楊建林 黃一超 費 斐 郭明星 龐愛莉

（國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120）

根據(jù)投資主體的不同，當(dāng)前儲能技術(shù)的商業(yè)運營模式主要可分為四類，分別為發(fā)電側(cè)投資運營模式、電網(wǎng)側(cè)投資運營模式、用戶側(cè)投資運營模式和第三方投資運營模式。不論是電網(wǎng)公司、發(fā)電企業(yè)、電力用戶還是獨立投資機(jī)構(gòu)，在考慮是否裝配儲能電站時，一定都會考慮儲能電站所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。因此非常有必要研究不同投資主體投資儲能電站所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用場景不同，其使用目的及所帶來的各方面經(jīng)濟(jì)收益也有很大不同。因此，不同應(yīng)用場景將對應(yīng)不同的儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評估模型[1-3]。同時，不同投資主體對儲能投資時一般希望可以同時實現(xiàn)多種功能[4]。例如，電網(wǎng)側(cè)投資模式希望將儲能電站安裝在負(fù)荷附近以實現(xiàn)最大程度的削峰，同時可延緩輸配電設(shè)備的升級改造；發(fā)電側(cè)投資模式希望儲能投入后提高現(xiàn)有機(jī)組最大利用小時數(shù)，延緩新建發(fā)電機(jī)組并減少溫室氣體排放[5]。因此，非常有必要進(jìn)行各個場景下的儲能經(jīng)濟(jì)效益評估方法研究，計算不同投資主體的所有收益，為衡量儲能價值、確定儲能應(yīng)用結(jié)算機(jī)制和利益分成機(jī)制提供參考[6]。

基于上述背景，本文研究了不同商業(yè)運營模型下的儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益計算分析模型，詳細(xì)分析了各種商業(yè)運營模式下各種經(jīng)濟(jì)收益的組成結(jié)構(gòu)和計算方法，通過算例的計算結(jié)果給出儲能技術(shù)最優(yōu)商業(yè)運營模式的投資建議。

1 不同商業(yè)運營模式經(jīng)濟(jì)效益模型

本節(jié)基于儲能技術(shù)各種應(yīng)用場景分析，進(jìn)行不同商業(yè)運營模式的儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益分析建模。

1.1 電網(wǎng)側(cè)投資運營模式經(jīng)濟(jì)效益模型

電網(wǎng)側(cè)投資模式是指由電網(wǎng)公司全資投資儲能裝置，所獲收益全部歸電網(wǎng)公司所有的商業(yè)運營模式。該模式是電網(wǎng)公司從電網(wǎng)自身需要出發(fā)，為解決特定問題而進(jìn)行的儲能設(shè)施安裝。由電網(wǎng)投資的儲能項目一般容量較大、投資較多，且隱形經(jīng)濟(jì)效益大于顯形經(jīng)濟(jì)效益。

儲能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)中，具有延緩電網(wǎng)建設(shè)、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、減少系統(tǒng)停電損失電量等作用，進(jìn)而帶來相應(yīng)的收益[7]。相關(guān)經(jīng)濟(jì)收益模型如下。

1）延緩電網(wǎng)建設(shè)

通過安裝儲能減少電網(wǎng)擴(kuò)建改造方面的經(jīng)濟(jì)效益1E可以表示為

式中， Cinvest為用戶配電系統(tǒng)的單位造價（萬元/MW）； Pmax為蓄電池組額定功率（MW）；η為儲能裝置的儲能效率；一般要求儲能安裝節(jié)點的儲能容量小于該節(jié)點的最大負(fù)荷。

2）降低線路損耗

在減少線路網(wǎng)損方面的年收益 E2為

式中，2E定義為減少線路損耗指標(biāo)，n為儲能裝置每年的總循環(huán)充放電次數(shù)，T為儲能裝置的單次充放電平均持續(xù)時間；hM 和lM分別為放電時的峰值電價和充電時的低谷電價。HPΔ、LPΔ分別為高峰負(fù)荷時減少的線路有功功率和低谷負(fù)荷時增加的線路有功功率。

3）減少系統(tǒng)停電損失電量

通過缺電損失評價率來對儲能裝置減少地區(qū)停電損失的效益3E進(jìn)行評估，顯然可以間接反映儲能裝置節(jié)省的電網(wǎng)可靠性成本，即

式中，RCEE 為儲能裝置的剩余電量期望值（MWh），當(dāng)發(fā)生停電時，儲能裝置的剩余電量可以減少用戶相應(yīng)數(shù)量的電量不足期望值，為系統(tǒng)平均每年停電率；IEAR 為用戶停電損失評價率（萬元/MWh）。

4）經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型

電網(wǎng)側(cè)運營模式下的經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型如下式所示：

式中，netE 為電網(wǎng)投資下的凈收益；1E為緩解電網(wǎng)投資建設(shè)節(jié)約費用；2E為降低網(wǎng)損節(jié)約費用；3E為減少用戶停電損失電量費用；1C為儲能電站的投資成本，具體包括站址建設(shè)成本和設(shè)備投資成本，均已折算至每年現(xiàn)值。2C為儲能裝置的年運行維護(hù)費用，主要由儲能裝置的安裝規(guī)模。

需要說明的是，本評估模型未考慮儲能裝置快速參與調(diào)頻所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，主要原因是目前我國尚未對儲能參與調(diào)頻給出獨立的補償價格，因其調(diào)頻速度快而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益很難量化，故目前無法界定其成本。

1.2 用戶側(cè)投資運營模式經(jīng)濟(jì)效益模型

用戶側(cè)投資模式是指由用戶全資投資儲能裝置，所獲收益全部歸用戶所有的商業(yè)運營模式。

儲能系統(tǒng)應(yīng)用于用戶側(cè)，可減少用戶的電量電費和容量電費，減少因停電造成的用戶停電損失，減少用戶備用電源投資，從而帶來經(jīng)濟(jì)收益[8]。

1）高發(fā)低儲減少電量電費和容量電費

在負(fù)荷低谷且電價較低時對儲能裝置充電，在負(fù)荷高峰且電價較高時放電，利用峰谷電價差，可以減少其購電費用中的電量電費。年收益3E可以表示為

由專用配變供電的大中型電力用戶，每月需按照其申請用電的最大需量交納基本電費。用戶安裝儲能系統(tǒng)后，可減少用戶的峰值負(fù)荷數(shù)值，進(jìn)而減少了每月的容量電費數(shù)值。相應(yīng)的年收益5E可以表示為

式中，cP為儲能裝置的容量；1L為用戶增容所需交納的單位容量電價。

2）減少用戶停電損失和備用電源投資

用戶停電可能造成其生產(chǎn)中斷甚至產(chǎn)品報廢，影響其經(jīng)濟(jì)收益。儲能系統(tǒng)可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)市電到儲能系統(tǒng)的切換，防止市電供電中斷造成的用戶停電、減少缺電損失。由此產(chǎn)生的年收益6E可表示為

式中，sλ為儲能裝置投入前的用戶停電率；sλ′為儲能裝置投入后用戶的停電率。cutE 為每次供電中斷給用戶造成的經(jīng)濟(jì)損失期望值。

減少的備用電源投資7E計算如下：

式中，7E為備用電源投資；cP為儲能容量；2L為單位備用電源容量的投資成本。

3）經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型

根據(jù)上節(jié)對電網(wǎng)側(cè)投資模式的收益分析，可得該運營模式下的經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型為

式中，userE 為用戶投資下的凈收益；4E為利用峰谷電價高發(fā)低儲所得收益；5E為減少增容容量電價節(jié)約費用；6E為減少用戶停電損失電量費用；7E為減少減少用戶備用電源配置所需費用；1C、2C定義同上一節(jié)。

1.3 發(fā)電側(cè)投資模式及其經(jīng)濟(jì)效益分析

發(fā)電側(cè)投資模式是指由發(fā)電公司（含新能源發(fā)電）全資投資儲能裝置，所獲收益全部歸發(fā)電公司（含新能源發(fā)電）所有的商業(yè)運營模式。

儲能系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電中，可以作為旋轉(zhuǎn)備用提高火電廠發(fā)電能力、平滑新能源出力并提升電能質(zhì)量[9-11]、以及備用電源減少新能源所需備用等，從而帶來相應(yīng)的收益。

1）作為旋轉(zhuǎn)備用提高火電廠發(fā)電能力

為應(yīng)對因突發(fā)故障等因素造成的發(fā)電容量不足，每個發(fā)電廠都保留一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，使得火電機(jī)組無法在最大負(fù)荷點處運行。由于需要一定的旋轉(zhuǎn)備用，要求在負(fù)荷低谷時段降低火電機(jī)組出力，導(dǎo)致機(jī)組無法最優(yōu)效率運行，而在高峰時段，需要開啟燃油機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組等發(fā)電成本較高的電源。

通過作為旋轉(zhuǎn)備用帶來的經(jīng)濟(jì)效益可用下式表示：

式中，8E為經(jīng)濟(jì)效益數(shù)值；CP為儲能容量，也為減少的旋轉(zhuǎn)備用電源容量，GL為單位容量的上網(wǎng)電價，T為每年發(fā)電廠的發(fā)電時間。

2）平滑新能源出力并提升電能質(zhì)量

以風(fēng)電場為例，風(fēng)電場配置儲能收益主要來自于三部分[12-13]。

（1）削峰填谷收益。儲能應(yīng)用于風(fēng)電削峰填谷的收益計算式為

式中，9E為年經(jīng)濟(jì)收益；P為風(fēng)電上網(wǎng)電價；η為儲能系統(tǒng)的運行效率；Q為總充放電量。

（2）跟蹤計劃出力收益。儲能應(yīng)用于跟蹤計劃出力的收益的計算公式如下：

式中， E10為年經(jīng)濟(jì)收益；P為風(fēng)電上網(wǎng)標(biāo)桿電價；C為風(fēng)電場裝機(jī)容量數(shù)值；T1、T0為安裝儲能裝置前后風(fēng)電場年的年最大負(fù)荷利用小時數(shù)。

（3）減少電能質(zhì)量治理裝置的安裝收益?？衫脙δ苎b置出力的快速響應(yīng)來改善電能質(zhì)量，減少電能質(zhì)量治理裝置的投資，年收益 E8可用下式計算：

式中，k為儲能可替代電能質(zhì)量補償裝置的種類（k=1,2, …, K）； CQk為解決第 k類電能質(zhì)量問題所需安裝補償裝置的投資費用。

3）作為備用電源減少新能源所需備用

由于新能源發(fā)電的隨機(jī)性會給電網(wǎng)的運行帶來一定風(fēng)險，因此需在電網(wǎng)中配備一定的備用容量來應(yīng)對新能源發(fā)電出力的波動。儲能裝置的出力具有調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點，因此可替代常規(guī)電源作為新能源發(fā)電的備用容量。為計算方便，將儲能裝置理想化為均勻充放電，儲能裝置可用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率（可發(fā)出功率或吸收功率）的電量期望值為 0.5PmaxT。儲能裝置取代傳統(tǒng)電源作為備用容量的經(jīng)濟(jì)收益E4可表示為

式中，12E 為減少新能源發(fā)電所需的常規(guī)備用容量指標(biāo)；5M 為常規(guī)備用容量的單位容量價格。

4）經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型

根據(jù)上節(jié)對電網(wǎng)側(cè)投資模式的收益分析，可得該運營模式下的經(jīng)濟(jì)效益綜合評估模型如下式所示：

式中，genE 為發(fā)電投資下的凈收益；8E為減少發(fā)電廠常規(guī)旋轉(zhuǎn)備用所得收益；9E為為新能源削峰填谷所得收益費用；10E 為新能源跟蹤指定出力曲線收益費用；減少用戶停電損失電量費用；11E 為減少電能質(zhì)量治理裝置安裝所節(jié)約費用；12E 為減少新能源接入所需傳統(tǒng)備用電源收益；1C、2C定義同上一節(jié)。

需要說明的是，由于傳統(tǒng)發(fā)電廠和新能源電廠所建位置一般不同，因此對于傳統(tǒng)發(fā)電廠單獨以 E8作為目標(biāo)，且儲能可以通過飛輪儲能等形式。

對于新能源電廠以 E9+ E10+ E11+ E12作為目標(biāo)。

1.4 第三方投資模式及其經(jīng)濟(jì)效益分析

第三方投資模式是指由第三方機(jī)構(gòu)全資投資儲能裝置，所獲收益全部歸第三方機(jī)構(gòu)所有的商業(yè)運營模式。

前文所述的三種投資模式均從投資主體自身利益出發(fā)，為解決其自身問題而進(jìn)行的儲能設(shè)施投資。然而，這三種投資模式的收益來源單一，未考慮電網(wǎng)、發(fā)電、用戶三方的利益共享。第三方投資者建設(shè)儲能裝置的收益可同時來源于電網(wǎng)、發(fā)電和用戶，其所儲存的電能可供多方同時使用并共同收益。第三方運營商可根據(jù)“誰受益，誰付費”的原則對電網(wǎng)、發(fā)電和用戶收取響應(yīng)服務(wù)費用。

第三方投資的經(jīng)濟(jì)效益評估模型可由下式表示：

式中，thirdE 為第三方投資下的凈收益；netE 為電網(wǎng)側(cè)儲能受益方所需支付費用；userE 為用戶側(cè)儲能受益方所需支付費用；genE 為發(fā)電側(cè)儲能受益方所需支付費用；1C、2C定義同上一節(jié)。

由式（16）可以看出，第三方投資模式下的經(jīng)濟(jì)收益關(guān)鍵是計算安裝儲能裝置后為電網(wǎng)、發(fā)電和用戶節(jié)約的費用，需要在投資前做好各方面的協(xié)調(diào)工作，并簽署相關(guān)協(xié)議，以保障其經(jīng)濟(jì)收益。

2 算例分析

下面取某地區(qū)某三班制企業(yè)的負(fù)荷數(shù)據(jù)對安裝鈉硫電池儲能系統(tǒng)的規(guī)劃模型為例進(jìn)行分析。圖1為其典型工作日負(fù)荷曲線。假定儲能系統(tǒng)的額定功率和最大容量分別為

圖1 某企業(yè)的典型工作日負(fù)荷曲線

首先，計算用戶側(cè)投資模式下的儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)收益。根據(jù)前文計算方法，求得用戶側(cè)投資所得各部分經(jīng)濟(jì)收益的結(jié)果，見表1。

表1 各部分收益和成本

通過上表數(shù)據(jù)可以看出，用戶側(cè)投資儲能系統(tǒng)的年凈收益僅為128萬元，相對于3560萬元的固定投資成本，其平均年投資回報率偏低，僅為3.59%。這是只考慮了用戶作為投資者方面的收益，用戶投資建設(shè)儲能裝置的經(jīng)濟(jì)性偏低。

若儲能裝置由第三方公司投資，同時給用戶和供電公司提供服務(wù)，則第三方投資模式下的經(jīng)濟(jì)收益同時來自與用戶和供電公司。

上述三種投資模式的年收益和投資回報率的對比情況如圖2所示。

圖2 不同投資模式年收益和投資回報率對比圖

從該算例的圖形對比結(jié)果可以看出，第三方投資的收益率最高，用戶側(cè)投資收益率其次，電網(wǎng)側(cè)投資的收益率最低。關(guān)鍵是第三方投資能夠協(xié)調(diào)電網(wǎng)、用戶受益方之間的利益關(guān)系，統(tǒng)籌考慮儲能裝置的容量，因此使得投資收益最大化。

本案例僅考慮了第三方投資儲能在電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的應(yīng)用場景和經(jīng)濟(jì)效益。類似的，若計及儲能裝置在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用收益，則可進(jìn)一步提升投資回報率數(shù)值。

近年來，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)如火如荼，能源互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)多個投資主體間的能源信息互聯(lián)共享。同時，其大數(shù)據(jù)分析能力可為各投資主體提供更加精細(xì)的經(jīng)濟(jì)收益數(shù)值，可為儲能的投資優(yōu)化和決策分析提供更為完善的技術(shù)支持[14-15]。如何借助能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)不同投資模式下儲能的經(jīng)濟(jì)效益分析是下一步需要重點研究的方向。

3 結(jié)論

本文研究了四種商業(yè)運營模式下的儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益計算方法，分別建立了電網(wǎng)側(cè)投資、用戶側(cè)投資、發(fā)電側(cè)投資和第三方投資的經(jīng)濟(jì)效益計算模型，并對每種商業(yè)運營模式的經(jīng)濟(jì)收益組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過算例給出了各種商業(yè)運營模式下的計算分析結(jié)果。通過對比可以看出，第三方投資的商業(yè)運營模式由于綜合計及了電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的投資收益，因此具有較好的投資回報率，是現(xiàn)階段最優(yōu)的商業(yè)運營模式。

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