用戶側(cè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本效益及投資風(fēng)險(xiǎn)分析

潘福榮， 張建赟， 周子旺， 張 興， 鄭旭初

（1． 國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司， 浙江 寧波 315000；2． 浙江優(yōu)能電力設(shè)計(jì)有限公司， 浙江 寧波 315100）

0 引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照安裝位置的不同， 可分為發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、 輸配電側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能， 相對(duì)前兩者， 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體項(xiàng)目相對(duì)更小， 也更接近電力用戶。 截至2017 年底， 用戶側(cè)儲(chǔ)能占全部應(yīng)用規(guī)模的27%， 其中工商業(yè)削峰填谷占用戶側(cè)儲(chǔ)能的73%， 是目前中國唯一進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的電池儲(chǔ)能領(lǐng)域[1]。

當(dāng)前， 已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究[2-13]。 文獻(xiàn)[2]通過分析與計(jì)算， 確定了儲(chǔ)能產(chǎn)品的目標(biāo)成本， 分析了降低成本的主要途徑。 文獻(xiàn)[3-7]在成本方面只考慮了投資成本和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用， 沒有考慮置換成本、 廢棄處置成本。 文獻(xiàn)[3]考慮了用戶側(cè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在減少用戶配電站建設(shè)容量和降低購電費(fèi)用方面為用戶帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 對(duì)上海地區(qū)某企業(yè)安裝的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了分析， 但沒有定量分析各影響因素對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的影響。 文獻(xiàn)[4]雖然考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)在減少電網(wǎng)擴(kuò)建容量、 削峰填谷降低總網(wǎng)損成本、 低儲(chǔ)高發(fā)套利、 作為新能源發(fā)電備用容量和提高可靠性效益5 個(gè)主要方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但沒有區(qū)分利益主體。 文獻(xiàn)[5]建立了包括發(fā)電側(cè)、 電網(wǎng)側(cè)、 用戶側(cè)以及政府補(bǔ)貼的儲(chǔ)能電站收益計(jì)算模型， 但用戶側(cè)經(jīng)濟(jì)效益只考慮了減少電量電費(fèi)。 文獻(xiàn)[6]建立了評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型， 但只從削峰填谷方面分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益。 文獻(xiàn)[7]結(jié)合大型企業(yè)用戶對(duì)電能質(zhì)量和用電可靠性的需求， 對(duì)配置柴油發(fā)電機(jī)和電池儲(chǔ)能進(jìn)行了成本/效益分析。 文獻(xiàn)[10]分析負(fù)荷側(cè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在延緩設(shè)備投資收益、 直接收益、環(huán)境效益、 政府補(bǔ)貼4 個(gè)方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值， 但成本方面也只考慮了投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。 文獻(xiàn)[11]提出了適用于不同類型電池儲(chǔ)能的全壽命周期成本模型， 但沒有區(qū)分不同用戶類型， 沒有考慮市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境對(duì)用戶側(cè)電池儲(chǔ)能年均成本的影響。 文獻(xiàn)[13]分析了儲(chǔ)能在不同應(yīng)用領(lǐng)域的價(jià)值收益模式， 初步建立了儲(chǔ)能在不同收益模式下的收益模型， 但沒有針對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[16]分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)的應(yīng)用模式和經(jīng)濟(jì)效益， 但沒有進(jìn)行定量計(jì)算。

由以上分析可知， 當(dāng)前對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能的研究存在以下問題： 儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本收益模型考慮不全面， 成本收益模型針對(duì)多個(gè)效益主體， 沒有對(duì)用戶進(jìn)行細(xì)分， 沒有定量分析其投資風(fēng)險(xiǎn)。

本文建立了儲(chǔ)能全壽命周期成本模型和用戶側(cè)收益模型， 基于浙江兩部制電價(jià)及分時(shí)電價(jià)政策， 考慮不同的充放電策略， 以不同類型的工商業(yè)用戶儲(chǔ)能項(xiàng)目為例， 對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算， 并采用Crystal Ball 軟件對(duì)投資風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

1 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本收益模型

1.1 全壽命周期成本模型

各類蓄電池儲(chǔ)能的成本結(jié)構(gòu)相同， 全壽命周期成本包括初始投資成本、 運(yùn)行維護(hù)成本、 置換成本和退役成本。

（1）初始投資成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池組、 PCS（功率變換系統(tǒng)）、 BMS（電池管理系統(tǒng)）、 監(jiān)控系統(tǒng)等。 初始投資費(fèi)用主要與系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和傳輸功率有關(guān)[2]，初設(shè)投資成本計(jì)算公式如下：

式中： C1為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本； Pes為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率； Qes為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量； kp為與儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入、 輸出的峰值功率相關(guān)的成本系數(shù)； kq為與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量相關(guān)的成本系數(shù)。

（2）年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

儲(chǔ)能系統(tǒng)的年運(yùn)行維護(hù)成本包括儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本和維護(hù)成本， 主要是電池日常、 定期的人工維護(hù)， 如電池及其管理系統(tǒng)故障預(yù)防及消除、電池定期人工巡檢等。 年運(yùn)行維護(hù)成本可根據(jù)式（2）計(jì)算[14]：

式中： C2為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本； kom為單位容量年運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。

（3）置換費(fèi)用

當(dāng)電池儲(chǔ)能壽命周期小于實(shí)際項(xiàng)目周期時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行更換， 置換費(fèi)用主要來源于電池本體。電池儲(chǔ)能的置換成本為：

式中： C3為電池每次置換成本； α 為電池成本的年均下降比例；k 為電池更換次數(shù)；n 為電池壽命。

（4）廢棄處置成本

廢棄處置成本指儲(chǔ)能設(shè)備的壽命周期結(jié)束后，為處理該設(shè)備所需支付的費(fèi)用， 主要包括設(shè)備殘值和環(huán)保費(fèi)用支出兩方面。 設(shè)備殘值與初始投資成本和回收系數(shù)有關(guān)， 為負(fù)值； 環(huán)保費(fèi)用支出主要指回收電池所付出的成本。

隨著電池儲(chǔ)能回收機(jī)制的建立和日益完善，回收價(jià)值對(duì)電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性影響越來越大。 對(duì)鉛炭電池來說， 隨著鉛回收技術(shù)的進(jìn)一步提升，目前鉛炭電池可實(shí)現(xiàn)100%回收， 設(shè)備殘值可達(dá)到初始投資的20%。 廢鋰電池的處理， 首先要對(duì)其進(jìn)行放電、 拆解、 粉碎、 分選， 拆解之后的塑料以及鐵外殼可以回收， 然后再對(duì)電極材料進(jìn)行堿浸出、 酸浸出， 多種程序之后再進(jìn)行萃取。 鋰電池的回收技術(shù)復(fù)雜， 成本高昂， 目前尚無很好的回收方案， 沒有明確的回收價(jià)值， 設(shè)備殘值可看作零。 環(huán)保費(fèi)用支出目前無相關(guān)數(shù)據(jù)參考， 暫不考慮。

式中： C4為儲(chǔ)能系統(tǒng)廢棄處置成本； γ 為儲(chǔ)能系統(tǒng)回收系數(shù)。

1.2 收益模型

1.2.1 減少變壓器容量投資

采用專用變壓器（簡稱“專變”）供電的工商業(yè)用戶， 根據(jù)自身最大負(fù)荷確定專變?nèi)萘浚?考慮建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)， 則可減少專變?nèi)萘客顿Y。

式中： E1為減少變壓器容量而節(jié)省的費(fèi)用； ptr為專變單位容量造價(jià)； ST為沒有儲(chǔ)能時(shí)的變壓器規(guī)劃容量；為增加儲(chǔ)能后的變壓器規(guī)劃容量； Pmax為不安裝儲(chǔ)能裝置時(shí)用戶最大計(jì)算負(fù)荷。

1.2.2 減少電費(fèi)收益

（1）減少基本電費(fèi)

采用兩部制電價(jià)的工商業(yè)用戶， 基本電價(jià)按變壓器容量或最大需量計(jì)費(fèi)。 對(duì)于新投產(chǎn)用戶，考慮安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)， 則變壓器規(guī)劃容量可適當(dāng)降低， 利用儲(chǔ)能的削峰填谷作用可減小用戶的最大需量， 也就相應(yīng)減少了用戶每月所交納基本電費(fèi)。

基本電價(jià)按變壓器容量計(jì)費(fèi)時(shí)， 則每年減少基本電費(fèi)E2為：

式中： eT為按變壓器容量收取的基本電價(jià)。

基本電價(jià)按最大需量計(jì)費(fèi)， 則每年減少基本電費(fèi)E2為：

式中： ees為按最大需量收取的基本電價(jià)。（2）減少電量電費(fèi)

在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下， 用戶通過儲(chǔ)能系統(tǒng)在低谷電價(jià)時(shí)段充電， 在高峰、 尖峰電價(jià)時(shí)段放電，從而實(shí)現(xiàn)峰谷差套利， 減少購電費(fèi)用。

每年價(jià)差收益E3為：

式中： m 為一天內(nèi)m 個(gè)放電時(shí)段； n 為一天內(nèi)n個(gè)充電時(shí)段； Wfi為第i 個(gè)放電時(shí)段放電電量； ei為第i 個(gè)放電時(shí)段用戶用電電價(jià)； Wci為第i 個(gè)充電時(shí)段充電電量； ej為第j 個(gè)充電時(shí)段用戶用電電價(jià)； nd為儲(chǔ)能系統(tǒng)年平均運(yùn)行天數(shù)； Pfi為第i個(gè)放電時(shí)段放電功率； Pci為第i 個(gè)充電時(shí)段充電功率； tfi為第i 個(gè)放電時(shí)段放電時(shí)長； tci為第i 個(gè)充電時(shí)段充電時(shí)長； ηf為平均放電效率； ηc為平均充電效率。

1.2.3 降損收益

儲(chǔ)能系統(tǒng)的削峰填谷作用可減少專變損耗和用戶配電網(wǎng)絡(luò)損耗。 由文獻(xiàn)[15]可推導(dǎo)， 在負(fù)荷功率因數(shù)和負(fù)荷點(diǎn)電壓不變的情況下， 2 條負(fù)荷曲線所引起的有功損耗之差為：

式中： ΔW 為2 條負(fù)荷曲線在一天內(nèi)的有功損耗之差； R 為用戶變壓器和用戶配電網(wǎng)絡(luò)電阻之和； cosθ 為負(fù)荷功率因數(shù)； U 為負(fù)荷母線電壓； f1（t）為無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)， 用戶負(fù)荷曲線在t 時(shí)刻負(fù)荷值； f2（t）為建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)后， 用戶負(fù)荷曲線在t時(shí)刻負(fù)荷值； E4為年降損收益； eav為峰谷電價(jià)平均值。

1.2.4 可靠性收益

電力用戶停電初期損失包括可能的設(shè)備損壞、

出現(xiàn)殘次品、 少生產(chǎn)產(chǎn)品的利潤損失與恢復(fù)生產(chǎn)啟動(dòng)費(fèi)用等， 停電持續(xù)一定時(shí)間后， 停電損失主要是少生產(chǎn)產(chǎn)品的利潤損失。 為避免過充過放影響電池壽命， 化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的DOD（放電深度）一般不超過80%， SOC（剩余電量）通常在20%以上，可以作為用戶的后備電源。

停電損失與負(fù)荷重要程度、 行業(yè)類別、 停電時(shí)間、 停電時(shí)長、 失負(fù)荷大小等因素有關(guān)。 儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置對(duì)單回路、 雙回路供電模式的可靠性有較大提升， 尤其是對(duì)于單回路供電模式， 而對(duì)雙電源供電模式的可靠性幾乎無提升效果[16]。

采用以下公式對(duì)可靠性收益進(jìn)行計(jì)算：

式中： E5為用戶建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)后， 由供電可靠性提高帶來的收益； Δr 為用戶單位容量停電1 h 的損失； Δt 為建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)后， 將減少的停電負(fù)荷折算到儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率后的年平均停電時(shí)間。

2 用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮資金時(shí)間價(jià)值， 利用動(dòng)態(tài)投資回收期、NPV（凈現(xiàn)值）、 IRR（內(nèi)部收益率）3 個(gè)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

（1）動(dòng)態(tài)投資回收期（Pt′）計(jì)算

式中： CI 為現(xiàn)金流入量； CO 為現(xiàn)金流出量； i0為基準(zhǔn)收益率； Pt′為動(dòng)態(tài)投資回收期。（2）NPV 計(jì)算

若NPV≥0， 則說明該方案能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平且還能得到超額收益， 故方案可行。

（3）IRR 計(jì)算

若IRR≥ic（預(yù)期收益率）， 則NPV＞0， 說明項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)效果上可行。

2.2 生命周期內(nèi)NPV

在儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)生命周期內(nèi)， NPV 為：

式中： ET為儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期內(nèi)收益凈現(xiàn)值； CT為儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期內(nèi)成本凈現(xiàn)值； CPA（i， n）為年金現(xiàn)值系數(shù)； CPF（i， n）為一次支付現(xiàn)值系數(shù)。

2.3 投資收益及投資風(fēng)險(xiǎn)分析

由NPV 計(jì)算公式可知， 影響儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素有： 儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率、 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、單位容量成本、 單位功率成本、 壽命、 電池回收系數(shù)、 基本電價(jià)、 峰谷電價(jià)、 儲(chǔ)能系統(tǒng)年平均運(yùn)行天數(shù)、 用戶單位容量單位時(shí)間停電損失等。

隨著技術(shù)的進(jìn)步， 儲(chǔ)能系統(tǒng)單位容量成本、單位功率成本會(huì)逐漸下降， 電池壽命也會(huì)逐漸增長， 同時(shí)峰谷電價(jià)、 基本電價(jià)等政策變動(dòng)也會(huì)給儲(chǔ)能項(xiàng)目投資帶來風(fēng)險(xiǎn)， 在投資決策時(shí)需定量評(píng)估這些風(fēng)險(xiǎn)。

儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算流程如圖1 所示。 本文基于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本收益模型， 通過識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素， 采用Crystal Ball 軟件進(jìn)行投資收益及投資風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖1 儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算流程

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2018 年9 月1 日浙江省工商業(yè)用戶電網(wǎng)銷售電價(jià)見表1。 可見， 浙江工業(yè)用戶峰谷電價(jià)差為0.633～0.666 元/kWh， 一般商業(yè)用戶峰谷電價(jià)差在0.796～0.828 元/kWh。

表1 浙江省工商業(yè)峰谷電價(jià)

分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分見圖2： 尖峰時(shí)段為19：00-21：00； 高峰時(shí)段為8：00-11：00， 13：00-19：00，21：00-22：00； 低谷時(shí)段為11：00-13：00， 22：00-次日8：00。

圖2 浙江工商業(yè)六時(shí)段分時(shí)電價(jià)

從各種儲(chǔ)能電池性能比較來看， 鋰電池與鉛蓄電池由于產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)較好， 相比其他路線具有明顯的成本優(yōu)勢， 本文針對(duì)鉛蓄電池、 磷酸鐵鋰電池進(jìn)行分析。 2 種電池技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 電池技術(shù)性能參數(shù)

3.2 投資收益計(jì)算

（1）大工業(yè)用戶

以10 kV 大工業(yè)用戶建設(shè)100 kW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)為例， 在浙江當(dāng)前充放電條件下， 采取低谷充電、 尖峰放電， 在充放電時(shí)長各為2 h 時(shí)收益最大， 計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3 計(jì)算結(jié)果可知， 在浙江當(dāng)前的峰谷電價(jià)條件下， 10 kV 大工業(yè)用戶建設(shè)磷酸鐵鋰電池、鉛炭電池儲(chǔ)能均能實(shí)現(xiàn)盈利。

（2）一般工商業(yè)用戶

以10 kV 一般工商業(yè)用戶建設(shè)100 kW 儲(chǔ)能系統(tǒng)為例， 在浙江當(dāng)前充放電條件下， 采取低谷充電、 尖峰放電， 在充放電時(shí)長各為2 h 時(shí)收益最大， 計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4 計(jì)算結(jié)果可知， 在浙江當(dāng)前的峰谷電價(jià)條件下， 由于缺少基本電費(fèi)收益， 10 kV 一般工商業(yè)用戶建設(shè)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能無法盈利， 鉛炭電池儲(chǔ)能可勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)盈利， 內(nèi)部收益率為4.23%。

表3 10 kV 大工業(yè)用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)投資收益

表4 10 kV 一般工商業(yè)用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)投資收益

3.3 投資風(fēng)險(xiǎn)分析

考慮各種影響因素的不確定性， 分析大工業(yè)用戶儲(chǔ)能項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)。 各假設(shè)變量的分布和決策變量取值范圍見表5， 其中N（μ， σ2）表示變量服從正態(tài)分布。

表5 假設(shè)變量分布及決策變量范圍

采用蒙特卡洛模擬10 000 次， 得到鉛碳電池NPV 概率分布如圖3 所示， 可以看出， 鉛碳電池NPV 最小值為19.09 萬元， 最大值為37.19 萬元， 平均值28.92 萬元。 按大小對(duì)影響凈現(xiàn)值的因素進(jìn)行排序， 得到項(xiàng)目周期、 單位容量成本、回收系數(shù)、 系統(tǒng)平均運(yùn)行天數(shù)、 單位功率成本、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的敏感度數(shù)據(jù)如表6 所示，可以看出， 項(xiàng)目周期和單位容量成本對(duì)效益的影響占90%以上。

圖3 鉛碳電池NPV 概率分布

表6 鉛碳電池NPV 敏感度數(shù)據(jù)

采用蒙特卡洛模擬10 000 次， 得到磷酸鐵鋰電池NPV 概率分布如圖4 所示， 可以看出， 磷酸鐵鋰電池NPV 最小值為-3.55 萬元， 最大值為11.71 萬元， 平均值3.80 萬元， NPV＞0 的概率為96.51%。 按大小對(duì)影響NPV 的因素進(jìn)行排序， 得到項(xiàng)目周期、 單位容量成本、 年運(yùn)行天數(shù)、 能量轉(zhuǎn)換效率、 單位功率成本的敏感度數(shù)據(jù)見表7。

圖4 磷酸鐵鋰電池凈現(xiàn)值概率分布

表7 磷酸鐵鋰電池NPV 敏感度數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文建立了用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本收益模型，利用NPV、 IRR 等經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)浙江大工業(yè)用戶、 一般工商業(yè)用戶儲(chǔ)能案例進(jìn)行了效益分析。在當(dāng)前浙江峰谷電價(jià)及兩部制電價(jià)下， 大工業(yè)用戶采用鉛炭電池和磷酸鐵鋰電池的IRR 分別能達(dá)到21.75%和13.17%， 具有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)性。 一般工商業(yè)用戶由于缺少基本電費(fèi)收益， 采用鉛炭電池可勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)正收益， IRR 為4.23%； 采用磷酸鐵鋰電池， 目前還不具備經(jīng)濟(jì)性。 最后， 采用Crystal Ball 軟件對(duì)大工業(yè)用戶的儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行敏感度分析、 投資風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算， 為浙江開展用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目提供指導(dǎo)。