亏点,可为储能在调频领域的应用提供投资决策参考。

随着新能源发电与大容量特高压直流的快速发展,满足负荷需求的电源结构发生较大变化,电网面临调频资源日益减少、频率特性恶化的结构性困境。电池储能系统优异的控制性能可用于电力系统的功率-频率控制,改善电网频率稳定特性。我国已出台一系列政策,鼓励储能作为独立载体参与电网调频等辅助服务,致力解决因高比例新能源渗透后引发的电网安全问题。当前储能的技术与价格水平也最接近调频应用需求,许多企业针对该领域开展了示范应用或商业化运营。

储能在电网调频领域可实现的功能已逐渐明晰,具有的作用也已得到行业认可,但储能应用的市场机制尚未厘清以及效用衡量缺乏论证等,价值评判依据的缺失将影响储能调频的介入方式及应用定价。目前对储能在电网参与调频的价值量化研究各有侧重,但尚未有系统性针对储能调频应用的运行效益评估方法。

当前研究主要从单一价值、多元价值和平准成本对系统进行价值评估。文献[11]通过分析联合调频系统的补偿收益并建立补偿模型来进行效益评估,但其只考虑了补偿效益;文献[]以净收益最大化对储能电站进行经济评估,但仅分析了储能侧价值。这些评估方法只考虑了系统的单一侧收益,未能综合考虑储能系统产生的多重价值。文献[14]从发电侧、用户侧多维度建立了计算模型,但未考虑补偿收益;文献[15]对储能调频的电量效益和环境效益参量进行了测算,但并没有考虑运行效益评估的体系建立与方法确定;文献[16]从建设和运行维护两方面对成本进行了分析,但未涉及到相关具体模型的建立;文献[17]在计算工业用户配置储能系统的效益时忽略了电池建设、维护等方面的成本,其评估方法虽然考虑较多元化,但评估维度仍不全面。

文献[18]计算并比较了储能投入前后的系统效益,直观展现了储能运营方的价值体现,未着眼于社会与环境等层面;文献[19]分别对单主体和多元主体提出了综合多维度的评估方法,采用专家打分法的评价指标,主观性较强。上述研究主要从储能调频效益的一方或两方进行了指标建模,但没有形成体系,也未考虑可兼顾主观与客观指标的评估方法。

储能参与电网调频的应用即便为单一应用,其对应的受益主体也为多方的,因而,考虑价值的多重流向及量化方法为有效评判储能调频运行效益的有效手段。鉴于此,本文将建立发电侧、电网侧、储能运营商和社会价值等多维度效益模型,兼顾可量化与不可量化的评价指标,确定各项收益的指标权重,根据收益表征的效益评估方法对指标层进行计算,获得评价结果,对成本进行量化处理,结合成本与调频补偿收益,最终获得储能系统静态投资回收期。本文建立的运行效益评估模型可开展各指标层的独立评价和所有准则的综合评价,可全面客观地反映电力储能在不同准则层面的经济性。

1 储能调频运行效益评估维度及体系

1.1 储能调频运行效益评估的维度

在项目生命周期的每一个阶段,都需要人力、物力、技术和资金等资源要素的消耗,对项目的运行效益进行评估是确保项目能够实现预期经济目标的目的。

任何项目的建设与运营都依赖于一定的环境,也都将对环境带来或多或少的作用,这些作用既有积极的,也有消极的,储能调频项目也不例外。因此,为了全面评价储能调频项目的运行效益,需要从多方面评价其所带来的影响。储能调频项目在实施后会对当地的社会、经济和环境等产生一定的影响,如:对于社会影响而言,主要体现在减少调频辅助服务领域对于传统高污染化石能源的依赖性;对于环境而言,促进与煤电等化石能源火电同等规模的新能源消纳相比,可有效抑制破坏环境气体的排放等。

除此以外,总体经济效益评估是储能调频项目运行效益评估的重要组成部分,其是以国家的财税法规、市场规定等为依据,对储能调频项目的盈利、偿债等财务能力进行综合评价和预测的过程。

因此,侧重从项目经济、社会和环境等几个维度对储能调频项目的运行效益展开评估分析,如图1所示。

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储能调频项目运行效益评估维度

1.2 储能调频运行效益评估体系

经济效益是评估项目建设成功的重要指标,对储能调频项目来说,需要从财务评价的角度进行效益评估。财务评价以评价项目财务可行性为目的,其法律支撑是国家财税法律和制度,分析的主要内容是项目的财务盈利能力、债务清偿能力、资金营动能力等,其主要指标为财务净现值、财务内部收益率和投资回收期等。项目社会影响评估主要通过对促进新能源消纳、节约传统化石能源两方面进行评价。促进新能源消纳评价的重点是项目是否符合可再生能源发展战略、是否遵循地方电力发展规划、是否明显促进电网对新能源的接纳水平;节约传统化石能源评价是替代传统火电机组参与电网调频,促进了新能源发电空间,减少了对化石能源的消耗与依赖。

项目环境影响评估主要通过有毒气体与烟尘减排、有害物质污染两个方面进行。储能系统替代传统化石能源发电参与电网调频服务后可减少化石能源消耗,减少碳、硫氧化物等气体的排放,这对当地环境保护具有积极推动作用;但储能系统退役以后的报废处理将会造成当地环境的二次污染,进行对环境二次污染的评估以检验退役处理的有效性。

依据上述分析和内容,选取7个涉及项目经济、社会影响和环境影响的评估指标建立指标体系,如图2所示。

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图2基于各层次结构的储能调频项目运行效益评估体系

2 储能调频运行效益评估模型及方法

储能调频项目可为电厂、电力系统、储能投资方、社会带来多重价值,这些价值有些为显性价值,可以建立数学模型进行定量分析;另一些为隐性收益,只能定性分析。在项目经济目标评估中可量化的参量有价值流向方效益的计算,固定与损耗成本及运维成本等;社会与环境影响主要从环保效益和化石能源节约等方面建立模型。

2.1 项目经济效益模型

2.1.1 储能调频项目投资成本分析储能调频系统的成本可分为建设成本、运行维护成本两大类。建设成本包括设备成本与基建成本,其中,设备成本由储能电池系统、PCS系统、电气系统成本等组成。储能系统的设备成本核算中,电池系统的成本采用能量成本[元/(kW·h)],PCS系统的成本采用功率成本(元/kW)进行核算,若设某储能系统的容量为P(kW)/E(kW·h),则设备总成本计算如式(1)所示。

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式中,为储能系统总设备成本;为电池系统成本;为PCS系统成本;为控制系统成本,主要包括储能系统主控单元及电厂DCS改造两部分;为远动系统成本,主要包括储能端新增的测控、远运系统及原有机组远动系统的改造等;为电气设备成本;为电池系统的单位能量成本[元/(kW·h)];为储能电池系统的单位功率成本(元/kW);其中,控制系统成本、电气设备成本、远动系统成本根据实际的工程情况核算。

储能调频项目的基建成本主要包括必要的电缆、钢板购买费用以及施工费用等。运行维护成本包括电费成本和设备日常运营维护费用。其中,电费成本包括储能系统充放电损耗和辅助用电损耗,储能系统平均辅助用电功率小于50kW/3MW储能单元,实际辅助用电损耗由储能单元数量决定。设备日常运营维护成本主要包括检查费用、零件更换费用、人员管理费用。

2.1.2 储能调频项目价值流向的效益分析

由储能替代发电机组参与调频服务,可为电厂带来直接收益的同时,也可增加电网的灵活性,提高电力可靠性,提高电能质量,降低碳排放,将在电厂、电网等各个环节产生价值。

(1)储能运营商效益

储能调频的收入主要来自于电网对其参与的调频量进行的补偿费用,由于暂时还没有针对储能调频的补偿原则与依据,且该应用偏功率型应用,以及当前国内已实现挂网运行的储能调频示范案例均为依据调节里程补偿。因而,参考现行适用于火电厂的《双细则》中基于调节里程进行测算与补偿的计算方法,储能调频系统第天的补偿计算如式(2)所示。

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式中,为储能或储能联合调频系统i第m天的总补偿收益;为储能系统的分成收益;为储能或储能联合调频系统i第m天的综合性能指标;为储能或储能联合调频系统i第m天的调频深度;为调频补偿标准;为收益分成系数,若为独立调频系统,则=1,若为火储联合调频系统,则取值由电厂与储能运行商协调确定,<1。

(2)发电侧效益

储能参与调频运行后,发电厂侧的收益主要来自于煤耗减少的收益。对于火储联合运行的系统,火电厂的收益包括考核减少带来的收益,以及由联合系统调频收益的分成部分。

储能辅助火电机组参与调频服务后,机组由2%额定功率的速率转为1%额定功率的速率响应自动发电控制指令,根据速率可计算储能参与调频前后的煤耗差值,总煤耗减少收益如式(3)所示。

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式中,Rh为总煤耗减少收益;Qd为调节期间总发电量;m为每度电煤耗差值;rh为标准煤价。针对火储联合调频系统,机组的可用率和调节性能均可达到标准要求,将获得可用率和调节性能考核减少的收益,机组可用率和调节性能考核都采用定额考核方式,考核机组的年考核减少收益如式(4)所示。

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式中,QC为考核电量;KA为实测机组可用率;PN为机组容;为可用率考核系数,数值为1;KP为实测机组调节性能;为调节性能考核系数,数值为2;为上网电价。火电厂从火储联合调频系统的补偿收益分成额如式(5)所示。

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式中,为火储联合调频系统中的火电机组所在的火电厂分成得到的补偿收益。(3)电网侧效益投入储能系统,电力系统的调频资源变得更加优质,总调频补偿费用会降低,降低费用为投入储能前后的调频补偿费用差值,其计算如式(6)所示。

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式中,为总调频减少费用;为未投入储能时机组i的综合性能指标;为未投入储能时的机组i的调节里程;为补偿标准;为投入储能时机组i的综合性能指标;为投入储能时的机组i的调节里程;n为参与调节的机组总数。

2.1.3 储能调频项目经济财务模型储能调频工程财务评估需要以项目实际投产后数据为基础,计算出项目主要财务数据及指标,并进行分析,分别为财务净现值、财务内部收益率和投资回收期。设设备投资发生在第0年,则财务净现值的计算如式(7)所示。

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式中,为财务净现值,为第年(=0,1,2,…,n),为项目总投资,为设备的使用年限,为第年税后总收入,为年贴现率。设设备投资发生在第0年,以税后总收入计算财务内部收益率,计算如式(8)所示。

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式中,为年贴现率。设设备投资发生在第0年,以总净收入计算投资回收期,不考虑时间成本,计算静态投资回收期,静态投资回收期计算公式如式(9)所示。

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式中,t为静态投资回收期;为第i年净收入。

2.2 项目环境效益模型

储能辅助火电机组参与电网调频后,通过减少火电机组调频的参与度而降低煤耗,减少了污染物的排放,从而获得环境收益。消耗1千克煤排放的污染物量见表1,污染物主要包括CO2、SO2、,其中CO2的含量约占95%。

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CO2、SO2和NOx的减排价值之和即为环境收益如式(10)所示。

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式中,为环境收益;为减少总煤耗;为1千克煤所排放的CO2惩罚费用;为1千克煤所排放的SO2惩罚费用;为1千克煤所排放的NOx惩罚费用。

2.3 项目社会效益模型

快速调频资源如储能系统的引入,会带来电力系统调频资源总需求量的减少,如美国PJM市场的研究表明,储能等快速调频源的参与,可将系统总的调频需求从高峰负荷的1%降为0.7%,由此,减少用于调频服务的机组消耗的化石燃料。

2.4 储能调频运行效益评估方法

评估方法首要是建立整体的指标评估体系,再将评估指标细化并赋予相应的权重,最后通过评估函数得到项目整体的评估结果。目前,指标权重的确定方法有专家打分法和熵信息法。为了兼顾可量化与不可量化的不同评价指标,使评估结果更为系统、全面、准确,本文采用最小二乘法来确定权重,设各指标的综合权重设如式(9)所示。

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建立的最小二乘法决策模型见式(10)。

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式中,ωj为主观偏好权重向量;wj为综合权重向量;μj为客观权重向量;bij为标准化决策指标向量。根据已确定的权重,对储能联合调频综合效益进行评估。评估计算见式(11)。

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式中,为储能联合调频应用效益;为储能侧补偿收益;为发电侧补偿收益;为考核减少收益;为发电煤耗减少收益;为总调频减少费用;为社会环保收益。综上所述,考虑各维度评估内容与最小二乘法的储能调频应用运行效益评估流程如图3所示。

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3 算例分析为验证本文所提指标和评估方法的有效性,以华北区域电网某省网已实现挂网运行的某9MW/4.5MW·h锂离子电池储能系统辅助300MW火电机组参与电网调频的运行效益数据进行分析,火储联合调频系统的收益测算依据该省网的补偿原则进行。

3.1 储能联合调频项目成本计算

(1)设备成本设备成本主要为电池系统成本,本系统中,电池储能系统、能量转换系统以及相关的集装箱等设备,合计3000万元,控制系统合计500万元,设备成本总计3500万元。(2)基建成本基建成本主要为必要的电缆、钢板购买费用,施工费用等,本项目此部分成本合计500万元。(3)运营成本运营成本主要为电费成本、设备维护成本以及日常运营费用,其中电费成本全年约为100万元,日常运营费用全年约为100万,设备维护成本及更换成本第一年为0,第二年开始按每年100万计。

3.2 储能联合调频项目收益计算

(1)调频补偿收益计算根据仿真结果以及实际项目测试值显示,储能联合调频系统运行过程中,项目的综合性能指标平均值约为4.7,日均调节深度约为1000MW,调频补偿标准受市场政策影响很大,经历了5~10元/MW的大幅波动,设全年运行300天,取5元/MW、10元/MW分别计算调频补偿收益。

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基于式(2),计算可得调频补偿标准为5元/MW时的调频补偿收益为705万元。

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调频补偿标准为10元/MW时的调频补偿收益为1410万元。发电机组与储能设备的利益分成依据二者的相关合同自行确定,假若利益分成比主要为8∶2,测算调频补偿标准为5元/MW、10元/MW时储能侧与发电侧的补偿收益。

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调频补偿标准为5元/MW时的储能侧、发电侧调频补偿收益分别为564万元和141万元。

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调频补偿标准为10元/MW时的储能侧、发电侧调频补偿收益分别为1128万元和282万元。

(2)煤耗减少收益计算

假设机组每年有效利用时间为4000 h,额定容量为300MW,煤耗差按3kg/(MW·h)计算,则减少的煤耗为3600吨。

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取标准煤价格600元/吨,基于式(3)计算可得煤耗减少收益为216万元。

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(3)考核减少收益计算实测火电机组的可用率为50%,调节性能为0.5,取机组容量为300MW,上网电价为0.35元/(kW·h)。基于式(4),计算可得年考核减少收益为186.5万元。

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(4)总调频费用减少收益计算

根据电力系统实际运行数据,未投入储能前,共有30台火电机组参与调节,一年的总调频费用为70740万元。项目实测表明,一套储能联合调频系统的调节效果相当于2台性能较差的火电机组,因此1套储能联合调频系统(10MW储能+300MW机组)的投用,可减少2台性能靠后的300MW的机组。储能参与调频后的全年补偿总费用为69913万元。

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因此,系统全年总调频减少费用为827万元。

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(5)环境效益计算投入一套储能联合调频系统后,每年减少的煤耗为3600吨,基于式(10)和表(1),计算因煤耗减少带来的环境效益为692万元。

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根据以上计算,当调频补偿标准为5元/MW、10元/MW时,投入1套储能联合调频系统后的各项效益如表2所示。由表2可知,当调频补偿标准不同时,只有储能侧和发电侧补偿收益发生变化,考核减少收益、发电煤耗减少收益、总调频费用减少收益及环境收益均不发生改变。

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3.3 储能联合调频项目综合效益评判

(1)综合效益计算采用最小二乘法计算,得到的指标权重W为

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根据储能联合调频系统的各项效益以及指标权重,基于式(11)计算调频补偿标准为5元/MW、10元/MW时得到的综合效益。

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调频补偿标准为5元/MW时的系统综合效益为389.29万元。

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调频补偿标准为10元/MW时的系统综合效益为544.9万元。储能联合调频系统的投入会给系统带来增长的综合效益,因此在系统储能系统需求量饱和之前,可以尽量增加储能联合调频系统的数量,给电网带来更多的综合效益。

(2)财务指标计算

在实际运行过程中,发电侧煤耗减少收益、考核减少收益以及电网等其他附带的效益并不能得到落实,因此仅从储能联合调频系统获得的调频补偿收益出发,计算投资回收期。项目按10年寿命期进行计算,基于式(8)计算项目的静态投资回收期。

①调频补偿标准为5元/MW时的静态投资回收期计算。调频补偿标准为5元/MW时,项目的财务净现值为-796万元,内部收益率为1%。项目的投资收益情况如表3所示,第1年净收入为505万元,2~10年每年净收入为405万元,项目投资回收期为9.6年。以当前储能系统使用寿命为10年算,其处于盈亏的临界点。

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注:项目总投资4000万元。

②调频补偿标准为10元/MW时的静态投资回收期计算。调频补偿标准为10元/MW时,项目的财务净现值为3307万元,财务内部收率率为20%。项目的投资收益情况如表4所示,第1年净收入为1210万元,第2~10年每年净收入为1110万元,项目的投资回收期为3.5年。

69.jpg注:项目总投资为4000万元。

调频补偿标准的增大会减少项目投资回收期,如果长期调频补偿标准保持在较低的水平(如5元/MW),则该项目的投资回收情况并不乐观。

4 结 语

新能源高渗透下电源结构的变化引发电网调频结构性恶化困境,储能调频的工程项目得到广泛推广,但其效用与价值评估尚不完善,针对这一问题,开展了储能调频运行效益评估研究,取得的主要结论如下。

(1)基于储能调频应用在发电侧、电网侧及储能运营侧等各方的价值获利点,从项目经济、社会和环境等几个维度建立了运行效益评估内容与指标,形成评估体系,建立了可量化指标的评估模型,提出了可减少主、客观权重决策偏差的评估方法。

(2)通过算例得出,在电网配置9MW/4.5MW·h的储能系统储能联合调频系统投入前后,当调频补偿标准为5元/MW和10元/MW时,系统每年的综合效益分别为389.29万元和544.90万元,储能联合调频系统在调频性能优化的同时还能带来经济效益。

(3)同时,上述储能调频系统每年能给电网减少8725万元的调频支出,当调频补偿标准为5元/MW和10元/MW时项目的静态投资回收期分别约为9.6年和3.5年,5元/MW的补偿标准为盈亏的临界点,若补偿低于该值将不具备投资经济性

原标题:大规模电池储能调频应用运行效益评估

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