趙書奇，吳夢婕，廖強強，劉宇，支玉清，周國定，葛紅花

(1. 上海電力學院，上海市 200090； 2. 中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市200050；3. 國家電網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200122)

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基于并網(wǎng)風電場的電池儲能技術(shù)經(jīng)濟性分析

趙書奇1，吳夢婕1，廖強強1，劉宇2，支玉清3，周國定1，葛紅花1

(1. 上海電力學院，上海市 200090； 2. 中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市200050；3. 國家電網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200122)

采用EnergyPLAN軟件研究了電源結(jié)構(gòu)為火電和風電的能源體系中，水性鈉離子電池(aqueous sodium-ion battery，ASIB)在該能源系統(tǒng)中的技術(shù)經(jīng)濟性。研究結(jié)果表明：隨著風儲容量比的降低，能源系統(tǒng)的臨界過剩發(fā)電量(critical excesses electricity production， CEEP)的削減量逐漸增大，而且風電的滲透比例越高，消減的CEEP值越大；隨著風儲容量比的降低，能源系統(tǒng)的年度CO2排放量和年度燃料成本逐漸減少；權(quán)衡年度總成本和CEEP值2個指標，從技術(shù)經(jīng)濟方面考慮，風儲容量比為2.5∶1～2∶1時最優(yōu)。

水性鈉離子電池；風電場；儲能；技術(shù)經(jīng)濟分析

0 引 言

我國風力發(fā)電正在快速發(fā)展，2014年全國風電上網(wǎng)電量達1 534億kW·h，占全部發(fā)電量的2.78%。與化石燃料發(fā)電相比，風力發(fā)電具有間歇性、隨機性、反調(diào)峰性及波動大等特點，大規(guī)模風電并網(wǎng)將對電網(wǎng)平穩(wěn)運行造成沖擊，而大容量儲能技術(shù)可以解決間歇性的風電并網(wǎng)問題。目前儲能的成本還較高，如張北國家“風光儲輸”綜合示范項目中，蓄電池成本就占整個項目造價的20%～30%。盡管儲能系統(tǒng)對風電等可再生能源并網(wǎng)有積極的作用[1-2]，但儲能系統(tǒng)的配置增加了已經(jīng)比較昂貴的風力發(fā)電成本，使得風儲系統(tǒng)在市場環(huán)境下更不經(jīng)濟。如果能找到一種成本較低、循環(huán)壽命較長的儲能電池，并且根據(jù)儲能需求合理配置儲能容量，則相應的儲能成本也可以大幅降低。美國Aquion Energy公司開發(fā)出一種水性鈉離子電池(aqueous sodium-ion battery，ASIB)[3-4]，其采用水性電解液、活性炭陰極和鈉錳基陽極。水性電解液在2個電極之間傳輸鈉離子，進行充放電，這些材料都是無毒的，電池100%可回收[5]。Aquion Energy公司研制的鈉離子電池循環(huán)壽命超過5 000次，充放電效率在85%以上，預期成本在300美元/(kW·h)[6]，屬于一種成本較低，循環(huán)壽命較長的儲能電池，因此本文對水性鈉離子電池在電源結(jié)構(gòu)為火電和風電的能源體系中的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析。

為了研究風電并網(wǎng)項目中儲能容量的合理配置，本文采用丹麥奧爾堡大學研發(fā)的EnergyPLAN軟件[7]開展風儲系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性研究。該軟件是一款專業(yè)的能源系統(tǒng)分析與運行優(yōu)化軟件，已經(jīng)在克羅地亞Mljet島嶼和整個國家的100%可再生能源體系，丹麥整個國家100%可再生能源體系，大規(guī)模風能入網(wǎng)，可再生能源的優(yōu)化組合，過剩電力管理，通過V2G模式風電入網(wǎng)，未來能源結(jié)構(gòu)中燃料電池和蓄電池的潛在作用，電力儲能的作用和壓縮空氣儲能的作用等方面得到了廣泛應用[8-17]。

本文在設定某地區(qū)用電量一定，電源結(jié)構(gòu)為火電和風電的能源體系中，調(diào)整風電在電源結(jié)構(gòu)中的比例和風電裝機與儲能系統(tǒng)的容量配比，計算不同場景下的臨界過剩發(fā)電量(critical excesses electricity production，CEEP)、CO2減排量、加入ASIB儲能系統(tǒng)的整個能源系統(tǒng)的年度總成本及其構(gòu)成，分析ASIB的技術(shù)經(jīng)濟性能，為風儲系統(tǒng)的容量配置研究提供參考。

1 研究方法

EnergyPLAN軟件的輸入數(shù)據(jù)包括年度用電負荷曲線、年度可再生能源發(fā)電負荷曲線、年度火力發(fā)電負荷曲線，這些負荷曲線每間隔1 h取一個點，1年共有365×24個=8 760個數(shù)據(jù)點；另外還要輸入用電容量、不同發(fā)電形式的發(fā)電容量、儲能容量，以及建設和運行成本等數(shù)據(jù)。當發(fā)電容量超過輸電線路容量時，會破壞電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，EnergyPLAN軟件以臨界過剩發(fā)電量(CEEP)作為一個重要判據(jù)，判斷發(fā)電和用電之間是否平衡。

2 情景設置

2.1 負荷曲線

圖1為上海某地區(qū)配電站一條配電線路某一季度的用電負荷曲線(為了顯示清楚，圖中只給出了某季度的用電負荷，實際計算時輸入的是年度實時數(shù)據(jù))。圖2、3分別是該季度風電場、火電廠的實時發(fā)電負荷曲線，本文假設該地區(qū)1年的用電量為3.5 TW·h。

圖1 上海市某配電線路某一季度的用電負荷曲線Fig.1 Power load curve of a distribution line in Shanghai for a season

圖2 某風電場某一季度的發(fā)電負荷曲線Fig.2 Generation load curve of a wind farm for a season

圖3 某火電廠某一季度的發(fā)電負荷曲線Fig.3 Generation load curve of a thermal power plant for a seaso

2.2 風電滲透率

為了達到減排CO2的目的，在用電量一定的情況下，逐步提高風電發(fā)電量占總發(fā)電量的比例，將風電滲透率由0增至30%，50%，70%，90%，100%。將用電量、用電負荷曲線、風電和火電發(fā)電負荷曲線輸入EnergyPLAN軟件，計算不同風電滲透率下火電、風電的裝機容量和發(fā)電量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同風電滲透率下火電、風電發(fā)電量

Table 1 Generating capacity of thermal power and wind power in the scenes of different permeability of wind powerr

2.3 不同發(fā)電、儲能方式的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

表2為火力發(fā)電、風力發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)。表3為水性鈉離子電池的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)。風機與儲能的容量比例分別設置為5∶1、4.5∶1、4∶1、3.5∶1、3∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2。

表2 不同發(fā)電方式的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

Table 2 Technical and economic parameters in different power-generating approaches

表3 水性鈉離子電池的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)Table 3 Technical and economic parameters of ASIB

3 結(jié)果與討論

圖4為在火電與風電組成的能源系統(tǒng)中，風電裝機容量分別為505，845，1 180，1 688 MW時，風電與ASIB容量之比對CEEP的影響。由圖4可知，加入ASIB后，該能源系統(tǒng)的CEEP都有不同程度的下降，而且CEEP隨著ASIB容量比例的增大而顯著降低，說明ASIB可以消納多余的發(fā)電容量，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

風電裝機容量為505 MW，即風電滲透率為30%時，加入ASIB的能源系統(tǒng)的CEEP都趨近于0，這可能是風電裝機容量較小，滿足了本地用電需求后基本無臨界過剩發(fā)電量。由于此時并網(wǎng)的風電容量較小，對儲能系統(tǒng)的依賴較低，出于經(jīng)濟性最優(yōu)考慮，這種情況下無須配置儲能系統(tǒng)。當風電裝機容量分別為845，1 180和1 668 MW，即風電滲透率分別為50%，70%和100%時，無ASIB的能源系統(tǒng)的CEEP值依次大幅提高；而隨著所配置的儲能容量比例的增大，ASIB對CEEP的消納能力逐漸增大。風儲容量比在5∶1～2∶1時，CEEP的曲線較平坦；風儲容量比從2.5∶1開始，CEEP曲線開始下降。風儲容量比在2∶1～1∶2時，由于儲能容量增加更多，CEEP的消納能力大增，曲線陡然下降。因此，從降低CEEP值的角度，儲能的容量越大越好，風電與儲能的容量比例低于2∶1以后對CEEP的消減量更顯著。

圖4 風儲容量比對不同能源系統(tǒng)的CEEP值的影響Fig.4 Influence of capacity ratios of wind power to battery energy storage on CEEP in different energy systems

圖5為在火電與風電組成的能源系統(tǒng)中，風電裝機容量分別為505，845，1 180，1 688 MW時，不同風儲容量比對能源系統(tǒng)中年度CO2排放量和年度燃料成本的影響。由圖5可知，在火電與風電組成的能源系統(tǒng)中，隨著風電裝機容量的提高，該能源系統(tǒng)中的年度燃煤成本及CO2排放量大幅降低，這是因為風電容量比例上升，火電廠發(fā)電量降低，從而使煤耗和CO2排放量降低；在相同風電裝機容量的情況下，隨著儲能容量比例的增加，該能源系統(tǒng)中的年度燃煤成本及CO2排放量也逐漸降低，這是因為系統(tǒng)中過剩的風電可以被ASIB吸納，并在需要時及時反饋給電網(wǎng)，從而進一步降低火電廠的發(fā)電量，燃煤費用和CO2排放量隨著儲能比例增大而逐漸減少。在風電裝機容量為1 688 MW時，風電滲透率已達100%，該能源系統(tǒng)中的年度CO2排放量和年度燃料成本均為0。

風電裝機容量及儲能容量對該能源系統(tǒng)年度總成本的影響如圖6所示。顯然，ASIB的加入提高了系統(tǒng)的總成本。但是，在風儲容量比介于5∶1至2.5∶1的區(qū)間內(nèi)，含與不含ASIB的能源系統(tǒng)年度總成本相近，這是由于風機和儲能的增加成本與火電廠裝機容量的減少成本相互抵消；當風儲容量比小于2∶1后，火電廠容量減少成本不足以覆蓋風機與儲能的上升成本，含ASIB的能源系統(tǒng)總成本陡然攀升。因此，我們可以認為，在風機與儲能容量比例高于2∶1時，風儲系統(tǒng)的經(jīng)濟性較高，此時風機和儲能的裝機容量的增加并不會給該能源系統(tǒng)帶來大幅的成本攀升。而風儲容量比越低，越有利于通過儲能消減風電帶來的CEEP值。在所設定的能源系統(tǒng)中，權(quán)衡年度總成本和CEEP值這2個指標，從技術(shù)經(jīng)濟性有度考慮，風儲容量比在2.5∶1～2∶1時為最優(yōu)。

圖5 風儲容量比對不同能源系統(tǒng)的年度CO2排放量和年度燃料成本的影響Fig.5 Influence of capacity ratios of wind power to battery energy storage on annual CO2 emission and coal costs in different energy systems

圖6 風儲容量比對不同能源系統(tǒng)的年度總成本的影響Fig.6 Influence of capacity ratios of wind power to battery energy storage on annual total costs in different energy systems

圖7為在火電與風電組成的能源系統(tǒng)中，風電裝機容量分別為505，845，1 180，1 688 MW時，不同風儲容量比對能源系統(tǒng)中的年度投資成本、固定運行成本和總可變成本的影響。根據(jù)Energy PLAN軟件的設置，年度總成本由年度投資成本、固定運行成本和總可變成本構(gòu)成，其中年度投資成本與功率成本和能量儲存成本有關(guān)，運行維護成本則設定為年度投資成本的固定比例，總可變成本包括總?cè)剂铣杀?、各發(fā)電及儲能單元的可變運行和管理成本、年度電力交換成本、總CO2排放成本。

由圖7可知，在沒有儲能系統(tǒng)的情況下，風電裝機容量分別為505，845，1 180和1 688 MW時，年度投資成本、固定運行成本都呈穩(wěn)步上升的趨勢，而總可變成本曲線則為先降后升。這是因為隨著風電裝機機容量的增加，火電廠燃煤成本、CO2排放成本不斷降低，而CEEP隨著風電裝機容量增加，年度電力交換成本上升，各發(fā)電和儲能單元的可變運行和維護成本上升。從變化的結(jié)果來看，前兩種的降低值高于后兩者的上升值。而在風電裝機容量為1 688 MW時，能源系統(tǒng)為100%的風能，這時的總可變成本全部是年度電力交換成本，數(shù)值上又升高了。

加入ASIB的能源系統(tǒng)的年度投資成本、固定運行成本均高于未含ASIB的，而總可變成本則低于未含ASIB的，這歸因于CO2指標出售產(chǎn)生的盈利。在相同風電裝機容量下，隨著儲能比例的增加，年度投資成本和固定運行成本穩(wěn)步增加，但是總可變成本減少，總可變成本的減少得益于儲能降低了能源系統(tǒng)的CEEP值。

4 結(jié) 論

(1)隨著風儲容量比的降低，ASIB對含風電的能源系統(tǒng)的CEEP值的削減量逐漸增大，而且風電的滲透比例越高，消減的CEEP值越大。

(2)隨著風儲容量比的降低，含風電的能源系統(tǒng)的年度CO2排放量和年度燃料成本逐漸減少。

(3)在風儲比為5∶1～2∶1時，含與不含ASIB的能源系統(tǒng)的年度總成本相近，此時風機和儲能的裝機容量的增加并不會給該能源系統(tǒng)帶來大幅的成本攀升。

圖7 風儲容量比對不同能源系統(tǒng)的年度投資成本、固定運行成本和總可變成本的影響Fig.7 Influence of capacity ratios of wind power to battery energy storage on annual investment costs, fixed operation costs and total variable costs in different energy systems

(4)權(quán)衡年度總成本和CEEP值這2個指標，從技術(shù)經(jīng)濟性角度考慮，風儲容量比為2.5∶1～2∶1時為最優(yōu)。

[1]陳躍燕, 李相俊, 韓曉娟,等. 基于移動平均法和風電波動率約束的電池儲能系統(tǒng)平滑風電出力控制策略[J].電力建設，2013,34(7):1-5. Chen Yueyan, Li Xiangjun, Han Xiaojuan, et al. Control strategy of smoothing wind power output using battery energy storage based on moving average method and wind power volatility rate constraint[J]. Electric Power Contruction, 2013, 34(7):1-5.

[2]翟彬, 商瑩, 劉增訓,等.含風儲系統(tǒng)的有源配電網(wǎng)計劃孤島劃分策略[J].電力建設，2014,35(11):122-126. Zhai Bin, Shang Ying, Liu Zengxun, et al. Planned islanding strategy of active distribution network with wind storage system[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(11):122-126.

[3]Tully K C, Whitacre J F, Litster S. Spatiotemporal electrochemical measurements across an electric double layer capacitor electrode with application to aqueous sodium hybrid batteries [J]. Journal of Power Sources, 2014, 248:348-355.

[4]Whitacre J F, Wiley T, Shanbhag S, et al. An aqueous electrolyte, sodium ion functional, large format energy storage device for stationary applicationsOriginal Research Article [J]. Journal of Power Sources, 2012,213:255-264.

[5]Wiley T, Weber E, Eshoo M, et al. Enabling solar generation and reducing diesel consumption at the redwood gate ranch microgrid with aqueous hybrid ion (AHI) batteries [EB/OL]. 2014[2015-02-15]. http://www.battcon.com/PapersFinal2014/3%20Wiley%20Paper%202014%20Final.pdf.

[6]賈旭平. 美國AquionEnergy公司鈉離子電池[J]. 電源技術(shù), 2012,36(7):925-927. Jia Xuping. Sodium-ion battery of Aquion Energy Corporation in USA. Chinese Journal of Power Sources, 2012,36(7):925-927.

[7]Aalborg University. EnergyPLAN：Advanced Energy System Analysis Computer Model. (accessed 25.11.10).

[8]Lund H, Duic N, Krajacic G, et al. Two energy system analysis models: a comparison of methodologies and results[J]. Energy,2007,32 (6) :948-954.

[9]Krajacic G, Duic N, Zmijarevic Z, et al. Planning for a 100% independent energy system based on smart energy storage for integration of renewables and CO2emissions reduction[J]. Applied Thermal Engineering, 2011,31(13):2073-2083.

[10]Lund H, Mathiesen B. Energy system analysis of 100% renewable energy systems: the case of Denmark in years 2030 and 2050[J]. Energy, 2009, 34 (5) :524-531.

[11]Lund H. Large-scale integration of wind power into different energy systems.[J] Energy, 2005, 30 (13) :2402-2412.

[12]Lund H. Large-scale integration of optimal combinations of PV, wind and wave power into the electricity supply[J]. Renewable Energy, 2006, 31(4) :503-515.

[13]Lund H, Munster E. Management of surplus electricity-production from a fluctuating renewable-energy source[J]. Applied Energy, 2003, 76 (1-3) : 65-74.

[14]Lund H, Kempton W. Integration of renewable energy into the transport and electricity sectors through V2G[J]. Energy Policy, 2008, 36 (9) : 3578-3587.

[15]Mathiesen B, Lund H. Comparative analyses of seven technologies to facilitate the integration of fluctuating renewable energy sources[J]. Renewable Power Generation IET, 2009, 3(2) :190-204.

[16]Blarke M, Lund H. The effectiveness of storage and relocation options in renewable energy systems[J]. Renewable Energy, 2008, 33(7) : 1499-1507.

[17]Lund H, Salgi G. The role of compressed air energy storage (CAES) in future sustainable energy systems[J]. Energy Conversion and Management, 2009,50 (5):1172-1179.

(編輯：張小飛)

Technical and Economic Analysis on Battery Energy Storage Based on Grid-Connected Wind Farm

ZHAO Shuqi1, WU Mengjie1, LIAO Qiangqiang1, LIU Yu2,ZHI Yuqing3, ZHOU Guoding1, GE Honghua1

(1. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China;3. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200122, China)

Technical and economic analysis on aqueous sodium-ion battery (ASIB) in the energy system containing thermal power and wind power was studied by EnergyPLAN software. The research results show that the reduced quantity of critical excesses electricity production (CEEP) in the energy system gradually increases in the wake of the decrease of capacity ratios of wind power to battery energy storage. Moreover, the higher the penetration ratio of wind power, the larger the reduced quantity of CEEP. Annual CO2emission and coal costs both gradually reduce along with the decrease of capacity ratios of wind power to battery energy storage. Approximate ratio of 2.5∶1—2∶1 is the optimalizing capacity ratio of wind power to battery energy storage with provision for technical and economic weighing between annual total costs and CEEP.

aqueous sodium-ion battery; wind farm; energy storage; technical and economic analysis

上海市科委項目(14DZ1201500，14DZ2261000)；上海市聯(lián)盟計劃(LM201458)；上海市教委科研創(chuàng)新項目(13YZ107)；上海市浦東新區(qū)科技發(fā)展基金創(chuàng)新資金(PKC20I4-M12)。

TM 61， F426

A

1000-7229(2015)05-0131-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.021

2015-02-25

2015-03-25

趙書奇(1990)，男，碩士研究生，研究方向為電力儲能；

吳夢婕(1989)，女，碩士研究生，研究方向為電力儲能；

廖強強(1971)，男，博士，教授，研究方向為電力儲能和電力腐蝕控制;

劉宇(1973)，男，博士，研究員，研究方向為儲能材料與器件；

支玉清(1985)，女，學士，助工，研究方向為電力系統(tǒng)；

周國定(1938)，男，碩士，教授，研究方向為電力儲能；

葛紅花(1966)，女，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)。