南方電網(wǎng)電池儲(chǔ)能調(diào)頻發(fā)展機(jī)會(huì)及效益分析

葉鍵民，郭子暄，邵志奇，鄭 赟

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 中國(guó)能建廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

電池儲(chǔ)能技術(shù)利用電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和輸出，不僅具有快速響應(yīng)和雙向調(diào)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)，還具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、小型分散配置且建設(shè)周期短的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[1-3]。電池儲(chǔ)能顛覆了源網(wǎng)荷的傳統(tǒng)概念，打破了電力發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)同時(shí)完成的固有屬性，可在電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)承擔(dān)不同的角色，發(fā)揮不同的作用[4-5]。

從國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能的發(fā)展情況來看，隨著國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)促進(jìn)政策的不斷出臺(tái)，電化學(xué)儲(chǔ)能制造和維護(hù)成本不斷下降、儲(chǔ)能設(shè)備容量及壽命不斷提高。2018年以來，電化學(xué)儲(chǔ)能呈現(xiàn)了規(guī)模性的爆發(fā)式發(fā)展，具體從數(shù)據(jù)來看，2018年儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到1 072 MW，同比增長(zhǎng)達(dá)到175%，2019年儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到了1 717 MW，同比增長(zhǎng)為60.2%[6-8]。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能電站在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其功能包括削峰填谷、改善負(fù)荷運(yùn)行曲線、增加線路和設(shè)備使用壽命、配合新能源接入、優(yōu)化系統(tǒng)電源布局、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量、孤網(wǎng)運(yùn)行等。2018年8月2日，國(guó)家能源局南方監(jiān)管局正式發(fā)布了(南方監(jiān)能市場(chǎng)[2018]272號(hào))《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則(試行)》，其中對(duì)準(zhǔn)入規(guī)則、市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制等做出了相關(guān)規(guī)定，該市場(chǎng)交易規(guī)則已于同年9月1日正式執(zhí)行，在該市場(chǎng)環(huán)境下，電池儲(chǔ)能可充分發(fā)揮其響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，獲取相關(guān)收益。本文在基于上述背景的基礎(chǔ)上對(duì)南方電網(wǎng)電池儲(chǔ)能技術(shù)在調(diào)頻領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)會(huì)及效益進(jìn)行了探討[9]。

1 南方電網(wǎng)電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目發(fā)展機(jī)會(huì)分析

1.1 南方電網(wǎng)調(diào)頻需求分析

南方電網(wǎng)二次調(diào)頻由AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)， AGC系統(tǒng)分成直調(diào)、廣東、廣西、云南、貴州、海南六個(gè)控制區(qū)(如圖1)。南方電網(wǎng)于2016年實(shí)現(xiàn)了云南異步聯(lián)網(wǎng)，云南電網(wǎng)通過7回直流輸電系統(tǒng)與主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)。從整體需求情況來看，當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)頻率控制滿足國(guó)家相關(guān)的政策要求，“50±0.2 Hz”頻率合格率達(dá)到100%，總體來說南方電網(wǎng)頻率控制相對(duì)較高。

圖1 南方電網(wǎng)區(qū)域調(diào)頻分區(qū)示范圖

具體從南方電網(wǎng)范圍內(nèi)系統(tǒng)規(guī)模最大的廣東電力系統(tǒng)來看，其AGC機(jī)組以火電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、蓄能機(jī)組為主。截至2019年11月30日，廣東電網(wǎng)中調(diào)AGC機(jī)組共計(jì)164臺(tái)，總裝機(jī)容量68.9 GW。在上述機(jī)組中，火電機(jī)組138臺(tái)，裝機(jī)容量6.30 GW，是最主要的調(diào)頻資源；水電機(jī)組6臺(tái)，裝機(jī)容量515 MW；抽水蓄能機(jī)組20臺(tái)，總裝機(jī)容量5 480 MW(見圖2)。

圖2 廣東電力系統(tǒng)調(diào)頻資源分布情況

從廣東電力系統(tǒng)調(diào)頻存在的主要問題來看，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，負(fù)荷變化量日趨加快，要求機(jī)組在調(diào)頻時(shí)爬升或驟降速率快，其中上升速率最大時(shí)須達(dá)到378 MW/min，導(dǎo)致火電機(jī)組調(diào)頻難度增大；其次，在快速調(diào)頻方面，目前主要依靠廣州抽水蓄能電廠、新豐江水電廠、楓樹壩水電廠，以及燃油機(jī)組參與快速調(diào)頻，快速且清潔的調(diào)頻資源較為緊缺，在此環(huán)境下，為電池儲(chǔ)能發(fā)展創(chuàng)造了一定的空間。

1.2 廣東電網(wǎng)調(diào)頻市場(chǎng)運(yùn)行情況分析

南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)于2017年12月18日開始模擬運(yùn)行。市場(chǎng)機(jī)組總數(shù)153臺(tái)(含“西電東送”水電機(jī)組)。截至2019年7月底，參與市場(chǎng)模擬運(yùn)行的機(jī)組136臺(tái)(廣東直調(diào))。根據(jù)市場(chǎng)規(guī)則關(guān)于機(jī)組調(diào)頻性能門檻的規(guī)定，機(jī)組最近7個(gè)運(yùn)行日的綜合性能指標(biāo)應(yīng)不小于0.5。目前，滿足性能指標(biāo)門檻要求可參與市場(chǎng)報(bào)價(jià)的機(jī)組約105臺(tái)，占比76.5%。2019年上半年，調(diào)頻市場(chǎng)試運(yùn)行交易里程972萬MW，總收益3.6億元，日調(diào)頻里程5.8萬MW，平均申報(bào)價(jià)格10.5元/MW，平均成交價(jià)格為38.21元/MW。

1.3 調(diào)頻項(xiàng)目發(fā)展方向分析

南方區(qū)域電網(wǎng)以大型煤電機(jī)組作為主要調(diào)頻資源，燃?xì)夂统樗钅茈娬緸檩o，而電池儲(chǔ)能的AGC調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于煤電、燃?xì)夂统樾顧C(jī)組。引入相對(duì)少量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，將能夠迅速并有效地解決區(qū)域電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源不足的問題。

在現(xiàn)貨電力市場(chǎng)條件下，對(duì)比傳統(tǒng)火電發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)能的響應(yīng)速度快，可以達(dá)到秒級(jí)甚至毫秒級(jí)的響應(yīng)速度。儲(chǔ)能精確控制出力，調(diào)節(jié)精度高，不會(huì)直接產(chǎn)生污染物，一方面可作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻，另一方面可與傳統(tǒng)火電進(jìn)行聯(lián)合調(diào)頻，其中與火電聯(lián)合調(diào)頻可減少火電機(jī)組的運(yùn)行成本。當(dāng)燃?xì)夂兔弘姍C(jī)組從長(zhǎng)期的 AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來，穩(wěn)定出力并提高負(fù)荷率，將很好地改善機(jī)組性能，提高熱效率，緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成機(jī)組的設(shè)備金屬疲勞和磨損，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，進(jìn)一步促進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排[10-11]。

根據(jù)上述分析，在南方區(qū)域后續(xù)儲(chǔ)能項(xiàng)目開發(fā)中，考慮以下幾個(gè)方向：

1)電網(wǎng)公司自有發(fā)電資源綜合利用。南方電網(wǎng)自有發(fā)電資源包括深圳寶清4 MW電池儲(chǔ)能站以及廣州、惠州、深圳、清遠(yuǎn)等抽水蓄能電站。深圳寶清儲(chǔ)能站可充分利用既有設(shè)備資源及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步升級(jí)改造成深圳地區(qū)重要調(diào)頻電站；南方電網(wǎng)惠州抽水蓄能和深圳抽水蓄能電站具備充足的土地資源，可為電池儲(chǔ)能項(xiàng)目提供充足的建設(shè)空間。

2)電網(wǎng)公司變電站資源綜合利用。電網(wǎng)公司擁有大量的變電站資源，許多變電站留有擴(kuò)建用地及一定的閑置土地。如廣州、深圳供電局部分非中心區(qū)110 kV變電站即存在閑置土地資源，可開發(fā)相應(yīng)的儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目。

3)發(fā)電側(cè)調(diào)頻項(xiàng)目開發(fā)。充分挖掘火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目發(fā)展?jié)摿ΓM(jìn)行“火電+儲(chǔ)能”聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目開發(fā)。從具體項(xiàng)目發(fā)展機(jī)遇來看，在珠海洪灣電廠建設(shè)電池儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目，已具備進(jìn)一步推進(jìn)的條件。

2 電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目可行性分析

本節(jié)在電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能獨(dú)立調(diào)頻站建設(shè)方面，對(duì)已具備推進(jìn)條件的深圳抽水蓄能獨(dú)立電池調(diào)頻站，進(jìn)行建設(shè)條件、技術(shù)方案、以及項(xiàng)目效益測(cè)算分析。

2.1 建設(shè)條件分析

深圳抽水蓄能電站位于深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)之間，主要由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)及地下廠房洞室群等輔助工程等組成。上庫區(qū)位于鹽田區(qū)北面的小三洲盆地內(nèi)，占地面積64萬m2；下庫區(qū)位于橫崗街道的銅鑼徑水庫，占地面積99萬m2；上下庫聯(lián)絡(luò)道路長(zhǎng)10 km。

考慮利用深圳抽蓄電站的閑置場(chǎng)地，建設(shè)集裝箱式電池儲(chǔ)能，參與廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，適合建設(shè)電池儲(chǔ)能的場(chǎng)地主要有兩個(gè)：一是開關(guān)站圍墻外的小塊空地，二是通風(fēng)洞旁的空地。從場(chǎng)地空間、接入系統(tǒng)條件等角度分析來看，擬以通風(fēng)洞旁空間作為推薦廠址。從通風(fēng)洞旁空地來看，初步估計(jì)空余面積約有10 000 m2。該地塊沿道路至交通洞約1.5 km。從廠地建設(shè)條件及調(diào)頻市場(chǎng)容量等角度出發(fā)，一期電池儲(chǔ)能調(diào)頻規(guī)?？砂? MW/3 MWh考慮(見圖3)。

圖3 深圳抽水蓄能通風(fēng)洞旁空地建設(shè)條件

2.2 技術(shù)方案分析

本項(xiàng)目6 MW/3 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)采用長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池，分為3個(gè)單元裝在3個(gè)30尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，每個(gè)集裝箱集成1 MWh電池，并配備完善的電池管理系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等。

根據(jù)近區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃情況，儲(chǔ)能站以獨(dú)立的2回10 kV電纜接入附近110 kV變電站的10 kV側(cè)空余間隔，線路參數(shù)按照儲(chǔ)能電站額定容量6 MW設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留20%過載能力。儲(chǔ)能電站內(nèi)設(shè)置AGC裝置，與深圳中調(diào)主站相連。

2.3 調(diào)頻市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力分析

根據(jù)《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則(試行)》相關(guān)細(xì)則，在調(diào)頻里程報(bào)價(jià)方面，電池儲(chǔ)能相關(guān)性能指標(biāo)明顯高于傳統(tǒng)火電機(jī)組，可適當(dāng)提高報(bào)價(jià)水平。根據(jù)廣東調(diào)頻市場(chǎng)運(yùn)行情況，電池儲(chǔ)能調(diào)頻站的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力分析如下：

1)對(duì)比傳統(tǒng)燃煤機(jī)組參與調(diào)頻市場(chǎng)：傳統(tǒng)煤電調(diào)頻綜合性能指標(biāo)一般不超過0.6，即使燃煤機(jī)組按最低6元/MW進(jìn)行報(bào)價(jià)，其排序價(jià)格約為10元/MW，基本不具備與電化學(xué)儲(chǔ)能競(jìng)爭(zhēng)能力。

2)對(duì)比燃?xì)鈾C(jī)組參與調(diào)頻市場(chǎng)：當(dāng)前傳統(tǒng)火電存在低價(jià)報(bào)價(jià)的趨勢(shì)，暫按燃?xì)鈾C(jī)組6元/MW進(jìn)入市場(chǎng)。燃?xì)怆姀S調(diào)頻綜合性能指標(biāo)一般為1.5左右，則其排序價(jià)格為4元/MW。對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能，其性能指標(biāo)可達(dá)到最大值，若要取得與燃?xì)怆姀S的絕對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力，報(bào)價(jià)策略可按12元/MW參與競(jìng)爭(zhēng)，在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下基本可獲中標(biāo)。

2.4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分析

參考《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則(試行)》，對(duì)于深蓄電站6 MW/3MWh電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，調(diào)頻市場(chǎng)補(bǔ)償費(fèi)用按調(diào)頻里程補(bǔ)償和AGC容量補(bǔ)償分別計(jì)算。

2.4.1 調(diào)頻里程補(bǔ)償

參考相關(guān)電池儲(chǔ)能AGC調(diào)頻項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，保守計(jì)算按每15 min的調(diào)度動(dòng)作折合為1個(gè)滿里程6 MW計(jì)算，則平均日調(diào)頻里程為576 MW。因此，每日調(diào)頻里程補(bǔ)償計(jì)算：

每日調(diào)頻里程補(bǔ)償=576×12×3/10 000=2.074萬元。

其中576 MW為平均日調(diào)頻里程，12元/MW為電池儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)的報(bào)價(jià)，電池儲(chǔ)能綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K≈3。

2.4.2 AGC容量收益

根據(jù)交易規(guī)則，廣東調(diào)頻市場(chǎng)日前預(yù)出清過程如下：根據(jù)各發(fā)電單元的調(diào)頻里程排序價(jià)格，以發(fā)電單元次日開停機(jī)狀態(tài)為約束條件，從低到高依次進(jìn)行出清，直至中標(biāo)發(fā)電單元調(diào)頻容量總和滿足控制區(qū)調(diào)頻容量需求值及調(diào)頻資源分布區(qū)調(diào)頻容量需求值；當(dāng)發(fā)電單元排序價(jià)格相同時(shí)，優(yōu)先出清P值高的發(fā)電單元；當(dāng)發(fā)電單元P值相同時(shí)，優(yōu)先出清K值高的發(fā)電單元。

基于此，AGC容量收益計(jì)算依據(jù)以下幾點(diǎn)：

1)按綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K≈3，歸一化后的發(fā)電單元綜合調(diào)頻性能指標(biāo)P≈1；

2)調(diào)頻里程申報(bào)價(jià)格保守按12元/MW計(jì)，可保證電化學(xué)儲(chǔ)能單元在調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)；

3)廣東調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)發(fā)電單元AGC容量按照12元/MWh進(jìn)行補(bǔ)償；

4)廣東地區(qū)從調(diào)度時(shí)段數(shù)來看，參考相關(guān)電池儲(chǔ)能AGC調(diào)頻項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，按每15 min調(diào)度動(dòng)作1次，每次調(diào)頻時(shí)間按12 s計(jì)算。

因此，每日AGC容量收益計(jì)算：

日調(diào)頻時(shí)間=12×1×96/3600=0.32 h

每日AGC容量收益=6×0.32×12/10 000=0.002萬元

其中電池儲(chǔ)能AGC容量為6 MW，日調(diào)頻時(shí)間為0.32 h，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)取12元/MWh。

2.4.3 調(diào)頻輔助服務(wù)總經(jīng)濟(jì)收益

每日AGC總補(bǔ)償收益=2.074+0.002=2.076萬元

年AGC收益=2.076×365=757.7萬元

3 電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)

3.1 基本條件下財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)

根據(jù)相關(guān)儲(chǔ)能廠家調(diào)研情況，電化學(xué)儲(chǔ)能按單位造價(jià)5 300元/kWh估算，深蓄電站6 MW/3 MWh項(xiàng)目總投資1 590萬元。項(xiàng)目投資不包括電池儲(chǔ)能接入系統(tǒng)費(fèi)用。

測(cè)算邊界條件如下：

1)因接入系統(tǒng)位置未定，項(xiàng)目投資暫不包括電池儲(chǔ)能接入系統(tǒng)費(fèi)用；

2)使用年限、殘值分別按10年以及10%計(jì)入；

3)在投資的資本金方面，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)情況，本次電池儲(chǔ)能站項(xiàng)目資本金比例按30%計(jì)入，貸款年限8年，年貸款利息4.9%；

4)不考慮土地費(fèi)用。

財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

從經(jīng)濟(jì)性測(cè)算情況來看，項(xiàng)目具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前的邊界條件下，內(nèi)部收益率約為63.81%，動(dòng)態(tài)投資回收期2.37年。

3.2 敏感性分析

從影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的主要敏感性條件來看，一方面隨著電池技術(shù)成熟及規(guī)模效益的突顯，其成本存在進(jìn)一步下降的空間；另一方面，電池儲(chǔ)能綜合調(diào)頻性能指標(biāo)優(yōu)異，中標(biāo)調(diào)頻里程的大小也決定了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

主要就電池造價(jià)、調(diào)頻里程兩個(gè)敏感性因素，在電池造價(jià)5 300元/kWh，日均調(diào)頻里程576 MW的基準(zhǔn)下，在±30%浮動(dòng)范圍的情況下，其內(nèi)部收益率變化情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 獨(dú)立電池儲(chǔ)能調(diào)頻敏感性分析

從電池造價(jià)因素來看，當(dāng)其造價(jià)上升幅度分別為10%、20%、30%時(shí)，資本金內(nèi)部收益率分別為53.28%、44.56%、37.26%，項(xiàng)目均具有財(cái)務(wù)可行性；從調(diào)頻里程來看，當(dāng)調(diào)頻里程分別降低10%、20%、30%時(shí)，內(nèi)部收益率分別為52.24%、40.78%、29.48%，均可實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)可行。進(jìn)一步地，如需滿足資本金內(nèi)部收益率8%的財(cái)務(wù)可行性要求，電池造價(jià)可上升98.1%(10 500元/kWh)，或日調(diào)頻里程降低49.7%(290 MW)。

4 結(jié) 語

電池儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是優(yōu)良的調(diào)頻電源。本文分析了電池儲(chǔ)能參與南方區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展機(jī)會(huì)，并就在深圳地區(qū)綜合利用深圳抽水蓄能電站土地資源建設(shè)電池儲(chǔ)能調(diào)頻電站進(jìn)行了可行性分析及效益測(cè)算。分析研究表明電池儲(chǔ)能參與南方區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和較好的投資收益，可作為將來重要的發(fā)展方向。