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电力需求侧大规模储能系统经济性评估


2013 年 9 月 第 28 卷第 9 期

电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.28 Sep.

No. 9 2013

电力需求侧大规模储能系统经济性评估
熊 雄
1

杨仁刚

1




北京

1

李建林
北京

2

( 1. 中国农业大学信息与电气工程学院 2. 中国电力科学研究院 摘要

100083

100192)

储能技术的快速充放特性是实施电力需求侧管理,控制负荷变动的一种有效手段。针

对其经济效益评估,建立了考虑电池充放电深度及寿命的储能电站初始投资、运行维护成本计算 模型;建立了包括发电侧、电网侧、用户侧以及政府补贴的储能电站收益计算模型,针对所建模 型给出了计算流程。最后通过实际算例的经济性评估表明在一定条件下:储能电站将达到预期的 经济效益。 关键词: 电力需求侧 中图分类号: TM712 储能电站 削峰填谷 成本效益 经济性评估

Economic Evaluation of Large-Scale Energy Storage Allocation in Power Demand Side
Xiong Xiong 1 Yang Rengang 1 Ye Lin 1 Li Jianlin 2 ( 1. China Agricalture University Beijing 100083 China 2. China Electric Power Research institute Beijing 100192 China) Abstract Rapid charge and discharge characteristics of the energy storage technology are an

effective means for the implementation of demand side management and load variations control. For economic evaluation, establish energy storage power station initial investment 、 operation and maintenance cost calculation models considering the battery charge and discharge depth and life are establisbed. Energy storage revenue calculation models including the generation side, grid side, user side, as well as government subsidies are also established , and then the calculation process is given. Finally, the economic assessments of the practical examples show that under certain conditions, the economic benefits of energy storage power station are expected to reach economic benefits. Keywords: Power demand side, energy storage power station, load shift, cost effective, economic evaluation 潮流断面过载,降低系统稳定性。随着电力工业市 场改革的逐步深入,电力需求侧管理作为一种有效
?

1

引言
在电力系统中, 负荷大小随着人们起居作息特

的负荷管理手段备受重视 [1,2] ,财政部、国家发改委 下达了关于开展电力需求侧管理相关的奖励暂行办 法以推广削峰填谷技术。 储能技术因其灵活的电功率吞吐特性,目前广 泛应用在平滑可再生能源输出、 削峰填谷等领域 [3,4] , 较传统的一些削峰填谷手段除了快速响应特性外, 更具有经济效益的潜质。目前,关于储能系统在

点呈现出相应的峰谷规律,随着电力系统负荷数量 以及种类的增加,加剧了负荷的峰谷化。负荷峰谷 差的加剧使得常规机组处于频繁开启的不利状态, 降低了经济性;另外,随机的峰荷可能会导致部分

国家技术研究发展计划( 863 计划)( 2011AA05A113 )和国家电网 项目( DG71-12-003 )资助。 收稿日期 2012-09-01 改稿日期 2013-01-09

削峰填谷领域的研究大多集中在容量配比计算和控 制策略上,对于考虑储能成本的经济效益评估相关

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研究较少。文献 [5-8]从规模储能装置的性能指标和 运行经济指标出发,给出了储能装置的广义经济效 益指数,并未考虑特定领域中的经济收益指标;文 献 [9-11]针对储能系统应用于削峰填谷领域, 着重讨 论分析了峰谷实时电价与峰谷实时优化。 本文将在一定容量储能系统配置前提下,从技 术经济学角度考虑储能系统包括电池充放电深度和 充放电次数在内的成本计算指标和因削峰填谷带来 的包括峰谷电价差、优化常规机组运行、降低线损 和延缓电网升级带来的经济效益指标,并建立了综 合评价模型,给出了经济效益分析的计算流程。

式中, Mi.R 为电池以深度 R 下第 i 循环充放电时对 应的寿命损耗,由于每一次充放电深度均不一样, 为了计算频繁充放电下每次充放电时的寿命损耗, 定义储能电池的等效充放电系数为

??

Ni N0

( 5)

式中, Ni 为第 i 次充放电时折算到满充满放下的最 大循环次数;N0 为电池满充满放下的最大循环次数, 其含义为当储能电池以某一充放电深度充放电一次 时,等效为储能电池在满充满放下的充放电次数, 取值范围 0 ~ 1 ;则 Mi 可表示为
Mi ?

2

电池储能电站成本计算模型
典型储能系统通常包括存储电量的蓄电池组和

?
N0

( 6)

进 行 功 率 转 换 的 功 率 转 换 系 统 ( Power Convert System, PCS) ,通常两者的寿命不一致,为方便计 算将认为两者寿命一致。 PCS 功率成本后文统一用 储能电站功率成本代替。 2.1 储能系统全寿命周期成本计算模型 全寿命周期成本 WTol 见式( 1) , WE 、 WP 分别 为储能电站的能量与功率成本,其通常由初始投资 (站址的建设成本)及运行维护成本组成
[12]

充放电深度 R 下,电池循环次数可由式( 7 ) 量化。
N a ? ?1 ? ? 2 e ?? 3 R ? ? 4 e ?? 5 R

( 7)

式中,? ?1、?2、?3、?4、?5 为一组常数,对电池寿 命测试数据进行回归模拟获得。

,初始

投资成本直接关联容量大小,运行维护成本则可用 初始投资的百分比估算,见式( 2 )和式( 3 ) 。
WTol ? WE ? WP
WE ? (1 ? x%)me E (1 ? r )T r (1 ? r )T ? 1

3

电池储能电站经济效益计算数学模型
运用储能技术进行削风填谷,即降低负荷峰谷

( 1) ( 2)

差,优化负荷曲线,从而可以有效减少高峰备用机 容量,提高发电机组运行效率和降低发电成本,有 效减缓电网的升级改造,可分解为发电侧、电网侧 和用电侧 [13-15] 。 3.1 电网侧经济效益计算数学模型 用电需求侧接入储能系统后,电网侧经济效益 可归纳为可免固定容量成本,指电网侧减少的电网 投资费用,可根据少建或缓建的变电站、变压器、 输电线路及其配套设备等平均造价确定,即
B1 ?

WP ? (1 ? y %)mp P

(1 ? r )T r (1 ? r )T ? 1

( 3)

式中, x%、 y%分别为储能能量与功率的运行维护 成本与初始投资的比值;m e、mp 分别为单位储能电 量与功率的成本;E、P 分别为储能电站的额定电量 与功率;r 为贴现率;T 为储能电站全寿命周期,电 池的寿命对储能的成本经济效益起着关键作用,将 详细建立寿命计算模型。 2.2 储能电池寿命计算模型 储能电池寿命 L 计算式为
L? 1
N0

? B1i ? ? K i ?Qi Afi
i ?1 i ?1

T

T

( 8)

式中,B1 为接入储能系统后因减少或减缓电网建设 的经济效益; B1i 为第 i 年的经济效益; T 为储能电 站的运行时间,由电池循环寿命次数折算成年限; ?Q i 为第 i 年通过储能系统进行削峰填谷的电量; ( 4) Afi 为 电 网 侧 第 i 年 的 单 位 可 免 容 量 成 本 ; Ki=1/(1+r) i 为第 i 年的限值系数,r 为年利率。以及 区域电网减少的线损,可由碳源的消耗与碳排放进

? M i. R
i ?0

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行折算,即
B2 ?

于是储能电站接入发电需求侧后平均每年经济

? Ki (mc1 ? C1i ? mc2 ? C2i )
i ?1

T

效益计算公式(成本效益差)可表示为 ( 9)
Z av ?

? Bi
i ?1

5

式中, B2 为减少的线损折算的经济效益; C1i 、 C2i 分别为第 i 年减少的碳源与碳排放总量; m c1 、 m c2 分别为单位标准碳成本与单位碳排放治理成本。 3.2 发电侧经济效益计算数学模型 发电侧在负荷侧接入储能系统后的经济效益包 括可免固定容量成分和可免变动电量成本,其中可 免固定容量成分同样可根据少建或缓建的调峰机组 及其配套设备的平均造价确定;可免变动电量成本 则包括发电机减少的燃料费用和碳排放造成的环境 污染费用以及机组不正常启停的惩罚成本,计算公 式为
B3 ?

T

? WTol

( 13 )

4

储能电站计算流程

储能系统经济效益评价的原理是针对储能定量 进行削峰填谷 ?Qi ? ?Qi ? Q ? 时,在确保储能电站寿 命期内每一年的总体经济效益大于零的情况下,得 到其在寿命期内的经济效益评价结果。其计算流程 如图 1 所示。

?
i ?1

T

B3i ?

? Ki ? ?Qi ( Af?i ? Av? i )
i ?1

T

( 10 )

发电侧的总经济效益; 式中, B3 为储能系统接入后, ? i 分别为发 B3i 为发电侧第 i 年的经济效益; Af?i 、 Av 电公司第 i 年的单位可免容量成本和单位可免电量 成本。 3.3 用电侧经济效益计算数学模型 用电侧可体现为在实行峰谷电价差基础上由于 高峰负荷的转移,用户少支出的用电费用,可表 示为
B4 ?

?
i ?1

T

B4i ?

? K i ? ?Qi ? ( ? fi ? ? gi )
i ?1

T

( 11 )

式中, ??f i 、 ? gi 为第 i 年实施的峰、谷分时电价。 3.4 考虑政策奖励的储能电站经济效益计算数学 模型 近期财政部、国家发改委关于印发的《电力需 求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理 暂行办法》通知中明确指出对通过实施能效电厂和 削峰填谷技术等实现永久性节约电力负荷和转移高 峰电力负荷,东部地区每千瓦奖励 440 元,中西部 地区每千瓦奖励 550 元。可表示为
B5 ?
Fig.1 图1 储能系统削峰填谷经济评价计算流程

Energy storage system economic evaluation process

( 1) 忽略每年负荷微增量对电池储能寿命的影 响,寿命计算以第一年负荷用电量为准计算。负荷 微增量对储能成本影响体现在 x%、 y%的变化。 ( 2 )通过仿真计算电池每天等效循环次数(满 充满放) ,折算至储能电站寿命 T,进而计算储能电 站全寿命周期内每年成本值 Wi 和三方经济效益 Z i, 并认为其成本将由网侧、发电侧以及用户侧共同

? ki Pfi mf
i ?1

T

( 12 )

承担。 ( 3) 根据技术经济学中相关规定的一般工程在 第八年收回成本,即第八年时的累积效益大于总成 本,因此每年的成本收益差应为

式中, Pf i 为第 i 年因储能接入减少的峰荷; mf 为减 少单位峰荷而奖励的现金。

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Z av ? WTol≥

? WTol ? ? WTol 。
8

( 4 )在 Z i ? Wi<

?WTol 的 情况 下,修 改该 年
8

10

即增大峰荷转移比, 度移峰量 ?Qi 为 ?Qi ? ?Qi ? Q ? , 循环计算 Z i 。按照财键 [2012]368 号文件提出的试 点区域力争节约和转移电力负荷的 6% 要求,可将
?Qi 初始值置为 ?Qi ? 0.06Qi , Qi 为该地区一年负荷

用电总量。 ( 5 )年用电负荷总量 Qi ? Q1 ? (i ? 1) ? ?l , Q1 为 第一年负荷用电量, ?l 为每年负荷用电微增量。 应用上述原理对某区域电网进行分析,该区域 电网电池储能电站设计规模为 10MW ×4h,一期建 设 规 模 为 5MW × 4h , 第 一 年 负 荷 总 用 电 量 为 360MW·h。通过对实际数据进行测算可得到其他所 需原始数据。 4.1 储能系统成本计算 选取该地区一典型日负荷曲线如图 2 所示,以 及 电 池 储 能 系 统 移 峰 量 为 0.06Q1 时 的 负 荷 曲 线 如 图 3 所示,电池储能 系 统一天内 SOC 变化曲 线 如 图 4 所示。
图4 电池储能系统 24 小时内 SOC 变化曲线 SOC curve of battery energy storage system with 24 hours Fig.4

电池 SOC 上升阶段表明充电, 下降阶段表示处 于放电过程,由仿真曲线可知电池每天深放电深度 不大于 40%,该类型电池循环次数与电池充放电深 度关联如图 5 所示。

图5 Fig.5

某型电池循环次数与充放电深度关联曲线 number and charge depth

Correlation curve between some types battery cycle

图2 Fig.2

某区域电网一典型日负荷曲线

一天内不同时间尺度下对应的不同充放电深度 根据式( 4 )~式( 6 )计算得到此类型电池总循环 次数约为 4 000 次,每天等效循环次数为 1.1 次,因 此在 0.06Q 1 的移峰量下折算电池储能电站的寿命约 10 年。 取 m e =3 元 /Wh 、m p=4 元 /(W·h),根据式( 1 )~ 式( 3)计算得电池储能初始投资成本为 1.97×10 6 元,平均归算到全寿命周期内的每年平摊费用为 1.97×10 5 元。 取第一年的 x%= y%= 2%,电池储能系统第一

A typical daily load curve of regional power grid

图3 Fig.3

削峰填谷后的负荷曲线 Load curve after load shift

年总成本计算结果见下表。

228 表 Tab. 电池储能系统第一年总成本

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First year total cost of the battery storage system
成 本 值 360 22 0.06 20 5 4.59×10 5

负荷年用电量 /(MW·h) 峰荷年转移量 /(MW·h) 转移量 / 总量 储能容量 /(MW·h) 储能功率 /MW 第一年总成本 / 元

同理随着每年负荷的微增以及储能系统额定容 量与功率的增长,计算得电池储能系统在全寿命周 期内每年的成本如图 6 所示。
Fig.7 图7 每年成本效益差及峰荷转移比 transfer of every year

Cost effectiveness difference and peak load

对应的峰荷转移比随着负荷的微增略有增加, 到第 5 年时出现激增,这是由于考虑到储能电站二 期工程完工并投入运行,使得储能成本在这年发生 突增,因此需要更多峰荷的转移量来产生对应的效 益。但是过多的峰荷转移将导致峰谷倒置,降低储 能电站的经济效益,以第 1 年为例,成本效益差随
图6 Fig.6 储能系统全寿命周期内每年成本 cycle cost of every year

峰荷转移比变化曲线如图 8 所示。

Energy storage system within the whole life

由图 6 可算得保证工程至少在 8 年收回成本的 全寿命周期内每年至少获得的经济效益
Zi ?

?WTol ? Wi 和 每 年 获 得 该 效 益 下 的 转 移 峰 荷
8

量。其中 4.2

?WTol 根据结果计算为 6×10
8

5

元。
图8 Fig.8 成本效益差随峰荷转移比变化曲线 load transfer Cost effectiveness difference curve with the peak

储能系统总体经济效益评价结果 为保证在每年负荷微增下,因削峰填谷每年产

? WTol ? ? WTol , 调 节 Δ Q /Q 生的成本效益差 >
8 10
i

峰荷转移比在 [0, 0.2]区间成本效益差有明显的
i

增势, 移峰效益为正, 定义 0.2 为最优点; 在 [0.2, 0.4] 区间随着峰荷转移比达到一定程度,将出现峰谷倒 置,移峰效益为负,但由于增长惯性,成本效益差 缓慢增加,经济效益叠加到最大值,定义 0.4 为临 界点; 在 [0.4, 1]区间成本效益差将迅速下降。 因此, 为保证经济效益为正, 转移峰荷比不应超过临界点。 现规定每年转移峰荷比为 0.4 , 则图 7 中每年成 本效益差如图 9 所示。

比例,计算结果如图 7 所示。 计算结果表明储能电站在全寿命周期内每年成

?WTol ? ?WTol , 本效益差均大于 即能够实现工程
8 10

至少第 8 年内收回总成本。

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Energy storage power station within the whole life

每年成本效益差均大于 8×10 5 元,而储能电站 按 6 年收回成本计算的每年成本效益差至少为 8 × 105 元,因此储能电站最快可在全寿命周期内的前 6 年收回投资成本。

5

结论
针对电池储能系统参与电力需求侧削峰填谷方

案建立了详细的电池储能电站成本与考虑发电侧、 电网侧和负荷侧的三方经济收益评价模型,通过实 际算例的计算得到了工程经济性评价结果,通过峰 荷转移比的调节使得评价结果达到预期的经济效益, 但结果表明峰荷转移比增大到峰谷倒置时,随着峰 荷转移比的进一步增加,经济效益将迅速下降。总 结影响规模储能电站应用于发电需求侧经济效益主 要因素有: ( 1 )当转移峰荷比在零到最优点区间时,储能 电站经济效益呈正的持续累积;在最优点到临界点 区间时,由于峰谷倒置,储能电站经济效益为负, 但由于惯性,经济效益总体上仍有缓慢增长;大于 临界点后,经济效益将大幅度下降。 ( 2 )峰谷差价在 0.8 元 /( kW·h)及以上时, 兆瓦级储能电站可实现较好经济效益。 ( 3 )在一定条件下,储能电站最快可在全寿命 周期内的前 6 年收回投资成本。 参考文献
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作者简介 熊 雄 男, 1988 年生,硕士,工程师,主要研究方向为电力系

统运行与控制。 杨仁刚 男,1952 年生,教授,博士生导师,主要研究方向为电力

系统自动化,电力节能技术和电力电子技术。


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