考慮全壽命周期的儲能電站綜合評價模型

陳志華，尤夢凱，蔡偉，胡經(jīng)偉，胡興，張愛芳，張科杰，王偉

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北省 黃岡市 438000；2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北省 武漢市 430074）

0 引言

隨著儲能技術的快速發(fā)展，儲能電站建設和運行帶來的效益成為人們關注的熱點[1-2]。儲能電站的綜合評價模型可用于測算儲能電站的投資與收益，科學地指導儲能電站的規(guī)劃建造。

目前國內(nèi)外對儲能電站的效益評價研究較多，但標準的量化評價方法仍然較少。文獻[3]提出采用經(jīng)濟效益指數(shù)作為規(guī)模儲能裝置經(jīng)濟效益的判據(jù)，給出了經(jīng)濟效益指數(shù)的計算公式和經(jīng)濟效益的判斷依據(jù)，但是未考慮儲能電站社會效益。文獻[4]建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性計算模型，并考慮有無補貼的2 種計算條件，進行了技術經(jīng)濟性分析，但計算模型不適用于其他類型的儲能電站。文獻[5]建立了基于鈉硫電池的儲能電站動態(tài)性能分析與評價模型，但是未對儲能電站的經(jīng)濟性進行評價。文獻[6]建立了電網(wǎng)側和用戶側的經(jīng)濟效益模型，最后通過實際算例進行經(jīng)濟性評估，但是未考慮儲能電站帶給電源側的經(jīng)濟效益。文獻[7]建立了考慮電池充放電深度及壽命的儲能電站初始投資、運行維護成本計算模型，并建立了包括發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側以及政府補貼的儲能電站收益計算模型，但是未考慮儲能電站帶來的社會效益。

綜上所述，針對儲能電站評價模型的研究主要集中在儲能電站的成本模型和經(jīng)濟效益模型，但是大多數(shù)研究忽略了儲能電站長期運行帶來的社會效益。本文綜合考慮投資成本、經(jīng)濟效益和社會效益，建立了基于儲能電站全壽命周期的綜合效益評價模型，并通過對比4 種規(guī)模儲能電站的綜合效益確定最優(yōu)的規(guī)模，為儲能電站建設規(guī)模的選取提供一種直觀的綜合評價方法。

1 儲能電站的綜合效益評價模型

本文綜合考慮儲能電站的成本、經(jīng)濟效益和社會效益，通過計算儲能電站全壽命周期的凈現(xiàn)值評價儲能電站總效益，具體表達式為

式中：D為儲能電站全壽命周期的經(jīng)濟效益，元；E為儲能電站全壽命周期的社會效益折算值，元；C為儲能電站全壽命周期的成本，元。各參數(shù)表達式如下：

式中：Dj為儲能電站第j年的經(jīng)濟效益，元；Ej為儲能電站第j年的社會效益折算值，元；ε為折現(xiàn)率；T為儲能電站的全壽命運行周期，年；C1、C2、C3、C4、C5和C6分別為儲能電站全壽命周期的建設成本、儲能電池租賃成本、人工成本、運行維護成本、處置成本和其他成本，元。

2 成本模型

2.1 建設成本

儲能電站全壽命周期的建設成本根據(jù)成本占比的大小，可分為儲能電池成本和非電池成本。儲能電池成本可分為功率成本和能量成本[8]，可依據(jù)不同投資運營模式?jīng)Q定是否納入建設成本；非電池成本包括工程土建(含土地費用)、能量轉(zhuǎn)換裝置成套設備采購、能量控制系統(tǒng)成套設備，根據(jù)項目規(guī)模大小可按儲能電池成本取比例系數(shù)。儲能電站建設成本可以表示為：

式中：M1為功率成本，元，M2為能量成本，元；P為儲能電站設計功率，kW；S為儲能電站設計放電能量，kW·h；g1為儲能電站單位功率價格，元/kW；g2為儲能電站單位容量價格，元/(kW·h)；β1、β2為租賃系數(shù)，當儲能電站儲能電池采用租賃模式時，β1=β2=0，當儲能電站儲能電池采用自購模式時，β1=β2=1；α為非儲能電池成本與儲能電池成本比例，一般為20%～25%[9]。

2.2 儲能電池租賃成本

租賃模式將儲能電池租賃成本分攤到全壽命周期內(nèi)，同時有效減少儲能電站的一次建設成本。儲能電池租賃成本主要包括租賃手續(xù)費和租賃費用兩部分，可以表示為

式中：δ為租賃手續(xù)費系數(shù)，表示租賃手續(xù)費占租賃總額的比例，一般為0.5%～1%；χ為租賃年費系數(shù)，表示年租賃費占租賃總額的比例，一般為2%～4%。

2.3 人工成本

在一定范圍內(nèi)，固定的人工成本與儲存電量的大小沒有關系，其費用總額具有不變性，其占儲能電站建設成本的比例是不變的?？紤]到系統(tǒng)在運行中會發(fā)生一定的耗損，產(chǎn)生的系統(tǒng)壽命耗損屬于可變的維護成本，與儲能系統(tǒng)的使用年限有關[10]。儲能電站人工成本可以表示為

式中?j為第j年人工成本占儲能電站建設成本的比例。

2.4 運行維護成本

儲能電站的運行維護成本是為了維持儲能電站處于良好的待機狀態(tài)所需要的費用。該成本包括儲能系統(tǒng)設備更換費用、清洗費用、電站管理和檢修費用等。儲能電站運行維護成本可以表示為

式中φj為第j年運行維護成本占儲能電站建設成本的比例，隨著儲能電池使用年限的增加，φj會逐步增加，并且大小與儲能電池循環(huán)次數(shù)和儲能電池類型有關。

2.5 處置成本

儲能電站各部分元件壽命耗盡時，需要對其進行無害化處理，所投入的資金就是處置成本。該成本主要分為兩方面：環(huán)保費用支出和設備殘值。通常來講，儲能電池回收所付出的成本就是環(huán)保費用支出，而初始投資成本和回收系數(shù)(與使用頻率、年限有關)將決定非儲能電池設備殘值的大小。儲能電站處置成本可以表示為

式中：γ1為儲能電池功率回收系數(shù)；γ2為儲能電池能量回收系數(shù)，與儲能電池類型有關；γ3為非儲能電池設備回收系數(shù)，一般為5%～15%。

2.6 其他成本

儲能電站成本還包括財務成本、保險費等其他成本。財務成本主要是儲能電站長期貸款所產(chǎn)生的利息費用，保險費取決于保險費率和保險金額。儲能電站其他成本可以表示為

式中：M為儲能電站貸款本金，元；μ為貸款月利率；λj為第j年保險費率；Kj為儲能電站第j年保險金額，元。

3 收益模型

儲能電站的效益按照性質(zhì)，可分為經(jīng)濟效益和社會效益兩大類。經(jīng)濟效益大多數(shù)情況下可以用貨幣金額來評估衡量；社會效益一般難以直接量化，通?？梢圆捎玫刃娲?、成本等效折算進行評估。

3.1 經(jīng)濟效益

儲能電站主要通過充放電和各種輔助服務獲得經(jīng)濟收益。充電費用主要取決于銷售電價和銷售電量，可以表示為

式中：Jj為第j年的大工業(yè)用戶銷售目錄電價，元/(kW·h)；WC,j為儲能電站第j年用戶側充電量，kW·h。

儲能電站輔助服務收益根據(jù)不同的服務對象，可分為新能源側放電收益、電網(wǎng)側放電收益、用戶側放電收益和輔助調(diào)峰調(diào)頻放電收益[11]，計算公式如下：

式中：ω1,j、ω2,j、ω3,j和ω4,j分別為第j年新能源側放電量、電網(wǎng)側放電量、用戶側放電量和輔助調(diào)峰調(diào)頻放電量占儲能電站第j年總放電量的比例；WD,j為儲能電站第j年總放電量，kW·h；m1為新能源上網(wǎng)電價，元/(kW·h)；m2為輸配電價，元/(kW·h)；m3為雙邊協(xié)議電價，元/(kW·h)；m4為調(diào)頻輔助服務電價，元/(kW·h)；ψ1為儲能電站和新能源企業(yè)的分成比例，一般為70%[12]；ψ2為儲能電站向電網(wǎng)公司收取的服務費率。

綜上所述，儲能電站第j年的總充放電和輔助服務收益可以表示為

3.2 社會效益

儲能電站除去直觀的經(jīng)濟效益外，還帶來了很多無法直接量化的社會效益，主要包括減小峰谷差和提高新能源發(fā)電消納量。

1）減小峰谷差

儲能電站可在負荷高峰時放電，負荷低谷時充電，可在負荷和電源之間靈活轉(zhuǎn)換，使發(fā)電與用電解耦，減小峰谷差[13-14]，其社會收益可表示為

式中：PAV，j為第j年平均負荷；PMAX，j為第j年峰值負荷。

2）提高新能源發(fā)電消納量

儲能電站可在新能源發(fā)電量過剩時充電，擴大電網(wǎng)對新能源消納，降低對化石能源發(fā)電的依賴性，促進“雙碳目標”的實現(xiàn)[15-18]。儲能電站提高新能源發(fā)電消納量的社會收益可以表示為

式中：WB,j為儲能電站第j年新能源側充電量；σ為備用功率占比，一般取10%。

綜上所述，儲能電站第j年的社會效益折算值為

式中v1和v2分別為減小峰谷差和提升新能源發(fā)電站利用能力折算成經(jīng)濟效益的折算系數(shù)。

4 案例分析

本文選取A 組(60 MW/120 MW·h)、B 組(120 MW/120 MW·h)、C 組(120 MW/60 MW·h)和D 組(120 MW/240 MW·h) 4 種規(guī)模的儲能系統(tǒng)，采用“電池本體租賃，其他設備采購”的投資建設方式進行經(jīng)濟測算。模型中全壽命運行周期T取為25 年，租賃系數(shù)β1和租賃系數(shù)β2均為1，折現(xiàn)率ε為5%，儲能電池功率回收系數(shù)γ1為0，儲能電池能量回收系數(shù)γ2為8%，非儲能電池設備回收系數(shù)γ3為15%，儲能電站單位功率價格g1為2 747 元/kW，儲能電站單位容量價格g2為645元/(kW·h)。

本文采用MATLAB軟件對綜合效益評價模型進行編程，通過改變輸入數(shù)據(jù)分別求取4 組儲能系統(tǒng)的效益，計算結果統(tǒng)計如表1 和圖1、2所示。

圖1 儲能電站成本評價結果Fig.1 Cost evaluation results of energy storage power station

圖2 儲能電站效益評價結果Fig.2 Benefit evaluation results of energy storage power station

表1 儲能電站效益評價結果Tab.1 Benefit evaluation results of energy storage power station 萬元

根據(jù)評價結果可知，在儲能電站的總成本中，占比最高的為建設成本C1，占比高達總成本的90%，此部分成本為一次性投入，隨著運營周期的延長，此部分成本占比將逐漸下降。此外，租賃成本C2占比高達總成本的7%，此部分成本隨運營周期的延長而增加，為長期運營的主要支出。在不同規(guī)模下，B 組(120 MW/120 MW·h)總效益最高，因此應該選取此規(guī)模作為建設規(guī)模。

在B組(120 MW/120 MW·h)綜合評價結果中，全壽命周期的成本C為43 868.6 萬元，全壽命周期的經(jīng)濟效益D為35 423.3 萬元，全壽命周期的社會效益折算值E為29 148.2 萬元。社會效益中，“減小峰谷差”的效益折算值為18 429.6萬元，此部分效益是因為儲能電站可平抑負荷曲線，降低負荷均方差，改善了主變、饋線的總體負荷特性，有效減輕負荷波動對電力系統(tǒng)的沖擊；此外，擴大新能源消納的效益折算值為10 718.6 萬元，此部分效益是因為儲能電站可充當新能源電站的備用容量，減少新能源電站備用容量不足造成的利用率損失。僅考慮儲能電站全壽命周期的成本C和儲能電站全壽命周期的經(jīng)濟效益D時，儲能電站全壽命周期將虧損8 845.3萬元。但在考慮儲能電站全壽命周期的社會效益折算值E后，儲能電站全壽命周期將營利20 702.8 萬元，這說明綜合考慮儲能電站經(jīng)濟效益和社會效益可以更準確地評價儲能電站帶來的效益。

5 結論

開展了儲能電站綜合評價模型的研究，以4組不同規(guī)模的儲能電站為實例進行計算，計算結果表明：

1）僅考慮儲能電站全壽命周期的成本和經(jīng)濟效益時，儲能電站一般處于虧損狀態(tài)，難以正確評價儲能電站的實際效益。

2）所提出的綜合評價模型綜合考慮了儲能電站全壽命周期的成本、經(jīng)濟效益和社會效益，可以更準確地評價儲能電站帶來的效益，有助于科學地指導儲能電站建設規(guī)模的選取。