用戶側(cè)熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性建模與分析

袁霜晨，蔡聲霞，王守相，黃碧斌

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用戶側(cè)熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性建模與分析

袁霜晨1，蔡聲霞2，王守相1，黃碧斌3

（1天津大學(xué)，智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2南開大學(xué)周恩來政府管理學(xué)院，天津 300071；3國網(wǎng)能源研究院，北京102209）

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，用戶的用能需求呈現(xiàn)多元化，對用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析也需要考慮用戶的多元用能需求。為此，考慮用戶的熱能需求，在用戶側(cè)引入熱儲(chǔ)能，與電儲(chǔ)能一起構(gòu)成熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并構(gòu)建了其數(shù)學(xué)模型；然后，建立了該綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)模型，給出了其初始投資成本、年均成本和年收益的計(jì)算方法。算例部分通過對不含熱儲(chǔ)能的場景和考慮熱儲(chǔ)能的場景分析，比較了兩者的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，引入熱儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然會(huì)提高初始投資成本和年運(yùn)行成本，但也會(huì)提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，使儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資回報(bào)年限縮短，說明了在傳統(tǒng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)引入熱儲(chǔ)能形成與熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的必要性和有效性。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；熱儲(chǔ)能；經(jīng)濟(jì)性分析；用戶側(cè)

隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)和用戶側(cè)多元負(fù)荷的大量接入，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮著越來越大的作用[1-2]。在今后能源格局中，儲(chǔ)能必不可少。合理評估儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益，分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，對于儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來電網(wǎng)中的發(fā)展和推廣具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

對于儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，目前國內(nèi)外學(xué)者主要從可再生能源接入、配電側(cè)以及用戶側(cè)三個(gè)角度開展。在計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入之后帶來的峰谷差電價(jià)收益之外，針對不同的角度，側(cè)重考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同價(jià)值。在分析可再生能源接入側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，重點(diǎn)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑出力波動(dòng)、提高接入能力、減少污染物排放等經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3-4]。在評估配網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，注重考慮延緩輸配網(wǎng)線路建設(shè)、降低輸配電線損、提高電能質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5-6]。在分析用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，側(cè)重點(diǎn)放在提高供電可靠性、提供不間斷供電方面[7-9]。

雖然目前已經(jīng)對儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析做了大量研究，但以上的研究中，往往針對的是電儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析。實(shí)際上，儲(chǔ)能系統(tǒng)除可以存儲(chǔ)電能外，也可以存儲(chǔ)熱能。尤其是在用戶側(cè)多元能源的需要愈發(fā)迫切的當(dāng)代，用戶能源需求將不僅僅局限于電能，也有熱能的需求[10]。因此，在用戶的儲(chǔ)能系統(tǒng)中引入熱儲(chǔ)能存在實(shí)際意義。雖然目前可以利用電制熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能，但如果引入熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，將熱能存儲(chǔ)后再利用也會(huì)具備一定的經(jīng)濟(jì)性。因此，對于用戶側(cè)儲(chǔ)能價(jià)值的分析，本文綜合考慮電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能的情況，在用戶側(cè)建設(shè)鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過安裝電池儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足電負(fù)荷需求和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足熱負(fù)荷需求，計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本、年均成本和年收益，分析引入熱儲(chǔ)能后的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性。

1 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

用戶側(cè)的用能需求包括電能需求和熱能需求，本文的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能兩部分，其中電儲(chǔ)能以鈉硫電池為例，熱儲(chǔ)能采用高溫?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)。用戶對電能的需求可以直接從電網(wǎng)中獲取電能，也可以從儲(chǔ)能裝置中獲取用戶熱能需求除從之前的電制熱設(shè)備中獲取外，也可以從熱儲(chǔ)能裝置中獲取。用戶側(cè)的用能需求如圖1所示，其中實(shí)線代表電能流動(dòng)，虛線代表熱能流動(dòng)。

1.1 電儲(chǔ)能的充放電模型

（2）

1.2 熱儲(chǔ)能的充放熱模型

本文主要考慮高溫?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)。高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)可利用電網(wǎng)低谷電轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮軆?chǔ)存，用于供熱、供冷及炊事（建筑供暖、供冷，工業(yè)供熱，海水淡化，生活熱水及炊事，工業(yè)余熱利用）的活動(dòng)[12]。其充放熱模型與電儲(chǔ)能類似，表達(dá)式為

（4）

1.3 電制熱設(shè)備的數(shù)學(xué)模型

電制熱的工作原理是通過消耗電能以推動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行制熱，制熱量由下式計(jì)算[13]：

2 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性建模

對用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和收益進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性建模。其中成本包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本、年均成本，收益指儲(chǔ)能系統(tǒng)的年收益，包括電儲(chǔ)能分時(shí)電價(jià)收益，熱儲(chǔ)能分時(shí)電價(jià)收益，供電可靠性提升收益，政府補(bǔ)貼和延緩電網(wǎng)升級改造的收益。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本模型

電池儲(chǔ)能的投資成本為：

（7）

熱儲(chǔ)能的投資成本用下式計(jì)算：

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的年運(yùn)行維護(hù)成本模型

其中，

（10）

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的年均成本模型

其中，

（13）

式中，為貼現(xiàn)率，%；表示投資周期，年；為電儲(chǔ)能的一次性投資在項(xiàng)目周期內(nèi)分?jǐn)偟矫磕甑馁M(fèi)用，與年運(yùn)行維護(hù)成本之和作為電儲(chǔ)能的年均成本[14]，熱儲(chǔ)能同理。

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的年收益模型

2.4.1 電儲(chǔ)能分時(shí)電價(jià)收益

電儲(chǔ)能的電費(fèi)收益主要來源于其高電價(jià)放電，低電價(jià)充電的運(yùn)行方式，利用峰谷電價(jià)的差額進(jìn)行盈利，其電價(jià)收益的數(shù)學(xué)模型為：

2.4.2 熱儲(chǔ)能分時(shí)電價(jià)收益

熱儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)收益主要是通過儲(chǔ)熱來實(shí)現(xiàn)，由于本文的熱負(fù)荷滿足是通過電制熱或者熱儲(chǔ)能來滿足，因此熱儲(chǔ)能所帶來的收益實(shí)際也是用電價(jià)收益來衡量，其數(shù)學(xué)模型為：

2.4.3 提高供電可靠性帶來的收益

當(dāng)用戶側(cè)斷電時(shí)，連接用戶的電儲(chǔ)能可作為應(yīng)急電源，優(yōu)先保證重要的負(fù)荷供電，減小用電損失，從而提高供電可靠性。采用缺電損失評價(jià)率方法[16]來計(jì)算可靠性收益，表達(dá)式為：

（19）

2.4.4 其它收益

包括電儲(chǔ)能系統(tǒng)延緩電網(wǎng)升級改造帶來的收益和為：

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

用戶側(cè)綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電儲(chǔ)能系統(tǒng)采用壽命較長的鈉硫電池，容量為200 kW·h，額定充放電功率均為20kW，自放電率為0，其它參數(shù)如表1所示。

表1 鈉硫電池儲(chǔ)能參數(shù)[7, 18]

熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)[12]如表2所示。

表2 熱儲(chǔ)能參數(shù)

電價(jià)采用峰谷電價(jià)，峰谷時(shí)刻和對應(yīng)的價(jià)格[17]如表3所示，高電價(jià)對應(yīng)用電負(fù)荷大的情況，低電價(jià)對應(yīng)負(fù)荷較小的情況。

供電可靠性參數(shù)和其它收益相關(guān)參數(shù)如表4 所示。

3.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

設(shè)定項(xiàng)目周期為15年，貼現(xiàn)率為8%，儲(chǔ)能系統(tǒng)每年運(yùn)行360天。本文研究對象為對熱能有需求、裝設(shè)電制熱設(shè)備的用戶，為了突出引入熱儲(chǔ)能系統(tǒng)對整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，對比分析有無熱儲(chǔ)能的兩種情形，考慮以下兩個(gè)場景：

表3 電價(jià)表

表4 其它參數(shù)

（1）場景一：無熱儲(chǔ)能設(shè)備，電儲(chǔ)能優(yōu)先選擇高電價(jià)時(shí)段放電、低電價(jià)時(shí)段充電，荷電狀態(tài)保持在范圍0.1~0.9，滿足電負(fù)荷；熱負(fù)荷直接由電制熱滿足。

（2）場景二：有熱儲(chǔ)能設(shè)備，電儲(chǔ)能優(yōu)先選擇高電價(jià)時(shí)段放電、低電價(jià)時(shí)段充電，荷電狀態(tài)保持在范圍0.1~0.9，滿足電負(fù)荷；低電價(jià)時(shí)段電制熱工作，產(chǎn)生的熱能作為熱儲(chǔ)能的輸入，熱儲(chǔ)能優(yōu)先存儲(chǔ)熱能，高電價(jià)時(shí)熱儲(chǔ)能優(yōu)先放出熱能，滿足熱 負(fù)荷。

在滿足約束條件的情況下保證電儲(chǔ)能系統(tǒng)每個(gè)工作日完成一個(gè)完整的充放電循環(huán)，其荷電狀態(tài)保持在0.1~0.9，預(yù)計(jì)其使用壽命為15年[18]。

這兩種方式用戶均含電制熱設(shè)備，故電制熱設(shè)備的投資成本、年均成本等均不考慮。兩種方式下儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本，年均成本和年收益分別如圖2、圖3、圖4所示。

由此可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本很高，其年均成本同樣不可忽略。收益部分主要來源于峰谷電價(jià)差收益。在只考慮電儲(chǔ)能的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，在整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)無法回收成本；引入熱儲(chǔ)能后，雖然提高了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本和年均成本，但系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有所增強(qiáng)，每年凈收益達(dá)65004元，約14年回收成本。故熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)在項(xiàng)目周期內(nèi)回收成本可行，說明了引入熱儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 投資收益分析

技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)一般要求項(xiàng)目8年回收成本，而本文建立的熱/電綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)也需要14年才可回收成本。從成本角度考慮，主要是電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能的成本過高，儲(chǔ)能生產(chǎn)制造的技術(shù)限制了其推廣；從收益角度來看，主要收益來源的峰谷電價(jià)差值有待提高，我國的電價(jià)制度也一定程度上抑制了儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。從圖5和圖6可以看出儲(chǔ)能成本和峰谷電價(jià)差對投資回報(bào)年限的影響。其中圖6的參考電價(jià)分別為日本[峰時(shí)和谷時(shí)分別為：32.25日元/ (kW·h)和6.16日元/(kW·h)]和美國[峰時(shí)和谷時(shí)分別為：0.02美元/(kW·h)和0.18美元/(kW·h)]的電價(jià) 機(jī)制[18]。

因此，儲(chǔ)能的成本降低有利于其推廣，峰谷電價(jià)差也對儲(chǔ)能的發(fā)展十分重要。合理的電價(jià)差對縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)的回收年限有著十分重要的作用。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在收益還有很多，例如在延緩電網(wǎng)升級改造等方面，熱儲(chǔ)能的引入，用戶可事先存儲(chǔ)一部分熱能，避免高電負(fù)荷時(shí)仍需要使用電制熱設(shè)備，無疑更加促進(jìn)了電網(wǎng)的延緩升級改造，而這種收益難以量化，但也存在一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文考慮用戶的多元能源需求，主要分析了考慮熱儲(chǔ)能的用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算了其初始投資成本、年均成本和年收益，得出了引入熱儲(chǔ)能可提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論，具備一定的可行性。主要結(jié)論如下。

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本仍是限制其投資回報(bào)年限的主要因素。

（2）引入熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可以大大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，但是由于其成本的限制，需要降低其成本才能得到更好的投資回報(bào)。

（3）提高儲(chǔ)能技術(shù)可降低其初始投資成本，合理的峰谷電價(jià)差可提高其收益，有利于儲(chǔ)能技術(shù)的推廣。

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Economic modeling and analysis of user-side electrical/thermal comprehensive energy storage system

YUAN Shuangchen1, CAI Shengxia2, WANG Shouxiang1, HUANG Bibin3

(1Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2Zhou Enlai School of Government, Nankai University, Tianjin 300071, China;3State Grid Energy Research Institution, Beijing 102209, China)

The demand for energy gradually diversifies on user side along with the development of smart grid. Therefore, demand for diversified energy on user side needs to be taken into account based on economic analysis of electrical energy storage system (ESS). This paper firstly introduces thermal ESS to form an electrical/thermal comprehensive ESS together with electrical ESS considering the users’ demand for thermal energy. Then the economic model of the comprehensive ESS is built and the initial investment cost, average annual cost and annual earnings of new ESS are analyzed. A test case including two scenarios in which the first does not have thermal ESS while the second takes it into consideration is given to compare the economic performance. The results show that introducing thermal ESS will improve the initial investment cost and annual operating cost, but the whole economy of ESS will rise, thus shortening the life of return of investment, which illustrates the necessity and effectiveness of introducing thermal ESS.

energy storage system; thermal energy storage; economic analysis; user side

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0082

TQ 028.8

A

2095-4239（2017）05-1099-06

2017-05-31；

2017-06-21。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51361135704），國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目。

袁霜晨（1993—），男，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)政策與電力市場，E-mail：yuanshuangchen@tju.edu.cn；

王守相，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芘潆娤到y(tǒng)分析、分布式發(fā)電系統(tǒng)分析與仿真，E-mail：sxwang@tju.edu.cn。