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        基于儲能全壽命周期成本的調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性研究

        2021-12-17 07:46:50
        海峽科學(xué) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)濟(jì)性成本

        王 凱

        (福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司,福建 福州 350108)

        1 概述

        在“雙碳”的時(shí)代背景下,儲能愈發(fā)成為電力系統(tǒng)平衡新能源出力的有效途徑[1-2]。電化學(xué)儲能具有安裝不受地理位置限制、能實(shí)現(xiàn)秒級響應(yīng)、功率可以雙向流動(dòng)等優(yōu)勢,被認(rèn)為是輔助服務(wù)最好的提供者之一[3-4]。近年來,各省陸續(xù)頒布了系列儲能商業(yè)化的利好政策,明確了儲能作為輔助服務(wù)供應(yīng)商的主體地位[5-6]。但儲能在輔助服務(wù)市場中能否得到大規(guī)模應(yīng)用的決定因素還在于其經(jīng)濟(jì)可行性[7]。

        文獻(xiàn)[8]探討了電化學(xué)儲能電站在能量市場套利的經(jīng)濟(jì)效益;文獻(xiàn)[9]綜述了國內(nèi)外電池儲能的運(yùn)營現(xiàn)狀,為未來儲能的規(guī)?;l(fā)展提出建議;文獻(xiàn)[10]討論了儲能輔助風(fēng)機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性,發(fā)掘儲能在新能源市場的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[11]分析了儲能參與調(diào)峰調(diào)頻市場的經(jīng)濟(jì)性,并給出儲能容量的配置建議。上述文獻(xiàn)論述了電池儲能的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景,指出儲能在能量市場、輔助服務(wù)市場和作為輔助調(diào)節(jié)機(jī)組等方面具有良好的效益,但只是針對特定運(yùn)行周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行論述。要全面考慮儲能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性,需計(jì)及儲能全壽命周期的各項(xiàng)成本[12-13]。為此,本文考慮了全壽命周期下的電化學(xué)儲能收益,通過投資回收期等財(cái)務(wù)指標(biāo)來對項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考量。為更直觀地反映各因素對儲能經(jīng)濟(jì)性的影響,本文還設(shè)置了多種情況下的敏感性分析,為今后調(diào)頻儲能項(xiàng)目決策起到一定參考。

        2 儲能全壽命周期成本

        電池儲能項(xiàng)目全生命周期成本由投資建設(shè)成本、更換成本、運(yùn)行維護(hù)成本和回收價(jià)值構(gòu)成,可通過項(xiàng)目周期內(nèi)的年均成本評估電池儲能成本。

        2.1 初始投資成本

        初始投資建設(shè)成本包括土建成本、電池系統(tǒng)安裝成本等?,F(xiàn)將土建成本、電池安裝成本統(tǒng)一折算為綜合建設(shè)成本,則電池儲能的投資建設(shè)成本C1如下所示。

        C1=EC=E(cb+coth)

        (1)

        式中,E為電池儲能額定能量(MWh);C為折算后的電池儲能綜合建設(shè)成本(元/MWh);cb為電池本體成本;coth為儲能電站基建等其余部分成本。

        (2)

        上式表示年均投資建設(shè)成本,其中i為貼現(xiàn)率(%);N為項(xiàng)目周期(年)。

        2.2 運(yùn)行維護(hù)成本

        運(yùn)行維護(hù)成本包括人工成本和設(shè)備檢修成本,本文按初始投資建設(shè)成本的一定比例計(jì)算,則年運(yùn)維成本C2可表示為:

        C2=γC1

        (3)

        式中,C2為儲能年運(yùn)維成本(元/年),γ為運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)(%)。

        2.3 電池更換成本

        電池儲能電站的運(yùn)營周期一般為20年,電池由于容量衰減在項(xiàng)目周期內(nèi)需要進(jìn)行更換,產(chǎn)生更換成本。根據(jù)上文的電池容量衰減模型可以得到電池的等效壽命Tsc,進(jìn)而得到在項(xiàng)目運(yùn)行周期內(nèi)需要更換的次數(shù)kr,則電池儲能在項(xiàng)目周期內(nèi)第ki次的更換成本C3,i如式(4)所示。

        C3,i=Ecb(1-α)kiTsc

        (4)

        式中,ki為電池第ki次更換;α表示電池系統(tǒng)安裝成本年下降比例;Tsc為儲能電池在不同循環(huán)深度下的使用壽命(年)。

        因此,儲能電池的年均更換成本C3_p為:

        (5)

        2.4 回收價(jià)值

        電池壽命終結(jié)后可以回收有用金屬獲得回收價(jià)值。但目前電池的回收技術(shù)復(fù)雜,且成本較高,沒有明確的回收價(jià)值。電池每次更換、項(xiàng)目到期可以產(chǎn)生回收價(jià)值?;厥諆r(jià)值取同年電池更換成本的一定比例計(jì)算,則第i次回收的回收價(jià)值C4,i表示如下:

        C4,i=ρEcb(1-α)kiTsc

        (6)

        式中,C4,i為儲能第i次回收時(shí)的回收價(jià)值(元);ρ為回收系數(shù)(%)。

        因此,項(xiàng)目周期內(nèi)總回收價(jià)值包括更換kr次電池得到的回收價(jià)值以及項(xiàng)目到期后電池的回收價(jià)值,則儲能電池的年均回收價(jià)值為:

        (7)

        3 儲能參與調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性分析

        3.1 儲能參與調(diào)頻收益

        根據(jù)《福建省電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則(試行)》(2019年修訂版),以第三方提供輔助服務(wù)的儲能電站暫時(shí)參照常規(guī)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)參與調(diào)頻市場,采用“容量補(bǔ)償+里程補(bǔ)償”的方式,則儲能電站調(diào)頻收益為:

        WF=WC+WM

        (8)

        式中,WF為調(diào)頻補(bǔ)償收入;WC為容量補(bǔ)償收入;WM為里程補(bǔ)償收入。

        (1)容量補(bǔ)償

        容量補(bǔ)償根據(jù)儲能調(diào)頻容量定額補(bǔ)償,計(jì)算方式為:

        WC=PAGC·CC

        (9)

        式中:PAGC為儲能自動(dòng)發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)可調(diào)節(jié)容量,取儲能可投入AGC運(yùn)行的調(diào)節(jié)容量上、下限之差(MW);Cc為調(diào)頻容量補(bǔ)償價(jià)格(元/MW·月)。

        下發(fā)給儲能裝置AGC指令的調(diào)節(jié)速率應(yīng)為該時(shí)段電網(wǎng)所需的升、降功率速率,儲能AGC指令調(diào)節(jié)的上下限為儲能的額定充放電功率。在本文算例分析中取可獲得最高省市調(diào)度管轄范圍內(nèi)每月960元/MW作為儲能調(diào)頻容量補(bǔ)償價(jià)格。

        (2)里程補(bǔ)償

        里程補(bǔ)償按照儲能實(shí)際調(diào)用里程以市場化競價(jià)方式補(bǔ)償,其計(jì)算方式為單位計(jì)費(fèi)周期內(nèi)調(diào)頻市場出清價(jià)格、調(diào)頻里程以及調(diào)頻性能綜合指標(biāo)的乘積。

        WM=M1·MF·K·CF

        (10)

        式中,M1為調(diào)頻市場服務(wù)費(fèi)總盤子調(diào)節(jié)系數(shù);MF為調(diào)頻里程;K為調(diào)頻性能綜合指標(biāo);CF為市場出清價(jià)格。

        按照規(guī)定,調(diào)頻市場服務(wù)費(fèi)總盤子調(diào)節(jié)系數(shù)M的取值范圍為0~2,參考當(dāng)前各省調(diào)頻市場,目前我國市場屬于初期運(yùn)行階段,M暫取1。調(diào)頻綜合指標(biāo)K與調(diào)節(jié)速率K1、響應(yīng)時(shí)間K2、調(diào)節(jié)精度K3有關(guān),儲能的調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度與傳統(tǒng)機(jī)組相比優(yōu)勢明顯,響應(yīng)時(shí)間暫不考慮與通信傳輸滯后、控制系統(tǒng)延遲有關(guān),響應(yīng)速度快。調(diào)頻綜合指標(biāo)K計(jì)算公式為:

        (11)

        式中,K1、K2、K3分別是儲能調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間指標(biāo);K1max、K2max、K3max是所有機(jī)組中調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)的最大值;B1、B2、B3分別為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重;A為綜合性能指標(biāo)調(diào)節(jié)系數(shù)。模擬運(yùn)行期間A暫取3,B1、B2、B3各為1。

        由于在額定功率范圍內(nèi),成熟的儲能系統(tǒng)可在極短時(shí)間內(nèi),以99%以上的精度完成指定功率的輸出,調(diào)節(jié)偏差以及延遲等問題將不再出現(xiàn),故K1、K2、K3均取其最大值,即K為最大值1。

        WM,d=∑kfmPCF

        (12)

        上式表示儲能里程補(bǔ)償日收益,其中kf為每調(diào)度周期(15 min)平均調(diào)用次數(shù);m為儲能每次調(diào)用的平均調(diào)頻里程系數(shù);P為儲能額定功率,CF為儲能調(diào)頻里程價(jià)格。

        3.2 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)

        (1)內(nèi)部投資回報(bào)收益率

        內(nèi)部投資回報(bào)收益率(IRR)是判別項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上可行的主要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)之一[14],等于項(xiàng)目運(yùn)營期中凈現(xiàn)值為0時(shí)的折現(xiàn)率。

        (13)

        式(13)中,N為項(xiàng)目運(yùn)行周期(年);CIN與COUT分別為現(xiàn)金流入與流出量(萬元);(CIN-COUT)t為第t年項(xiàng)目凈現(xiàn)金流量(萬元)。

        (2)動(dòng)態(tài)回收周期

        動(dòng)態(tài)回收周期可以衡量成本回收速度,是判別項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行性的指標(biāo)之一,計(jì)算公式如下:

        (14)

        式中,i為貼現(xiàn)率;TP為需要計(jì)算的動(dòng)態(tài)投資回收期(年)。

        4 算例分析

        4.1 參數(shù)設(shè)置

        本文主要依據(jù)前期已開展的儲能工程可行性研究設(shè)計(jì)成果,并參考現(xiàn)有市場價(jià)格以及鋰電池儲能全生命周期成本模型的參數(shù),儲能電站的單位容量綜合投資建設(shè)成本取2300元/kW·h,其中儲能電池本體取1200元/kW·h,其他成本取1100元/kW·h(包括PCS成本、BMS成本以及其他基建成本);儲能規(guī)模150MW/300MW·h;年運(yùn)維及損耗成本按初期投資建設(shè)成本的1%計(jì)算;儲能的充電效率取93.5%,放電效率取94.3%;電池系統(tǒng)更換成本年下降比例取5%;回收系數(shù)為5%;每年運(yùn)行290天;貼現(xiàn)率6%。

        根據(jù)某省儲能調(diào)頻調(diào)用情況,平均等效為每5分鐘調(diào)用一次,每次調(diào)用比例m為0.7,取kf為3,根據(jù)某省調(diào)頻市場的出清結(jié)果,取調(diào)頻市場的出清價(jià)格為12元/MW。調(diào)頻模式下每次調(diào)用等效循環(huán)深度較低,通常不足1%,由于儲能在淺充淺放模式下壽命較長,根據(jù)文獻(xiàn)[15],儲能在1%循環(huán)深度下的充放電次數(shù)可滿足項(xiàng)目運(yùn)營期內(nèi)的要求,由此可認(rèn)為在項(xiàng)目周期內(nèi)儲能本體無需更換,則儲能調(diào)頻收益分析參數(shù)選擇如表1所示。

        表1 儲能調(diào)頻收益分析計(jì)算參數(shù)

        4.2 結(jié)果分析

        經(jīng)計(jì)算得到儲能電站成本與收益結(jié)果,如表2所示(動(dòng)態(tài)投資回報(bào)年限和項(xiàng)目內(nèi)部收益率)。

        表2 儲能調(diào)頻年收益情況

        由表2可見,當(dāng)儲能每調(diào)度周期內(nèi)平均調(diào)用3次,每次調(diào)用里程系數(shù)為0.7時(shí),項(xiàng)目投資收益率為13.61%,投資回收期為9年,具有較好的投資經(jīng)濟(jì)性。

        5 儲能調(diào)頻收益敏感性分析

        儲能調(diào)頻收益主要受到調(diào)度周期內(nèi)平均調(diào)用次數(shù)、單次調(diào)用平均里程、儲能綜合建設(shè)成本、里程出清價(jià)格的影響,下面對各個(gè)調(diào)頻收益敏感因素進(jìn)行分析。

        5.1 平均調(diào)用次數(shù)、平均里程

        若調(diào)度周期內(nèi)平均調(diào)用次數(shù)、單次調(diào)用的平均里程不同,儲能調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性將受到影響。假設(shè)儲能調(diào)頻算例其余參數(shù)不變,改變平均調(diào)用次數(shù)kf、單次調(diào)用里程系數(shù)m,則平均調(diào)用次數(shù)、平均里程對調(diào)頻收益敏感性如表3所示。

        表3 考慮平均調(diào)用次數(shù)、平均里程變化的內(nèi)部投資回報(bào)率

        由表3可見,每調(diào)度周期平均調(diào)用次數(shù)、單次調(diào)用里程不同時(shí),儲能調(diào)頻收益情況有較大波動(dòng)。平均調(diào)用次數(shù)相同時(shí),單次調(diào)頻里程越大收益率越高。單次調(diào)頻里程較低時(shí),需合理制定調(diào)用次數(shù),保證調(diào)頻盈利;當(dāng)單次調(diào)頻里程較高時(shí),平均調(diào)用次數(shù)越大,收益率越高。

        5.2 單位容量綜合投資建設(shè)成本、里程出清價(jià)格

        儲能單位容量綜合投資建設(shè)成本與里程出清價(jià)格也會對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。假設(shè)儲能調(diào)頻算例其余參數(shù)不變,電池本體成本取綜合建設(shè)成本的固定比例,不同綜合建設(shè)成本與里程出清價(jià)格下的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性如圖1所示。

        圖1 投資回報(bào)率對單位容量綜合投資建設(shè)成本和調(diào)頻里程補(bǔ)償?shù)拿舾行苑治?/p>

        由圖1可看出,單位容量綜合投資建設(shè)成本越低、里程出清價(jià)格越高,儲能收益率越高。當(dāng)儲能綜合建設(shè)成本較高時(shí),調(diào)頻里程價(jià)格若制定得過低則項(xiàng)目不具有經(jīng)濟(jì)可行性。隨著儲能成本的下降,可回收成本的里程價(jià)格也相應(yīng)降低,當(dāng)綜合建設(shè)成本為2200元/kW·h時(shí),里程出清價(jià)格取7元/MW即可維持基本收益率。

        6 結(jié)論

        考慮全壽命周期成本可以合理評估儲能參與調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性,當(dāng)每個(gè)調(diào)度周期等效調(diào)用次數(shù)為2次,且每次調(diào)用里程系數(shù)為0.7時(shí),項(xiàng)目投資收益率為7.34%,投資開始具有經(jīng)濟(jì)性。儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的獲利空間對自身充放電策略、電池本體價(jià)格和市場補(bǔ)償價(jià)格較為敏感。在未來電池成本下降、儲能參與輔助服務(wù)的政策更加完備時(shí),儲能參與調(diào)頻的商業(yè)價(jià)值將更加凸顯。

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