謝志佳, 王佳蕊, 李德鑫, 孟 濤

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室,北京 100192; 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,吉林 長春 130021)

0 引 言

在我國電源結(jié)構(gòu)中,調(diào)頻主要任務(wù)由水電與火電機組承擔(dān),但是均有相應(yīng)的不足,對維持電力系統(tǒng)頻率安全有一定影響[1-4]。從技術(shù)特性方面,火電機組在調(diào)頻過程中存在延遲、偏差和反向問題;從經(jīng)濟特性方面,調(diào)頻中頻繁折返的功率變化將增大煤耗,導(dǎo)致設(shè)備過度磨損[5]。水電機組參與調(diào)頻特性受到水流慣性及豐/枯水期影響變化較大[6]。隨著新能源滲透率提高,現(xiàn)有調(diào)頻容量缺口不斷增大,需要拓展新的調(diào)頻技術(shù)手段[7-9]。儲能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)速率快,且可雙向調(diào)節(jié),能作為電力系統(tǒng)一次、二次調(diào)頻的有效輔佐手段[10-12]。儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻輔助服務(wù),除技術(shù)與性能滿足應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化要求外,投資者首要關(guān)心的是投資新技術(shù)的必要性、優(yōu)勢與價值分析,以及成本需求等應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究的結(jié)果。

1 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟評估模型

1.1 儲能電池壽命計算

儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命難以準(zhǔn)確測定,卻又直接影響整個儲能系統(tǒng)的投資運行成本。為此可利用實測的電池放電深度DOD與其最大循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線,將運行過程中不同DOD下的循環(huán)次數(shù)等效為滿充滿放條件(即DOD=1)下的循環(huán)次數(shù),據(jù)此折算得到儲能電池的實際運行壽命。儲能電池等效運行壽命計算流程如圖1所示。

由SOC曲線得到每個循環(huán)周期后,其實際DODx值計算:

DODx=SOCmax-SOCmin

(1)

式中: SOCmax、SOCmin——第x個循環(huán)周期內(nèi)的SOC最大值和最小值。

定義儲能電池的等效循環(huán)系數(shù)α為

α(DODx)=N(1)/N(DODx)

(2)

式中:N(DODx)——實際放電深度為DODx時儲能電池的最大循環(huán)次數(shù);

N(1)——DOD=1時儲能電池的最大循環(huán)次數(shù);

α(DODx)——儲能電池在實際放電深度為DODx時循環(huán)1次等效為滿充滿放條件,即DOD=1時循環(huán)次數(shù),取0～1。

在考核時段T內(nèi),由雨流計數(shù)法求得儲能電池實際的循環(huán)周期數(shù)量為n,對應(yīng)的DOD分別為DOD1,DOD2,…,DODn,則儲能電池等效循環(huán)次數(shù)N′為

(3)

因此,儲能電池實際運行壽命T(考核周期的若干倍)為

T=N(1)/N′

(4)

1.2 經(jīng)濟評價方法及技術(shù)經(jīng)濟模型

1.2.1 經(jīng)濟評價方法

費用現(xiàn)值法計算:

(5)

式中: PC——費用現(xiàn)值;

COt——第t年的現(xiàn)金流出;

n——技術(shù)方案的壽命周期;

i0——基準(zhǔn)收益率(基準(zhǔn)折現(xiàn)率);

(P/F,i0,t)——一次支付現(xiàn)值系數(shù),為(1+i0)-t。

費用年值法計算:

(6)

式中: AC——費用年值;

(A/P,i0,n)——資金回收系數(shù)CRF,為i0(1+i0)n/[(1+i0)n-1]。

1.2.2 儲能系統(tǒng)成本分析

(1) 投資層面。初始投資指儲能系統(tǒng)工程建設(shè)初期的一次性投入固定資金。追加投資指在儲能系統(tǒng)的運行期間,為獲取更大效益或滿足目標(biāo)要求的變化而投入的資金。通常用以擴大儲能系統(tǒng)的規(guī)模。

(2) 運行層面。置換成本指在儲能系統(tǒng)的運行期間,用以更換儲能系統(tǒng)設(shè)備而支出的資金。通常是電池的置換。運行維護成本指為保證儲能系統(tǒng)在使用年限內(nèi)正常運行而動態(tài)投入的資金,通常由功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System,PCS)決定的固定部分和儲能系統(tǒng)充放電電量決定的可變部分組成。報廢處理成本指壽命期內(nèi)儲能設(shè)備報廢后進行無害化處理以及回收所產(chǎn)生的費用。

其他成本包括缺電懲罰成本和棄電損失成本等。

依據(jù)成本分析,可建立儲能系統(tǒng)的全壽命周期成本LCC指標(biāo)模型。LCC是指儲能系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)的所有費用總和。若儲能系統(tǒng)的壽命為T年(不考慮追加投資),電池組置換n次(即投入n+1次電池組),系統(tǒng)額定容量為Erate,PCS不置換,系統(tǒng)額定功率為Prate,利用費用現(xiàn)值法,折現(xiàn)率為i,初始投資及置換成本:

(7)

式中:CPCS——單位功率PCS成本;

Cbat——單位容量電池成本。

運行維護成本:

(8)

式中:CPO&M——單位功率運維成本;

CEO&M——單位電量運維成本;

W(t)——儲能系統(tǒng)年充放電電量。

報廢處理成本:

(9)

式中:CPscr——單位功率報廢處理成本;

CEscr——單位容量報廢處理成本。

缺電懲罰成本:

(10)

式中:β——缺電懲罰系數(shù);

Elack(t)——年缺電量。

棄電損失成本:

(11)

式中:α——棄電損失系數(shù);

Eloss(t)——年棄電量。

綜上,儲能系統(tǒng)的全壽命周期成本模型:

LCC=Cinv+CO&M+Cscr+Cβ+Cα

(12)

1.2.3 儲能系統(tǒng)效益分析

儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻綜合效益主要有靜態(tài)效益、動態(tài)效益和環(huán)境效益3個方面。

靜態(tài)效益體現(xiàn)在儲能的調(diào)頻作用多為改善常規(guī)機組的運行條件,使其基本保持高效穩(wěn)定運行,不必頻繁啟?；蛟鰷p出力,降低單位煤耗,達到節(jié)能的目的。

動態(tài)效益是由于儲能的快速響應(yīng)和靈活運行從而滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求而產(chǎn)生的,主要體現(xiàn)在減少旋轉(zhuǎn)備用容量、減少區(qū)域控制延遲響應(yīng)所需的備用容量以及因減少常規(guī)機組依賴而導(dǎo)致的間接成本降低等。

常規(guī)調(diào)頻機組運轉(zhuǎn)會排放溫室氣體的,儲能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻可減少常規(guī)機組運轉(zhuǎn),減少燃料的消耗,達到減排的目的,因此具有一定的環(huán)境效益。

1.2.4 儲能參與電力調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟模型

為判斷儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的經(jīng)濟性,全壽命周期內(nèi)儲能效益(NPVRES),容量效益和電量效益必須與資金、運行維護和更新替換成本進行比較,具體如下:

Profit=NPVRES-NPVBESS

(13)

(14)

(15)

式中: Profit——儲能系統(tǒng)凈效益;

NPVBESS——儲能系統(tǒng)凈現(xiàn)值;

T——儲能系統(tǒng)壽命周期;

r——折現(xiàn)率,效益和成本是年值;

Revenue、Cost——年效益和年成本。

通過費用現(xiàn)值法將壽命周期內(nèi)效益和成本折算到第零年,產(chǎn)生現(xiàn)值效益NPVRES和現(xiàn)值成本NPVBESS,兩者相減得到凈效益。

2 基于經(jīng)濟最優(yōu)的容量優(yōu)化配置

容量優(yōu)化配置的目標(biāo)是在附屬服務(wù)市場中獲取最大的凈效益。其根本是最大程度降低儲能成本,而成本的最大驅(qū)動是其容量。因此,最優(yōu)配置的目標(biāo)可等效為尋找滿足技術(shù)要求的最小儲能容量。考慮儲能經(jīng)濟性的容量配置框圖如圖2所示。依據(jù)不同控制策略,得到多種儲能配置方案及對應(yīng)的SOC曲線,依此計算出儲能在全壽命周期內(nèi)的備用效益、電量效益、初始投資成本、更新替換成本、運行維護成本等函數(shù),建立電池儲能在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟模型,結(jié)合該模型確定滿足技術(shù)要求且經(jīng)濟最優(yōu)的儲能配置方案。

儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻應(yīng)用中,年效益Revenue為

Revenue=PCAPACITY+PENERGY+Rs

(16)

式中:PCAPACITY——儲備容量效益;

PENERGY——電量效益(假設(shè));

Rs——向電網(wǎng)售電所獲效益。

售電是儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的附加效益,其每月總能量一般少于0.1Pnh。年成本Cost為

Cost=CBESS+Cr

(17)

式中:CBESS——電池儲能的安裝、運行維護和更新替換成本;

Cr——從電網(wǎng)購電的成本。

最終可得儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟模型:

(18)

此方法可獲得最優(yōu)的電池儲能容量,具體步驟如下:效益的凈現(xiàn)值NPV通過變化范圍中的變量去計算,同時可計算出每一種組合電池儲能容量和電抗器損耗。

圖2中顯示需求容量(Pnh)作為售電功率變量和SOCmax的函數(shù)。例如,當(dāng)售電功率為8%Pn,SOCmax值為0.04Pnh,則需求的電池儲能容量為0.625Pnh。此例子中其他變量是確定值,例如充電功率為3%Pn,SOCmin為0.17Pnh。

售電功率和SOCmax越小,即售出電量較少,需求容量越少。這對電池儲能的成本有益,因為電池容量是成本的主要驅(qū)動。

建立儲能參與電力調(diào)頻應(yīng)用的成本效益模型,確定應(yīng)用與電力一次調(diào)頻的經(jīng)濟變量,年效益和成本可以用公式來表達,具體如下:效益1,調(diào)頻容量補償費用= 容量服務(wù)供應(yīng)量×R1,其中容量服務(wù)供應(yīng)量為提供的儲能一次調(diào)頻儲備,R1為單位容量補償值;效益2,調(diào)頻電量補償費用=實際調(diào)節(jié)電量×R2,其中R2為單位電量補償值;成本項,包括安裝成本、替換成本、建設(shè)成本、PCS成本和購電成本等。

一次調(diào)頻應(yīng)用中經(jīng)濟最優(yōu)的儲能容量配置流程如圖3所示。

3 儲能系統(tǒng)與常規(guī)機組的效能對比

在與常規(guī)機組調(diào)頻效率對比時,選擇可靠的技術(shù)指標(biāo)是保證分析可信度的基礎(chǔ)。若基于仿真模型模擬區(qū)域電網(wǎng)運行工況進行高效性對比,則還需要高精度、貼切實際的電源、電網(wǎng)模型。研究思路流程如圖4所示。

電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的本質(zhì)是電力供需實時平衡。因而,通過以下3個指標(biāo)對儲能系統(tǒng)調(diào)頻效率進行評價。

(1) 貢獻電量Igeneration。貢獻電量指常規(guī)機組或儲能系統(tǒng)從調(diào)頻開始到結(jié)束累計與電網(wǎng)交互電量,用以判斷常規(guī)機組或儲能系統(tǒng)提供功率支撐的持續(xù)性,反映調(diào)頻電源的綜合調(diào)頻特性,其計算方法:

(19)

式中:PG(t)、PG0(t)——調(diào)頻電源t時刻和初始時刻的出力。

若在0～t時段調(diào)頻設(shè)備功率變化與頻率偏差方向相反,則貢獻電量為正,反之為負。

(2) 負荷跟蹤率Itrack。負荷跟蹤率是指調(diào)頻設(shè)備功率與同一時刻負荷功率比值,用以評價調(diào)頻設(shè)備跟蹤負荷變化效果,反映調(diào)頻設(shè)備的動態(tài)調(diào)頻特性:

(20)

式中:PG(t)、PL(t)——t時刻調(diào)頻電源出力和負荷功率。

若t時刻設(shè)備功率與負荷功率同向,則負荷跟蹤率為正,反之為負。

(3) 調(diào)頻綜合偏差I(lǐng)deviation。調(diào)頻綜合偏差用于表示調(diào)頻過程中頻率、聯(lián)絡(luò)線交換功率的偏移程度。偏移程度越大,系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)到所需能量越多,可用調(diào)頻綜合偏差來判定調(diào)頻電源的調(diào)頻效果:

(21)

式中: Δfi——第i區(qū)域的頻率偏差;

ΔPtiei——聯(lián)絡(luò)線功率偏差;

n——區(qū)域電網(wǎng)數(shù)量。

該指標(biāo)僅適用于一次調(diào)頻,二次調(diào)頻中宜用CPS1、CPS2等指標(biāo)進行替換。

綜合以上指標(biāo),提出調(diào)頻高效性對比指標(biāo)I。其由3個指標(biāo)加權(quán)構(gòu)成,計及動態(tài)調(diào)頻特性、綜合調(diào)頻特性及調(diào)頻效果,其計算方法:

(22)

式中:wi——指標(biāo)加權(quán)系數(shù);

C——電源的容量。

4 仿真分析

4.1 階躍負荷擾動

依據(jù)某區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù),若上網(wǎng)機組均滿發(fā),分別在區(qū)域A內(nèi)加入電池儲能系統(tǒng)(2 MW,500 kWh)一次調(diào)頻定單位調(diào)節(jié)功率模型、儲能系統(tǒng)(2 MW,500 kWh)一次調(diào)頻變單位調(diào)節(jié)功率模型、火電再熱Ⅱ型機組模型和水電機組模型,各模型均采用經(jīng)典參數(shù)。在區(qū)域A內(nèi)加入大小為0.01 p.u.的階躍負荷擾動,分別調(diào)節(jié)水、火電機組的容量,使得系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與加入儲能系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差相同,高效性對比指標(biāo)權(quán)系數(shù)w1取0.1,w2取1,w3取1 000。完成仿真后用一次調(diào)頻高效性合成指標(biāo)來衡量各電源的調(diào)頻能力并進行高效性對比,仿真時間為600 s。地區(qū)頻率偏差如圖5所示;負荷跟蹤率指標(biāo)如圖6所示;貢獻電量指標(biāo)如圖7所示;調(diào)頻綜合偏差指標(biāo)如圖8所示;效能對比指標(biāo)如圖9所示。

在負荷擾動初期,水、火電機組存在較大的死區(qū)以及反應(yīng)延時及反調(diào)效應(yīng),而儲能系統(tǒng)卻能迅速動作。在負荷擾動100 s后由儲能系統(tǒng)調(diào)頻的長沙區(qū)域頻率偏差為-0.1 Hz,仍在電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)可接受頻率偏差范圍內(nèi),相反此時由常規(guī)機組進行頻率調(diào)整的區(qū)域頻率偏差已達-0.15 Hz,超出電網(wǎng)頻率偏差安全范圍,而高效性指標(biāo)顯示這一時段儲能系統(tǒng)調(diào)頻比常規(guī)機組高效近100倍;而后隨著常規(guī)機組的起動,儲能系統(tǒng)比常規(guī)機組高效的倍數(shù)略有減小,在區(qū)域頻率穩(wěn)定前儲能系統(tǒng)調(diào)頻比常規(guī)機組高效約為17倍;當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)頻率趨近穩(wěn)定,儲能系統(tǒng)的高效性指標(biāo)又一次提升,達到傳統(tǒng)機組的約20倍,這是因為儲能系統(tǒng)以較大的出力進一步恢復(fù)其他區(qū)域的頻率和維持各區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線交換功率。在調(diào)頻過程中,采用變單位調(diào)節(jié)功率模式的儲能系統(tǒng)調(diào)頻效果最好,特別在負荷擾動初期,能夠迅速調(diào)整至較大功率支撐電網(wǎng)頻率和抑制聯(lián)絡(luò)線交換功率偏移。但受限于儲能系統(tǒng)容量,長時間仿真將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)穩(wěn)定性被破壞,從而喪失儲能系統(tǒng)調(diào)頻的高效性優(yōu)勢。

4.2 連續(xù)負荷擾動

仿真工況階躍負荷擾動相同,采用連續(xù)負荷擾動,高效性對比指標(biāo)權(quán)系數(shù)w1取1,w2取0,w3取1,仿真時間為3 600 s(1 h)。連續(xù)隨機負荷擾動如圖10所示;地區(qū)頻率偏差如圖11所示;貢獻電量指標(biāo)如圖12所示;調(diào)頻綜合偏差指標(biāo)如圖13所示;效能對比指標(biāo)如圖14所示。

在階躍負荷擾動情況下,儲能系統(tǒng)與常規(guī)機組的高效性變化趨同。但在連續(xù)負荷擾動情況下,儲能系統(tǒng)跟蹤負荷變化更快且無死區(qū),故其高效性更好。在儲能系統(tǒng)容量充足的情況下,幾乎比常規(guī)機組高效百倍,而當(dāng)儲能系統(tǒng)容量達到限制,出力急劇減小后,仍比常規(guī)機組高效約16倍。這是因為常規(guī)機組在短時內(nèi)難以趕超儲能系統(tǒng)調(diào)頻所貢獻的電量和所獲取的調(diào)頻效果。在整個調(diào)頻過程中變單位調(diào)節(jié)功率的儲能系統(tǒng)調(diào)頻能力在擾動初期最強,而出于保護儲能系統(tǒng)的設(shè)置,其后期調(diào)頻能力弱于定單位調(diào)節(jié)功率的儲能系統(tǒng),但是仍保留一定調(diào)頻能力。

5 結(jié) 語

選取貢獻電量、負荷跟蹤率和調(diào)頻綜合偏差這3個綜合指標(biāo)進行儲能系統(tǒng)與常規(guī)機組的高效性對比。階躍負荷擾動的工況下,在負荷擾動初期,儲能系統(tǒng)比常規(guī)機組高效近100倍;在頻率穩(wěn)定之前,儲能系統(tǒng)調(diào)頻相對常規(guī)機組的高效倍數(shù)有所減小,約為17倍;在本區(qū)域頻率接近穩(wěn)定時,儲能系統(tǒng)高效性再次小幅度上升至常規(guī)機組的近20倍。連續(xù)負荷擾動的工況下,在容量充足的情況下,儲能系統(tǒng)突出體現(xiàn)了對負荷擾動快速響應(yīng)的特性,幾乎能瞬時地根據(jù)負荷需求改變出力狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示,儲能系統(tǒng)比常規(guī)機組高效100倍,而當(dāng)儲能系統(tǒng)容量達到限制后,仍比常規(guī)機組高效約16倍。