混合儲能系統(tǒng)在風電網(wǎng)應用的經(jīng)濟性模型與評價分析

詹仁俊

(國網(wǎng)福建省電力有限公司調(diào)度控制中心，福州 350003)

高溫超導磁儲能系統(tǒng) (high temperature superconducting magnetic energy storagesystem，簡稱SMES)的響應速度快、功率密度大，儲能效率高，能改善電能質(zhì)量，使電力系統(tǒng)中的大功率、高效率的電力儲能裝置成為可能；同時，電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，簡稱BESS)具有儲能密度高和使用壽命較長(每次放電不超過儲能的80%時可充3 000次)，可以更好地保證供電可靠性，并起到削峰填谷的作用?；趦煞N儲能方式的混合儲能系統(tǒng)使電網(wǎng)中的快速、大功率、小體積的電力儲能裝置成為可能[1,2]。因此，在未來的電網(wǎng)建設(shè)中，混合儲能系統(tǒng)有望成為一種重要的電力儲能裝置，并對發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)及用電側(cè)起到智能化的能量調(diào)控作用。

由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)沒有大容量快速存取電能的器件，一旦系統(tǒng)受到擾動引發(fā)機電功率失衡就可能對系統(tǒng)構(gòu)成威脅，嚴重時會導致系統(tǒng)崩潰，特別對于可再生能源電網(wǎng)，該情況變得更加嚴重。基于超導儲能和電池的混合儲能系統(tǒng)能為可再生能源電網(wǎng)系統(tǒng)提供快速響應容量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增大輸電線路的輸送極限功率，并可抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動、改善供電品質(zhì)。美國研制的首臺SMES用于阻尼500 kV輸電線路上的低頻振蕩穩(wěn)定性系統(tǒng)效果良好[3]。

本文考慮超導儲能系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的研制成本與可再生能源電網(wǎng)棄風損失等因素建立混合儲能系統(tǒng)的成本經(jīng)濟性模型，將其應用在風電場中進行收益分析，可為混合儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)應用的經(jīng)濟性分析提供重要參考。

1 混合儲能系統(tǒng)風電場應用經(jīng)濟性模型

1.1 福建某風電場模型

福建某風電場一期工程(48 MW)建造于2013年，通過一回110 kV線路接入電網(wǎng)，2017年風電年累計利用小時數(shù)2 880 h，上網(wǎng)電量為1.72億kWh，如圖1所示。近期擬開展二期工程(72 MW)建設(shè)，合計裝機120 MW，年發(fā)電量預計為4.2億kWh。為此，本文根據(jù)該風電場的棄風狀況，介紹了一個由10 MJ/37 MW的超導儲能和20 MWh/5 MW磷酸鐵鋰電池混合儲能系統(tǒng)共同抑制棄風收益的實例。通過計算棄風損失價值、新建輸電線路投資和建設(shè)混合儲能系統(tǒng)投資成本，從而比較新建線路與購置混合儲能系統(tǒng)在棄風情況下的收益值。

圖1 風電場基地拓撲圖

1.2 儲能系統(tǒng)成本模型

超導儲能磁體的儲能量與成本計算如下。

線圈的儲能量E計算為

(MJ)

線圈成本W(wǎng)sc計算為：

Wsc=la×10-6

(百萬元) (2)

式中l(wèi)——環(huán)形磁體線圈的總長度，m；a——高溫超導帶材的成本，取455元/m。

單位儲能所需的成本：

Q=Wsc/E

(百萬元/MJ) (3)

電池儲能系統(tǒng)的成本W(wǎng)bettery：

Wbettery=b·Wf

(百萬元) (4)

式中b——每千瓦時電池儲能系統(tǒng)的成本，例如對磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，取b=0.2萬元/kWh[4]；Wf——電池儲能系統(tǒng)儲能電量。

1.3 混合儲能收益模型

在一個給定的負荷增長率下，可以確定電網(wǎng)投資期限值[5]：

(4)

式中RC——投資值；r——負荷增長率，在0-1之間；D——電網(wǎng)所需負載容量；n——投資年限。

接入混合儲能系統(tǒng)時，當電網(wǎng)由于穩(wěn)定問題無法消納多余的能量時，超導儲能磁體和電池系統(tǒng)共同作用調(diào)節(jié)功率和存儲風能，反之，就釋放能量給電網(wǎng)。在這種情況下，電力網(wǎng)絡(luò)的新投資期限nnew可以計算求出：

(5)

式中nnew——采用混合儲能系統(tǒng)后的投資期限；SC——儲能系統(tǒng)的最大儲能容量。

電網(wǎng)投資效益是通過計算電網(wǎng)設(shè)備因為延期投資而節(jié)省的支出，它是通過比較電網(wǎng)設(shè)備年均未來投資的凈現(xiàn)值來計算經(jīng)濟效益。分電網(wǎng)使用和未使用混合儲能系統(tǒng)兩種情況。

最終效益ΔPV評估公式[6]為

(6)

式中PVi，n，j——不含混合儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)組成部件i的投資值和投資期限；PVnew,i，nnew,i——含混合儲能系統(tǒng)的投資值和期限；N——電網(wǎng)的組件數(shù)；Asseti——部件i的資產(chǎn)成本；d——折扣率；Annuityfactor——年金系數(shù)，在0和1之間。

2 經(jīng)濟性分析與評價

介紹并分析混合磁儲能系統(tǒng)在實際風力發(fā)電場中提高風力發(fā)電效率的應用事例。為了避免大量棄風，對比了在該風力發(fā)電場新建輸電線路和應用混合儲能系統(tǒng)所需成本。針對避免棄風現(xiàn)象的經(jīng)濟效益方面，將混合儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)線路進行了對比。

2.1 棄風

當?shù)仉娋W(wǎng)難以就地消納時需要縮減風能，這導致被縮減掉的風能失去其價值。該風場二期工程后如不新建輸電線路預計棄風率將超過30%，棄風成本可由棄風總量乘以風力發(fā)電場電價單價求出，見表1。

表1 某風場棄風情況

2.2 新線路投資

為了避免棄風現(xiàn)象，傳統(tǒng)電網(wǎng)改造通常加強110 kV輸電線路的能力，但新建輸電線路規(guī)劃審批難度大，建設(shè)周期長。特別是當?shù)仉娋W(wǎng)難以消納的，還需要通過長距離輸電實現(xiàn)風能輸送。對該風場新建線路進行分析，投資估算如表2。

表2 某風電場電網(wǎng)投資總結(jié)

2.3 SMES投資

在風電廠安裝超導磁儲能系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)。表3為使用壽命為30年的超導磁儲能系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)在縮減風能上的所需投資，其中包含了制冷機和功率轉(zhuǎn)換器的成本[7]。本案例中采用的電池為磷酸鐵鋰電池，具備3 000次的循環(huán)充電能力?；旌舷到y(tǒng)同時具備了大功率和高儲能量的特性。

表3 混合儲能系統(tǒng)投資總結(jié)

2.4 經(jīng)濟性成果分析

這兩個系統(tǒng)均以適應該風力發(fā)電場的豐富風能而開發(fā)。根據(jù)風電場容量等效計算，其投資成本及收益見表4。由表4可以看出，若不采取任何措施應對棄風現(xiàn)象，該風力發(fā)電場的年度棄風率30%，棄風成本為1 008萬美元。若建立新輸電線路提高能量輸送且假設(shè)其預期壽命為20年，則其年度投資成本為11.26萬美元，可減小棄風率到3%。若將容量為10 MJ/37 MW的超導磁儲能系統(tǒng)和20 MJ/5 MW磷酸鐵鋰電池混合儲能系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)該系統(tǒng)可在30年內(nèi)運行良好，則其年度成本為52.47萬美元，同時減小棄風率至12%。

可見，新建線路和裝備混合儲能系統(tǒng)都可以節(jié)省棄風損失，從而減少系統(tǒng)成本。從表4所列成本可知，該案例中新建線路投資成本約為混合儲能系統(tǒng)投資成本的21.6%，從等效棄風率可見，新建線路棄風率相比混合儲能系統(tǒng)棄風率減小了9%，在應對棄風方面比較有優(yōu)勢。一是由于目前超導體和鋰電池的成本相對較高，案例中鋰電池在30年周期內(nèi)需經(jīng)歷3次投資，本文未考慮后兩次更換成本的下降。以國家電網(wǎng)張北風光儲輸工程為例，其一期采用64 MWh/14 MW的磷酸鐵鋰電池(含相關(guān)變流設(shè)備)，成本超過450萬/MWh，而在近年成本已下降到1/3，可以預期的是儲能系統(tǒng)成本將持續(xù)下降。二是本案例中新建輸電線路條件成熟、風電在福建電網(wǎng)能源比重中占比不高，具備就地消納條件，而風電的大量并網(wǎng)將降低火電利用小時數(shù)，目前未討論該成本。三是儲能系統(tǒng)可快速穩(wěn)定風電場輸出的電能，平滑短期波動，可節(jié)省用于穩(wěn)定電壓和輸出頻率的電力設(shè)備的成本，本文也未討論。因此混合儲能系統(tǒng)在未來將具有吸引力，聯(lián)合應用超導磁儲能和電池儲能的混合儲能系統(tǒng)在風力發(fā)電場的應用前景非?？捎^。

表4 年成本和收益總結(jié)

3 結(jié)語

本文基于年度老化模型，提出超導磁儲能和電化學混合儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)應用的經(jīng)濟性模型，并依據(jù)系統(tǒng)部件投資延期值對電網(wǎng)投資收益進行評估。與建造傳統(tǒng)輸電線路相比，混合儲能系統(tǒng)目前在工程造價并不占優(yōu)勢。但由于該系統(tǒng)有穩(wěn)定再生能源系統(tǒng)的能力和削峰填谷的功能，且超導材料等儲能技術(shù)在技術(shù)進步同時成本正在不斷降低，應用前景將十分可觀。

參考文獻：

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