抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)方法研究

汪 瑩，韓曉男

（國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

抽水蓄能電站憑借其靈活可變的運(yùn)行模式和模式間的快速切換能力，在輔助新能源接入與支撐新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行方面展示了巨大的技術(shù)潛力［1］。另一方面，相比近年來(lái)蓬勃發(fā)展的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)手段，抽水蓄能電站的運(yùn)行效率較低，電-電循環(huán)的效率大致為65%～80%，低于電池儲(chǔ)能單元的85%左右的電-電循環(huán)效率［2］。這降低了抽水蓄能電站參與削峰填谷的能量平移類應(yīng)用時(shí)的獲利，限制了抽水蓄能電站的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)，受制于市場(chǎng)環(huán)境與產(chǎn)品種類限制，抽水蓄能電站的獲利手段長(zhǎng)期依賴于單一的削峰填谷模式，無(wú)法獲取較高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，制約了抽水蓄能電站在多種輔助服務(wù)和現(xiàn)貨能量市場(chǎng)內(nèi)發(fā)揮更大的技術(shù)效用。降低了其提升電力系統(tǒng)新能源接入與消納能力，減弱了其參與增強(qiáng)新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等相關(guān)工作的積極性［3-4］。

隨著我國(guó)可再生能源在電源端滲透率的進(jìn)一步提升，抽水蓄能電站在調(diào)峰、調(diào)頻、快速備用、黑啟動(dòng)等多種輔助服務(wù)方面存在著巨大的應(yīng)用潛力和獲取可觀經(jīng)濟(jì)回報(bào)的潛力。受傳統(tǒng)抽水蓄能電站運(yùn)行模式、市場(chǎng)環(huán)境與市場(chǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多種因素的制約，目前抽水蓄能電站的多元化技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值尚未得到完全挖掘與體現(xiàn)。亟須結(jié)合構(gòu)建新型電力系統(tǒng)這一背景，開展對(duì)抽水蓄能電站的多元技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)方法研究，促進(jìn)抽水蓄能這一成熟技術(shù)手段在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的技術(shù)效用。

目前已有大量相關(guān)抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)方法的研究。文獻(xiàn)［5］提出利用海水配合海上光伏，構(gòu)建抽水蓄能與光伏結(jié)合的發(fā)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，并基于儲(chǔ)能與光伏的容量配置比例，給出了經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果與配置比例建議。文獻(xiàn)［6］研究了考慮經(jīng)濟(jì)性的抽水蓄能與風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)同規(guī)劃方法。在輔助新能源接入的運(yùn)行方法方面，文獻(xiàn)［7］研究了抽水蓄能電站與負(fù)荷響應(yīng)機(jī)制相配合，提升含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全水平的優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)［8］研究了抽水蓄能電站參與電力系統(tǒng)多元化技術(shù)服務(wù)的可行性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法。但由于研究時(shí)我國(guó)尚未開展電力市場(chǎng)環(huán)境建設(shè)，因此抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)主要集中于削峰填谷與調(diào)峰等能量型應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)［9］研究了分時(shí)電價(jià)政策對(duì)調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［10］研究了抽水蓄能機(jī)組的碳減排效果計(jì)算方法。文獻(xiàn)［11］討論了儲(chǔ)能單元在容量市場(chǎng)下的經(jīng)濟(jì)回報(bào)測(cè)算及量化分析結(jié)果。文獻(xiàn)［12］構(gòu)建了抽水蓄能電站的日前市場(chǎng)出清計(jì)算模型，為后續(xù)研究抽水蓄能機(jī)組在市場(chǎng)環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)收益建立了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［13-15］研究了抽水蓄能電站在島嶼類型的獨(dú)立電網(wǎng)中的多種應(yīng)用模式。文獻(xiàn)［16］討論了抽水蓄能電站在離網(wǎng)型系統(tǒng)中的控制策略，并與飛輪系統(tǒng)的控制策略對(duì)比分析。上述研究主要關(guān)注于抽水蓄能電站的某一種技術(shù)服務(wù)的控制策略與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，尚缺乏在市場(chǎng)環(huán)境下對(duì)抽水蓄能電站參與多元化技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值綜合評(píng)估分析方法的相關(guān)研究。文獻(xiàn)［17-19］討論了變速式抽水蓄能電站的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，指出了其進(jìn)一步應(yīng)用于輔助新能源接入的技術(shù)潛力。文獻(xiàn)［20］討論了構(gòu)網(wǎng)型模式對(duì)系統(tǒng)的支撐能力及參與黑啟動(dòng)的技術(shù)潛力，但缺乏對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的詳細(xì)分析評(píng)估方法。

為建立抽水蓄能電站參與多元化技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)技術(shù)框架，結(jié)合國(guó)內(nèi)典型抽水蓄能電站實(shí)際技術(shù)性能，構(gòu)建了抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)價(jià)方法，包括提供削峰填谷、調(diào)頻、備用、容量支撐與黑啟動(dòng)等多種技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法。在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)結(jié)合電力市場(chǎng)機(jī)制與政策補(bǔ)償兩種收益模式，考慮多種技術(shù)服務(wù)間的互斥與相容約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

1 抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)模型

抽水蓄能電站憑借其靈活多變的運(yùn)行模式，具備以發(fā)電、抽水及旋轉(zhuǎn)調(diào)相的多種模式參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行。抽水蓄能電站在多種運(yùn)行模式下具備不同的提供多元化技術(shù)服務(wù)的能力，因此需要對(duì)抽水蓄能電站在不同運(yùn)行模式下提供多元化技術(shù)服務(wù)的能力進(jìn)行量化建模分析，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)分析模型。

抽水蓄能電站的運(yùn)行模式包括發(fā)電狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)以及抽水狀態(tài)。三種運(yùn)行模式通過2 個(gè)二進(jìn)制0-1 變量進(jìn)行表示，即

式中：Pk,i,Gen為k時(shí)刻第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電功率；Pi,Gen,min和Pi,Gen,max分別為第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電模式下的最小與最大出力限制，均為常數(shù)，由第i臺(tái)機(jī)組的實(shí)際參數(shù)決定；Pi,Pup,out為第i臺(tái)機(jī)組在抽水模式下的額定輸出功率，常規(guī)抽水蓄能機(jī)組的抽水功率在抽水模式下為非可調(diào)節(jié)功率，僅與抽水蓄能電站的水文狀態(tài)有關(guān)，在短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是恒定功率，也為常數(shù)，由第i臺(tái)機(jī)組的實(shí)際參數(shù)決定；Nps為抽水蓄能機(jī)組總數(shù)；Pk,i,Pup為k時(shí)刻第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組的抽水功率；Pk,i為k時(shí)刻第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組的總輸出功率；ηi,Gen和ηi,Pup分別為第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電模式與抽水模式下的運(yùn)行效率；為抽水蓄能電站k時(shí)刻的上水庫(kù)可用水量；和分別為上水庫(kù)的最小與最大可用水量約束限值；為抽水蓄能電站k時(shí)刻的下水庫(kù)可用水量；分別為下水庫(kù)的最小與最大可用水量約束限值；kCa為抽水蓄能機(jī)組電功率與水量變化間的比例系數(shù)；Bk,i,Gen和Bk,i,Pup為0-1 變量，表示k時(shí)刻第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組是否運(yùn)行于發(fā)電或者抽水模式，取值為0 時(shí)表示機(jī)組未處于發(fā)電或抽水模式，取值為1 時(shí)表示機(jī)組處于發(fā)電或抽水模式。

近年來(lái)隨著大功率電力電子調(diào)速技術(shù)的快速進(jìn)步，出現(xiàn)了可變速抽水蓄能技術(shù)，可變速抽水蓄能機(jī)組的輸出功率在抽水模式下可調(diào)節(jié)，即Pk,i,Pup具有類似于Pk,i,Gen的可調(diào)節(jié)范圍，不再局限于固定的不可調(diào)節(jié)功率。同時(shí)Pk,i,Gen與常規(guī)抽水蓄能電站相比具有更大的數(shù)值調(diào)節(jié)空間。但可變速抽水蓄能電站由于需要配置大功率調(diào)速裝置并改進(jìn)抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致造價(jià)較高，目前尚未在電力系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。文中參考常規(guī)抽水蓄能電站模型進(jìn)行研究分析。

2 抽水蓄能電站收益分析模型

抽水蓄能電站由于具備對(duì)運(yùn)行調(diào)節(jié)指令的快速響應(yīng)能力，因此具備在短時(shí)間內(nèi)改變其運(yùn)行狀態(tài)并提供從備用到調(diào)頻等多種多時(shí)間尺度技術(shù)服務(wù)的能力。抽水蓄能電站目前提供的多種主流技術(shù)服務(wù)和經(jīng)濟(jì)收益測(cè)算方法如表1 所示。

表1 多元化服務(wù)與收益情況分析Table 1 The benefit analysis of pumped storage units with diversified service.

2.1 削峰填谷收入

抽水蓄能電站通過削峰填谷獲得經(jīng)濟(jì)收益主要依賴于電力價(jià)格在不同時(shí)間上存在著較大差異的場(chǎng)景。因此抽水蓄能電站的日經(jīng)濟(jì)收益為

式中：Nt為日運(yùn)行時(shí)段數(shù)；Ci,EN為第i臺(tái)抽水蓄能機(jī)組在能量市場(chǎng)中獲得的總收益；Ck為k時(shí)刻抽水蓄能機(jī)組所對(duì)應(yīng)的能量市場(chǎng)價(jià)格。

在進(jìn)行上述削峰填谷運(yùn)行時(shí)一般應(yīng)保證抽水蓄能機(jī)組的日水量平衡，即抽水蓄能電站的水庫(kù)水量保持不變。

考慮到常規(guī)抽水蓄能電站由于發(fā)電功率可調(diào)節(jié)但抽水功率不可調(diào)節(jié)，因此在日運(yùn)行模型中無(wú)法保證水庫(kù)水量的完全一致，需要設(shè)置水量波動(dòng)閾值以保障抽水蓄能電站削峰填谷模式優(yōu)化運(yùn)行模型的可解性。由于考慮了水量日平衡約束，抽水蓄能電站的發(fā)電效率損失與抽水效率損失均通過水量平衡約束進(jìn)行了體現(xiàn)。當(dāng)日內(nèi)各時(shí)段能量電價(jià)差異不顯著時(shí)抽水蓄能電站在能量市場(chǎng)的獲利能力將大幅下降。

2.2 調(diào)頻收入

調(diào)頻模式下抽水蓄能電站獲得的收益與抽水蓄能電站的可用調(diào)頻容量及性能因子系數(shù)有關(guān)，第i臺(tái)機(jī)組參與調(diào)頻所獲得的收益CFR,i具體表達(dá)式為

式中：Ck,i,FR為第i臺(tái)機(jī)組k時(shí)刻參與調(diào)頻市場(chǎng)的出清價(jià)格；Pk,i,FR為抽水蓄能機(jī)組參與調(diào)頻市場(chǎng)的容量大?。籏i,m,FR為第i臺(tái)機(jī)組在第m個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)的性能因子系數(shù)；CFRC為機(jī)組在發(fā)電模式下提供調(diào)頻服務(wù)所獲得的能量補(bǔ)償費(fèi)用計(jì)算系數(shù)；Pk,i,FRA為第i臺(tái)機(jī)組k時(shí)刻所提供的發(fā)電輸出功率；TLen為單個(gè)計(jì)算時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度，h。

從式（11）的描述中可以看出，抽水蓄能電站參與調(diào)頻市場(chǎng)所獲得的收益除了與參與容量、市場(chǎng)出清價(jià)格有關(guān)外，還與抽水蓄能電站的性能因子系數(shù)Ki,m,FR有關(guān)。該性能因子的大小與同區(qū)域內(nèi)的機(jī)組平均調(diào)頻性能有關(guān)，調(diào)頻性能與機(jī)組的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。當(dāng)抽水蓄能電站所在的區(qū)域低調(diào)頻性能火電機(jī)組數(shù)量較多時(shí)，抽水蓄能參與頻率調(diào)節(jié)的獲益將隨抽水蓄能電站相對(duì)較高的性能因子系數(shù)取值的提升而提升；與之相對(duì)應(yīng)，當(dāng)抽水蓄能電站所在的區(qū)域高調(diào)頻性能的水電機(jī)組和電池單元的數(shù)量較多時(shí)，抽水蓄能電站參與頻率調(diào)節(jié)的獲益將隨性能因子系數(shù)的下降而降低。另外，發(fā)電機(jī)組提供調(diào)頻的累計(jì)里程補(bǔ)償也可以通過式（11）中的Ki,m,FR性能因子調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行體現(xiàn)。在同一時(shí)段內(nèi)，參與調(diào)節(jié)的累積調(diào)節(jié)里程大的機(jī)組將獲得較大的性能調(diào)節(jié)系數(shù)以補(bǔ)償機(jī)組所提供的調(diào)頻里程。

2.3 備用收入

抽水蓄能電站中第i臺(tái)機(jī)組參與備用市場(chǎng)的收益CRE,i為

式中：Ci,RE,PRE為備用市場(chǎng)計(jì)算出清價(jià)格或政策補(bǔ)償價(jià)格；Pk,i,RE為抽水蓄能電站提供備用服務(wù)的機(jī)組容量。

目前各省電網(wǎng)對(duì)合格備用機(jī)組一般要求機(jī)組具備在10～15 min 內(nèi)響應(yīng)調(diào)度調(diào)節(jié)指令。這一要求與抽水蓄能電站數(shù)分鐘的啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間相匹配，使得抽水蓄能電站滿足了參與提供備用服務(wù)的技術(shù)要求，具備通過提供備用服務(wù)獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)的能力。此外，Ci,RE,PRE價(jià)格在全日的不同時(shí)段具備不同的數(shù)值，一般在高峰時(shí)段按照Ci,RE,PRE全額計(jì)算，在低谷時(shí)段按照0.5Ci,RE,PRE的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償。

2.4 容量支撐收入

抽水蓄能電站憑借其靈活快速的響應(yīng)能力具備了在高峰時(shí)段增強(qiáng)電力系統(tǒng)供電能力的技術(shù)潛力，因此抽水蓄能電站一般具備從容量市場(chǎng)獲取收益的能力。第i臺(tái)機(jī)組參與容量市場(chǎng)所獲得的收益CCA,i為

式中：Ci,CA,PRE為第i臺(tái)機(jī)組從容量市場(chǎng)或容量補(bǔ)償政策獲得經(jīng)濟(jì)收益的容量補(bǔ)償單價(jià)系數(shù)；γi為抽水蓄能電站的年可用率統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，用于描述抽水蓄能電站的年可用率，并直接影響抽水蓄能電站在容量市場(chǎng)中的經(jīng)濟(jì)收益。

2.5 黑啟動(dòng)收入

抽水蓄能電站第i臺(tái)機(jī)組參與黑啟動(dòng)服務(wù)的收入Ci,BS為

式中：Ci,BS為第i臺(tái)機(jī)組從黑啟動(dòng)市場(chǎng)或黑啟動(dòng)補(bǔ)償政策獲得的月度經(jīng)濟(jì)收益；Ci,m,BS為黑啟動(dòng)服務(wù)在第m個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)段的單位容量收益系數(shù)。

2.6 防洪調(diào)節(jié)與農(nóng)業(yè)支持等間接收入

由于抽水蓄能電站的運(yùn)行會(huì)影響河道水量的管理與調(diào)度，因此抽水蓄能電站除通過發(fā)電與抽水模式直接從電力相關(guān)市場(chǎng)或依靠相關(guān)電價(jià)政策獲取直接經(jīng)濟(jì)收益外，抽水蓄能電站收益測(cè)算還涉及抽水蓄能電站參加所在流域防洪調(diào)節(jié)、農(nóng)業(yè)支持等活動(dòng)所產(chǎn)生的間接社會(huì)效益。在某些極端情況下或所在地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較活躍時(shí)，抽水蓄能電站的上述間接社會(huì)效益能夠超過提供電力相關(guān)服務(wù)所獲得的直接收益，也應(yīng)引起相關(guān)研究人員與政策制定人員的重視。文中未考慮抽水蓄能提供防洪調(diào)節(jié)所對(duì)應(yīng)的間接社會(huì)效益，主要關(guān)注于抽水蓄能電站的直接收益部分。

3 抽水蓄能電站多元化經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)

3.1 多元化技術(shù)服務(wù)的相容性與相斥性

抽水蓄能電站由于其快速靈活多變的技術(shù)特點(diǎn)，具備了提供多元化技術(shù)服務(wù)并同時(shí)獲取多種技術(shù)回報(bào)的可能，從而提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)回報(bào)水平。但所涉及的部分經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也存在著相互排斥、不可同時(shí)參加的情況。需要對(duì)目前主流的相關(guān)技術(shù)服務(wù)進(jìn)行相容與相斥特性分析。根據(jù)所構(gòu)建的抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)框架，抽水蓄能電站提供的多元化技術(shù)服務(wù)相容性與相斥性分析如表2所示。

表2 相容性與相斥性分析Table 2 The possibility of pumped storage units to provide diversified service simultaneously.

其中部分技術(shù)服務(wù)以抽水蓄能電站的潛在調(diào)節(jié)能力作為獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，這部分服務(wù)與其他服務(wù)不沖突，使抽水蓄能電站能夠獲得更多的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。部分技術(shù)服務(wù)補(bǔ)償?shù)哪康氖枪膭?lì)發(fā)電單元通過技術(shù)升級(jí)改造具備滿足某些功能的技術(shù)能力，例如黑啟動(dòng)電源補(bǔ)償。這類型的技術(shù)服務(wù)通常與其他技術(shù)服務(wù)相容，能夠進(jìn)一步增加相關(guān)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收入。

3.2 經(jīng)濟(jì)價(jià)值綜合評(píng)價(jià)方法

抽水蓄能電站由于具備同時(shí)參加多種技術(shù)服務(wù)并獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)的可能，因此評(píng)價(jià)抽水蓄能電站的多元經(jīng)濟(jì)價(jià)值需要根據(jù)市場(chǎng)環(huán)境下的多種價(jià)格信號(hào)數(shù)值特點(diǎn)，分析抽水蓄能電站的最大可能經(jīng)濟(jì)回報(bào)。為此可以根據(jù)式（15）—式（16）所構(gòu)建的優(yōu)化模型以抽水蓄能機(jī)組經(jīng)濟(jì)回報(bào)最大化為目標(biāo)，測(cè)算抽水蓄能機(jī)組的最大經(jīng)濟(jì)回報(bào)能力，展示抽水蓄能機(jī)組參與多元化技術(shù)服務(wù)的優(yōu)化安排，即：

式中：Pi,k,j為第i臺(tái)機(jī)組在k時(shí)刻參與第j項(xiàng)技術(shù)服務(wù)的投入功率份額；Cj為參加第j項(xiàng)技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)收入，j的最大值為M，抽水蓄能機(jī)組在不同時(shí)刻會(huì)選擇不同的技術(shù)服務(wù)組合以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收入的最大化；Pi,j,max為第i臺(tái)機(jī)組參與第j項(xiàng)技術(shù)服務(wù)的最大可用功率；Bi,k,2為抽水蓄能機(jī)組是否參與調(diào)頻市場(chǎng)的0-1 變量，取值為1 表示參與調(diào)頻市場(chǎng)，取值為0 表示未參與調(diào)頻市場(chǎng)，其取值受到抽水蓄能機(jī)組參與能量市場(chǎng)情況的制約，即抽水蓄能需要以發(fā)電模式運(yùn)行，其才具備在對(duì)應(yīng)時(shí)段參與調(diào)頻市場(chǎng)的可能。

上述模型中對(duì)多種市場(chǎng)價(jià)格均作為已知的邊界條件處理，在給定的邊界條件下給出抽水蓄能機(jī)組的最佳運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)收益，計(jì)算分析了抽水蓄能機(jī)組所獲得經(jīng)濟(jì)收益的理論上界。具體的模型求解方法如圖1 所示。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮到對(duì)市場(chǎng)價(jià)格預(yù)測(cè)的誤差，抽水蓄能機(jī)組的實(shí)際收益通常會(huì)低于理論上界。

圖1 抽水蓄能電站收益最大化模型求解流程，F(xiàn)ig.1 The flow chart for solving the revenue maximization model

基于圖1 所示的抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)收益最大化分析模型，分析抽水蓄能電站通過參加削峰填谷、調(diào)頻與系統(tǒng)備用多種技術(shù)服務(wù)獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)最大化的運(yùn)行模式，獲得抽水蓄能電站在給定市場(chǎng)價(jià)格邊界條件下的經(jīng)濟(jì)回報(bào)理論上限。進(jìn)一步結(jié)合抽水蓄能電站獲得的黑啟動(dòng)收入與容量收入，形成考慮相容相斥性的抽水蓄能電站收益綜合評(píng)估結(jié)果。具體評(píng)估方法如圖2 所示。

圖2 抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)收益綜合評(píng)價(jià)方法Fig.2 The economic evaluation method of pumped storage power stations

圖3 電價(jià)波動(dòng)場(chǎng)景曲線Fig.3 The curve under scenarios with fluctuant electricity prices

4 算例分析

根據(jù)所構(gòu)建的多元化經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系結(jié)合我國(guó)典型區(qū)域中的典型數(shù)據(jù)對(duì)抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行測(cè)算，給出具體的測(cè)算結(jié)果。文中涉及的具體算例參數(shù)設(shè)置與依據(jù)如表3 所示。

表3 測(cè)算關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置及依據(jù)Table 3 The key parameters of evaluating the revenue for pumped storage units with diversified service

4.1 外部計(jì)算條件

算例計(jì)算部分設(shè)置了3 個(gè)典型的電價(jià)場(chǎng)景對(duì)抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)收益情況進(jìn)行量化評(píng)估計(jì)算，分別為低電價(jià)波動(dòng)場(chǎng)景、標(biāo)準(zhǔn)電價(jià)波動(dòng)場(chǎng)景和高電價(jià)波動(dòng)場(chǎng)景。抽水蓄能機(jī)組水-電單次轉(zhuǎn)換效率為85%，抽水蓄能機(jī)組電-電的轉(zhuǎn)換效率為85%×85%≈72%。抽水蓄能電站參數(shù)參考廣州抽水蓄能電站實(shí)際參數(shù)，單臺(tái)機(jī)組在發(fā)電模式下和抽水模式下額定功率為300 MW，發(fā)電模式下最小輸出功率為180 MW，簡(jiǎn)化起見，算例中以單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行模式代表全站。由于文中的研究主要針對(duì)抽水蓄能電站的日運(yùn)行曲線，要求抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)日運(yùn)行水量平衡，考慮到抽水蓄能電站上下水庫(kù)庫(kù)容容量較大，日運(yùn)行一般不受庫(kù)容約束，因此在算例中不考慮上下水庫(kù)的庫(kù)容約束。抽水蓄能電站的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)間通常為10 min 以內(nèi)，而本算例中以小時(shí)間隔對(duì)收益進(jìn)行計(jì)算分析，在這種設(shè)定下忽略了抽水蓄能電站運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間。電價(jià)邊界條件方面，選取實(shí)際系統(tǒng)中某一典型日的電價(jià)曲線作為電價(jià)基準(zhǔn)場(chǎng)景，即場(chǎng)景2，隨后分別設(shè)置了電價(jià)波動(dòng)量低的場(chǎng)景1 與波動(dòng)量高的場(chǎng)景3。

根據(jù)各算例中相鄰時(shí)段電價(jià)的波動(dòng)量設(shè)置了調(diào)頻市場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的調(diào)頻價(jià)格進(jìn)行計(jì)算分析。調(diào)頻電價(jià)場(chǎng)景如圖4 所示，分別對(duì)應(yīng)調(diào)頻價(jià)格低、中和高場(chǎng)景。抽水蓄能機(jī)組在每個(gè)時(shí)段內(nèi)最多可以憑借在發(fā)電模式下的［180 MW，300 MW］內(nèi)的120 MW 可調(diào)節(jié)功率參與調(diào)頻市場(chǎng)。

圖4 調(diào)頻價(jià)格波動(dòng)場(chǎng)景曲線Fig.4 The curve under scenarios with fluctuant frequencies and regulation prices

4.2 多元化服務(wù)收益測(cè)算

在上述3 個(gè)場(chǎng)景下抽水蓄能電站通過能量市場(chǎng)的電價(jià)套利收入分別為：場(chǎng)景1 收入0，場(chǎng)景2 收入28.47 萬(wàn)元，場(chǎng)景3 收入91.18 萬(wàn)元。其中場(chǎng)景1 收入為0 是考慮到峰谷電價(jià)差異不足以抵消抽水蓄能電站抽水與發(fā)電間的效率損失，所以無(wú)法通過削峰填谷的運(yùn)行模式從能量市場(chǎng)獲得收益。

再進(jìn)一步考慮備用輔助服務(wù)收益，在能量市場(chǎng)的空閑時(shí)刻提供備用服務(wù)可以獲得的收入在3 個(gè)場(chǎng)景下分別為8.1 萬(wàn)元、2.93 萬(wàn)元和2.25 萬(wàn)元。其中抽水蓄能機(jī)組在場(chǎng)景1 中全部的24 個(gè)小時(shí)均通過參與備用服務(wù)獲得收益。因此在考慮備用服務(wù)的收入后，3 個(gè)場(chǎng)景下抽水蓄能機(jī)組的收益分別為：場(chǎng)景1 收入8.1 萬(wàn)元，場(chǎng)景2 收入31.37 萬(wàn)元，場(chǎng)景3 收入93.43 萬(wàn)元。由此說明備用服務(wù)能夠進(jìn)一步提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)收入水平。這種模式下場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 中抽水蓄能電站的每小時(shí)功率容量分配如圖5 和圖6 所示。

圖5 場(chǎng)景2下抽水蓄能電站每小時(shí)容量分配Fig.5 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 2

圖6 場(chǎng)景3下抽水蓄能電站每小時(shí)容量分配Fig.6 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 3

再進(jìn)一步考慮所構(gòu)建的由式（15）—式（19）描述的多元服務(wù)優(yōu)化決策模型，可以進(jìn)一步控制抽水蓄能機(jī)組在某些時(shí)刻內(nèi)通過將原有參與能量市場(chǎng)的運(yùn)行模式調(diào)整為部分功率容量參加削峰填谷，部分容量參加調(diào)頻的運(yùn)行模式，在這種模式下抽水蓄能電站在3個(gè)場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)收入分別進(jìn)一步提升為8.1 萬(wàn)元、32.16 萬(wàn)元、93.91 萬(wàn)元，提升了抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)收益水平。抽水蓄能電站在場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 模式下的具體運(yùn)行狀態(tài)如圖7 和圖8 所示，具體收益情況如表4 所示。

圖7 場(chǎng)景2下抽水蓄能電站收益最大化模式下每小時(shí)容量分配Fig.7 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 2 with maximized revenue

圖8 場(chǎng)景3下抽水蓄能電站收益最大化模式下每小時(shí)容量分配Fig.8 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 3 with maximized revenue

表4 抽水蓄能在多種場(chǎng)景下的綜合收益Table 4 The revenue of pumped storage units with different scenarios 單位：萬(wàn)元

進(jìn)一步考慮調(diào)頻價(jià)格對(duì)抽水蓄能電站收益的影響，將場(chǎng)景2 中的調(diào)頻價(jià)格進(jìn)一步調(diào)整為原始價(jià)格的2 倍以及將調(diào)頻的性能因子系數(shù)調(diào)整為2，即調(diào)頻性能因子系數(shù)調(diào)整為基礎(chǔ)場(chǎng)景的2 倍。抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)如圖9 和圖10 所示。在這兩種場(chǎng)景下抽水蓄能電站的調(diào)頻收入分別增至1.87 萬(wàn)元和5.76 萬(wàn)元，備用收入分別增至3.83 萬(wàn)元和4.28 萬(wàn)元，能量市場(chǎng)收入分別降至27.18 萬(wàn)元和24.8 萬(wàn)元，總收入分別增至32.88 萬(wàn)元和34.84 萬(wàn)元，比原有場(chǎng)景分別提升了2.2%和8.3%。說明抽水蓄能電站的調(diào)頻收益即便在調(diào)頻收益較高的場(chǎng)景下對(duì)綜合收益的占比也較少。同時(shí)相比調(diào)頻價(jià)格，抽水蓄能電站在調(diào)頻性能因子取值較高的場(chǎng)景下，即其他機(jī)組調(diào)頻性能因子均值較低時(shí)，能夠憑借其較好的技術(shù)性能通過性能因子獲得較高的收益，具體收益情況如表5 所示。

圖9 場(chǎng)景2下增加調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格后抽水蓄能電站的每小時(shí)容量分配Fig.9 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with increased frequency regulation price

圖10 場(chǎng)景2下提高性能因子后抽水蓄能電站的每小時(shí)容量分配Fig.10 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with increased performance factor

表5 抽水蓄能在增加調(diào)頻收益情況下的收益Table 5 The revenue of pumped storage units with increased frequency regulation price 單位：萬(wàn)元

再進(jìn)一步考慮系統(tǒng)效率對(duì)抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)收益的影響。圖11—圖13 分別給出了抽水蓄能機(jī)組抽水和發(fā)電效率均為80%情況下，基礎(chǔ)場(chǎng)景、2 倍調(diào)頻價(jià)格、2 倍調(diào)頻價(jià)格和2 倍性能因子的計(jì)算結(jié)果。

圖11 場(chǎng)景2下抽水蓄能電站80%效率下的每小時(shí)容量分配Fig.11 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency

圖12 場(chǎng)景2下增加調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格后抽水蓄能電站80%效率下的每小時(shí)容量分配Fig.12 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency and increased frequency regulation price

圖13 場(chǎng)景2下提高性能因子后抽水蓄能電站80%效率下的每小時(shí)容量分配Fig.13 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency and increased performance factor

圖14—圖16 分別給出了抽水蓄能機(jī)組抽水和發(fā)電效率均為90%情況下，基礎(chǔ)場(chǎng)景、2 倍調(diào)頻價(jià)格、2 倍調(diào)頻價(jià)格和2 倍性能因子的計(jì)算結(jié)果。

圖14 場(chǎng)景2下抽水蓄能電站90%效率下的每小時(shí)容量分配Fig.14 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 90%efficiency

圖16 場(chǎng)景2下提高性能因子后抽水蓄能電站90%效率下的每小時(shí)容量分配Fig.16 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 90%efficiency and increased performance factor

不同運(yùn)行效率下抽水蓄能電站的綜合收益情況如表6 所示。

表6 抽水蓄能在不同效率下的收益Table 6 The revenue of pumped storage units with different operation efficiencies 單位：萬(wàn)元

表6 顯示，抽水蓄能電站的運(yùn)行效率對(duì)經(jīng)濟(jì)收益影響很大，在基礎(chǔ)場(chǎng)景2 下，運(yùn)行效率從80%提升到90%可以使綜合收入增加1 倍以上。這是由于更高的運(yùn)行效率能夠增加抽水蓄能電站削峰填谷運(yùn)行的時(shí)段數(shù)，同時(shí)增加原有削峰填谷操作時(shí)段內(nèi)的對(duì)應(yīng)收益。在雙重作用下可以大幅增加抽水蓄能電站的綜合收益。較低的抽水蓄能電站運(yùn)行效率會(huì)減少抽水蓄能電站發(fā)電模式的運(yùn)行時(shí)段數(shù)，從而降低抽水蓄能電站參與調(diào)頻服務(wù)的機(jī)會(huì)，即使調(diào)頻價(jià)格增加，抽水蓄能電站通過調(diào)頻服務(wù)增加的收入也有限。反之，當(dāng)抽水蓄能電站運(yùn)行效率較高時(shí)，因?yàn)槌樗钅茈娬疽园l(fā)電模式運(yùn)行的時(shí)段數(shù)增加，參與調(diào)頻服務(wù)的機(jī)會(huì)更多，因此當(dāng)調(diào)頻價(jià)格上升時(shí)，抽水蓄能電站獲取的調(diào)頻收益增加量更高。以文中算例為例，90%運(yùn)行效率情況下，調(diào)頻收益最高的場(chǎng)景相比次高場(chǎng)景增加了247%，而80%運(yùn)行效率下僅增加了180%。因此提升抽水蓄能電站運(yùn)行效率將能夠從能量市場(chǎng)與調(diào)頻市場(chǎng)兩方面同時(shí)增加收益。

此外，在場(chǎng)景1—場(chǎng)景3 下，算例中涉及的300 MW容量抽水蓄能機(jī)組還具備每年獲得容量市場(chǎng)補(bǔ)償收益為550 元/kW×300 000 kW×95%=1.5675 億元，折算為日收入42.95 萬(wàn)元；黑啟動(dòng)補(bǔ)償收益為0.2 元/kW×300 000 kW×12=72 萬(wàn)，折算為日收入0.20 萬(wàn)元，相比容量市場(chǎng)補(bǔ)償收益，黑啟動(dòng)補(bǔ)償收益可以忽略不計(jì)。

4.3 結(jié)果分析

在3 個(gè)場(chǎng)景下，抽水蓄能電站通過以不同策略參加能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)能夠取得多樣化的經(jīng)濟(jì)收益。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，能量電價(jià)與調(diào)頻電價(jià)差異能夠大幅影響抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。能量市場(chǎng)價(jià)格峰谷差較大的計(jì)算場(chǎng)景，也是調(diào)頻價(jià)格波動(dòng)較大的場(chǎng)景，在這種場(chǎng)景中，抽水蓄能機(jī)組通常能夠從能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)中取得較好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。抽水蓄能機(jī)組由于從抽水模式到發(fā)電模式間所涉及的兩次轉(zhuǎn)換水量損失較大，導(dǎo)致抽水蓄能機(jī)組的電-電循環(huán)轉(zhuǎn)換效率較低，使抽水蓄能電站在能量?jī)r(jià)格波動(dòng)較低的場(chǎng)景中無(wú)法取得正收益，降低了抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)回報(bào)水平。

考慮到調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格與市場(chǎng)中提供調(diào)頻服務(wù)的機(jī)組容量、日負(fù)荷曲線峰谷差異和日負(fù)荷波動(dòng)水平有緊密聯(lián)系，因此日能量市場(chǎng)波動(dòng)較小的場(chǎng)景下調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格也通常波動(dòng)較小且價(jià)格較低。這種場(chǎng)景下抽水蓄能電站通常無(wú)法通過參加調(diào)頻市場(chǎng)大幅改善其收益水平。

此外，數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果顯示容量市場(chǎng)的收益對(duì)于抽水蓄能機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益起到了重要的托底保障作用，是提升抽水蓄能機(jī)組經(jīng)濟(jì)收入水平的重要保障機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)方法，覆蓋了抽水蓄能電站參與削峰填谷、調(diào)頻、備用、容量市場(chǎng)以及黑啟動(dòng)服務(wù)等多元化技術(shù)服務(wù)。通過研究三種典型的能量和調(diào)頻輔助服務(wù)價(jià)格場(chǎng)景，分析了抽水蓄能電站在多元化市場(chǎng)環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)回報(bào)構(gòu)成，驗(yàn)證了抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)收入水平與日負(fù)荷曲線峰谷差和日負(fù)荷波動(dòng)具有緊密聯(lián)系。抽水蓄能電站的電-電循環(huán)效率也對(duì)抽水蓄能電站參與能量市場(chǎng)的收益水平有著重要影響。電-電循環(huán)效率較低會(huì)導(dǎo)致抽水蓄能電站在日能量電價(jià)曲線波動(dòng)小的場(chǎng)景下無(wú)法獲得正收益，而失去參與能量市場(chǎng)并獲得收益的可能。同時(shí)，由于抽水蓄能電站未參與能量市場(chǎng)，導(dǎo)致抽水蓄能電站在對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)無(wú)法處于發(fā)電模式，降低了抽水蓄能電站參與調(diào)頻提升收益的可能。因此提升抽水蓄能電站的電-電轉(zhuǎn)換效率是提高抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)收益的重要措施。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)與政策保障機(jī)制，抽水蓄能電站從容量市場(chǎng)獲得的回報(bào)在抽水蓄能電站綜合經(jīng)濟(jì)收益中占有重要比重，容量市場(chǎng)的建立將是確保抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)收益的重要保障機(jī)制。

所構(gòu)建的多種電價(jià)場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單，未考慮電價(jià)不確定性在抽水蓄能機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)抽水蓄能機(jī)組經(jīng)濟(jì)回報(bào)的量化影響，僅關(guān)注于計(jì)算分析抽水蓄能電站綜合經(jīng)濟(jì)回報(bào)的理論上限，因此在后續(xù)研究中將針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)一步開展研究。此外，變速型抽水蓄能電站憑借其具備更廣、更靈活的調(diào)節(jié)范圍，將使抽水蓄能電站在發(fā)電和抽水模式下均具備提供調(diào)頻服務(wù)的可能，打破了目前調(diào)頻服務(wù)依賴于抽水蓄能電站處于發(fā)電模式的約束，未來(lái)也將就這一問題在文中研究基礎(chǔ)上繼續(xù)開展相關(guān)研究，進(jìn)一步完善抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法。