配電網中儲能參與多場景的多維經濟性評估

李翠萍，閆佳琪，孫大朋，孫哲彬，梁濤，席向東，薩仁高娃，張前，朱星旭，李軍徽*

（1．現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學），吉林省 吉林市 132012；2．內蒙古電力經濟技術研究院，內蒙古自治區 呼和浩特市 010010）

0 引言

在目前碳達峰、碳中和的能源轉型大背景下，新能源發電系統接入配電網的比例逐步增大。新能源發電出力具有隨機性、間歇性等特點，其出力與配電網負荷需求在時間上的不匹配，會造成負荷峰谷差增大、配網消納新能源能力不足等問題[1-2]，給配電網的安全穩定運行帶來重大挑戰。儲能系統具有“低儲高發”的特性，目前利用儲能技術進行削峰填谷或是提高新能源消納能力已經基本被業界認可?，F階段儲能的相關成本仍較高，以至于如何配置儲能[3-5]、如何對其進行經濟性評估分析[6-9]是儲能參與削峰填谷或提高新能源消納能力的至關重要的一環。

現階段，全球學者對于儲能的容量優化配置及經濟性評估分析已經做了較多研究。文獻[10]對于梯次利用電池儲能參與削峰填谷的經濟性問題，建立了基于電池投資回報率和回收期的儲能電池經濟性評估模型，分析了不同回收成本下，梯次利用電池儲能的容量配置。文獻[11]首先以發電企業凈收益最大為目標建立了儲能容量優化模型，其次結合電池的循環壽命建立了電池損耗成本函數，考慮售電收益以及考核費用，利用粒子群算法求解凈收益最大時的儲能容量配置。文獻[12]首先建立了儲能全壽命周期的成本模型，其次建立了考慮降低線路網損收益、峰谷差套利收益以及政府補貼等方面的收益模型，最終通過算例分析各要素對儲能經濟性的影響。文獻[13]基于提高儲能系統全壽命周期經濟性的控制策略，利用動態規劃方法實現了系統年優化控制，并分析了不同電價方案、儲能系統的容量及儲能系統單位容量成本對系統全壽命周期經濟性的影響。文獻[14]對于儲氫的容量配置經濟性及風電并網質量二者不可兼得的問題，建立了風力發電氫儲能容量配置雙層規劃模型，利用改進的遺傳算法對其進行求解，驗證了所提方案的優越性。然而，上述文獻很少從多個場景的角度對儲能經濟性進行評估分析。

本文綜合考慮儲能系統參與削峰填谷、提高新能源消納能力兩個基本應用場景，建立了儲能系統經濟性評估總模型。結合蒙西某電網全年的負荷數據仿真分析了不同電價差下，收益達到最大時的儲能最優功率及容量配置。同時也分析了政府補貼在儲能收益中所占比重，考慮如若政府補貼退出市場，會對儲能經濟性造成的影響。

1 劃分場景及確定儲能類型

1.1 場景的劃分

新能源的發電出力具有隨機性、間歇性等特點，新能源發電高比例接入配電網后，會給配電網造成諸多不良影響。其中間歇性的新能源與負荷疊加后的負荷峰谷差增大；另外光伏系統白天出力過剩而輕負荷，夜間光伏出力為零而重負荷，即光伏系統的出力特性與配電網負荷需求在時間上的不匹配，會導致配電網消納新能源的比例較低，功率向主網倒送，從而引發棄光，限制配電網對新能源的消納能力。

儲能因其能夠實現“平移能量”，已經成為了解決配電網當前面臨問題的有效手段。利用儲能的“低儲高發”特性，可以有效地削減負荷的峰谷差、提高配網對新能源的消納能力。

針對上述新能源發電系統接入配網所帶來的兩個典型問題，考慮配置儲能來有效解決。本文基于此劃分了兩個應用場景進行分析，場景一為儲能參與削峰填谷，場景二為儲能參與提高新能源消納能力。在劃分場景的基礎上，考慮到目前的儲能成本仍較高，因而在分析儲能經濟性之前應先確定所研究的儲能類型。

1.2 儲能類型的確定

儲能按照技術類型[15]可分為：機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、熱儲能以及化學類儲能5類。其中機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能主要包括超級電容器和超導電磁儲能；電化學儲能包括鋰離子電池[16]、鉛蓄電池[17]、鈉硫電池、液流電池等；化學類儲能主要包括氫能和合成燃料。

其中電化學儲能具備高可控性、快速響應、高模塊程度的優勢，能量密度大、轉換效率高、建設周期短且安裝方便，使用范圍廣，具有極高的推廣價值。

與此同時，儲能技術發展情況各不相同，相應的技術經濟性指標也存在明顯差異，影響著儲能的經濟性。典型儲能技術的經濟性指標如表1所示。

表1 典型儲能技術經濟性指標Table 1 Economic index of typical energy storage technology

根據上述電化學儲能的相關優勢，又由表1可知，電化學儲能的總體經濟性指標要優于其他儲能類型的經濟性指標，且目前電化學儲能應用廣泛，落地的大規模工程也很多，故本文研究對象以電化學儲能為主。

就目前電化學儲能的技術發展水平來看，要實現其在電力系統中的大規模應用，期望的儲能效率應大于95%，充放電循環壽命應超過10 000次，儲能系統規?？蛇_到10 MWh以上，并且應具有較高的安全性。在上述基準下，目前各類儲能電池技術現狀如圖1所示。

從圖1中對比效果來看，儲能電池技術各有短板，距期望值均有一定差距。就安全性的角度考慮，由于鈉硫電池的安全性較其他三種電池的安全性低，故本文初步選擇以磷酸鐵鋰電池、全釩液流電池以及鉛碳電池為研究對象進行經濟性分析。

2 儲能系統經濟性分析方法

2.1 儲能系統經濟收益構成

本文考慮的儲能系統的經濟收益[19-20]構成主要包括套利收益、環境效益以及政府補貼三個部分。下面進行具體闡述。

2.1.1 套利收益

價格機制成為發展儲能的關鍵。其中峰谷電價機制，即對高峰時段、低谷時段及平時段分別設置不同的價格。利用電化學儲能的“低儲高發”進行峰谷電價差套利，是儲能經濟收益的重要組成部分。

式中：Sincome為儲能系統的套利收益；Pi-和Pi+為第i小時段電池充放電功率，在同一時間內電池儲能系統只會保持充電或放電單一狀態；PC為充電起始值；PD為放電起始值；Ri為第i小時段分時電價。

2.1.2 環境效益

目前，中國大多數電網調峰只能依靠傳統的燃煤發電機組來承擔，進而增大了單位煤耗。促進光伏等清潔能源的并網消納可減小火電機組的上網電量，有效降低硝硫等污染氣體的排放量。同樣的，儲能系統的投運也會減少污染物的排放，并帶來一定的環境收益。運用儲能裝置進行削峰填谷，則可以代替火電機組完成部分調峰[21]任務，進而間接減少并優化火電機組的頻繁增減出力，使儲能裝置能夠基本上穩定在高效率范圍運行，其數學模型為

式中：Senvironment為儲能系統的環境收益；αpv為光伏并網消納產生的環境收益系數；αSOC為儲能系統運行產生的環境收益系數；為t時段的光伏消納功率；Pd,t為t時段儲能系統的放電功率；ηd為儲能系統的放電效率。

2.1.3 政府補貼

財政部、國家發展和改革委員會關于印發的《電力需求側管理城市綜合試點工作中央財政獎勵資金管理暫行辦法》中明確指出：對通過實施能效電廠和削峰填谷技術等實現永久性節約電力負荷和轉移高峰電力負荷，東部地區每千瓦時補貼0.44元，中西部地區每千瓦時補貼0.55元。故

式中：Sallowance為儲能系統的政府補貼收益；n3、n4為儲能系統放電起始、終止時間；mf為減少單位峰荷而補貼的現金。

2.2 儲能系統全壽命周期成本構成

儲能系統的全壽命周期成本[22]包括投資建設成本和年運行維護成本[23]。投資建設成本包括功率成本和容量成本；年運行維護成本即儲能系統在運行一年中需要花費的維護費用。

2.2.1 投資建設成本

儲能系統的投資建設成本主要包括容量成本和功率成本?？杀硎緸?/p>

式中：Cep為儲能系統單位功率成本；Cee為儲能系統單位容量成本；PESS為儲能系統額定功率；EESS為儲能系統額定容量。

2.2.2 年運行維護成本

儲能系統的年運行維護成本主要由其規模確定，可表示為

式中：Cwp為儲能系統年運行單位功率成本；Cwe為儲能系統年運行單位容量成本。

2.2.3 全壽命周期成本

根據儲能系統的使用壽命和貼現率，將其投資建設成本及年運行維護成本在全壽命周期內進行成本分攤，得到儲能系統的費用年值。

式中：r為貼現率；L為儲能系統使用壽命年限。

2.3 儲能系統經濟性評估總模型

綜合式 （1）—式 （6）建立儲能系統收益模型和成本模型，可得到儲能系統經濟性評估總模型：

綜上所述，本文的儲能系統經濟性評估總模型構建完畢，整個評估方法的流程圖如圖2所示。

3 算例分析

3.1 算例條件

算例采用蒙西某區域電網一年的負荷數據，基于儲能系統參與削峰填谷以及儲能系統提高新能源消納能力的兩種基本應用場景，結合所建立的儲能系統經濟性評估總模型，運行參數如儲能電池相關參數、收益計算相關參數和所設置的峰谷電價差等，如表2—表4所示。在兩種不同的應用場景下，繼續劃分不同的情況，分別對儲能系統參與削峰填谷、儲能系統提高新能源消納能力的經濟性進行分析。

表2 儲能電池相關參數Table 2 Related parameters of energy storage battery

表3 收益計算相關參數Table 3 Related parameters of income calculation

表4 峰、谷電價Table 4 Peak-and-valley prices

3.2 參與削峰填谷的電池儲能經濟性分析

本文在儲能系統參與削峰填谷的應用場景下，劃分以下3個角度進行分析，角度一是在事先界定儲能功率、容量范圍內，對比不同電價差及不同配置下磷酸鐵鋰電池、鉛碳電池、全釩液流電池的收益，將同等條件下、收益最大的儲能電池確定為最終的研究對象。角度二是在確定了儲能電池類型后，儲能電池所設置的功率范圍在1 kW～5000 kW之間，容量范圍在1 kWh～5000 kWh之間，研究不同峰谷電價差下，收益分別達到最大時的儲能電池功率、容量配置。角度三是基于目前政府對儲能的相關政策補貼，考慮到未來隨著市場化的發展，新能源發電將進入平價階段，故而研究有無政府補貼對儲能經濟性的影響，并進一步觀察儲能各部分收益的占比情況。結合上述條件進行仿真，得出結論，具體闡述如下。

3.2.1 不同儲能電池在不同配置、不同電價差下收益情況

基于不同儲能電池類型，分析在不同儲能配置、不同峰谷電價差下的收益情況，以此來確定最終所研究的儲能電池類型。該場景下，本文儲能配置功率為560 kW～880 kW，儲能配置容量為2800 kWh～4600 kWh，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在相同的儲能配置以及相同的峰谷電價差情況下，磷酸鐵鋰電池儲能的收益較鉛碳電池、全釩液流電池的收益高。故在本文所設置的儲能功率及容量配置范圍內，磷酸鐵鋰電池的應用在儲能中具有顯著的優勢。因此在以下闡述中，選定的研究對象均為磷酸鐵鋰電池。

3.2.2 不同電價差下儲能收益最大時的最優配置

基于上述內容選定儲能電池類型為磷酸鐵鋰電池，取不同的峰谷電價差，該場景下，儲能電池所配置功率為1 kW～5000 kW，配置容量為1 kWh～5000 kWh。得到儲能電池在不同電價差及不同配置下的收益，如圖4所示。

由圖4可得到，磷酸鐵鋰電池在不同電價差下收益最大化的儲能最優配置，如表5所示。

表5 磷酸鐵鋰電池在不同電價差下收益最大化時的最優配置Table 5 The optimal configuration of lithium iron phosphate battery when the profit is maximized under different price differences

由表5可得到，不同電價差下，儲能電池達到最大收益時所對應的最優功率及容量配置。隨著峰谷電價差的增大，儲能的最大收益增加，與此同時，最大收益時所對應的儲能的配置功率及容量也有所增加。

3.2.3 政府補貼對經濟性的影響

以上兩個角度的分析均計及政府補貼?！笆奈濉币巹澲忻鞔_了可再生能源市場化發展的要求，風電、光伏發展將進入平價階段。故在確定磷酸鐵鋰電池儲能的配置為561 kW/2901 kWh后，首先選擇一個月的磷酸鐵鋰電池儲能的充放電功率曲線來觀察其出力情況，結果如圖5所示；其次對比分析不同峰谷電價差下，有無政府補貼的收益，結果如圖6所示。另外根據儲能各部分收益占比，進一步考慮政府補貼退出市場可能對儲能經濟性造成的影響，結果如圖7所示。

由圖6可看出，在所選定儲能配置下，無政府補貼時，只有當峰谷電價差較大，即超過0.81元/kWh的情況下，儲能電池才能實現盈利。

由圖7可看出，目前政府補貼在總收益中的比重仍較大，如果政府補貼徹底退出市場，可能還需要一定時間根據相應的政策進行調節，這樣儲能電池獲利才能在一定程度上獲得保障。未來隨著儲能電池的成本逐漸下降，收益也會在一定程度上有所增加。

3.3 提高新能源消納能力的電池儲能經濟性分析

基于3.2節所闡述的內容，確定研究對象為磷酸鐵鋰電池儲能系統。本文在儲能系統提高新能源消納能力的應用場景下，劃分以下兩個角度進行分析。角度一是基于利用儲能系統使得配網對光伏所發出電能的消納程度不同，儲能經濟性收益也不同，故而考慮在固定電價差及儲能配置基礎上，研究不同的光伏消納比例下，儲能對應的收益情況，進一步觀察儲能系統開始獲利時所對應的新能源消納比例。角度二是考慮配網完全消納新能源，即消納比例為100%，再選定儲能配置為720 kW/3800 kWh，分析不同電價差下儲能各部分收益占比情況，并進一步分析政府補貼對經濟性的影響。結合上述條件進行仿真，得出結論。其中涉及的新能源消納比例是指利用儲能系統能夠使配網對新能源所發出的電能的消納程度，具體闡述如下。

3.3.1 不同消納比例下的儲能收益

基于固定峰谷電價差為0.71元/kWh，固定儲能配置為720 kW/3800 kWh，分析不同光伏消納比例下的收益，結果如圖8所示。

由圖8可看出，隨著新能源消納比例的提高，儲能系統所獲得的收益逐漸增加。在該場景所設條件下，當新能源的消納比例超過66%時，儲能系統才開始盈利。

3.3.2 政府補貼對經濟性的影響

基于新能源科學合理的消納是新能源進一步在中國布局發展中的關鍵，該分析最大限度地提高配網對新能源的消納能力，即設置新能源的消納比例為100%、固定儲能配置為720 kW/3800 kWh的情況下，分析不同峰谷電價差下儲能的各部分收益占比情況。并進一步考慮政府補貼退出市場，可能對儲能經濟性造成的影響，結果如圖9所示。

由圖9可看出，在配網完全消納新能源的條件下，套利收益占比最大，政府補貼次之。這是由于所設置新能源的消納比例為100%，最大限度地提高了消納能力的分布式光伏給儲能電池進行充電，并在必要時將儲能電池的能量進行釋放，大大節省了向電網購電的部分成本，故而即使政府補貼退出市場，儲能系統也會在一定程度上盈利。

4 結論

本文通過建立儲能系統經濟性評估總模型，對儲能系統參與削峰填谷、提高新能源消納能力兩種基本應用場景進行了經濟性分析，得到如下結論。

在儲能系統參與削峰填谷的場景中：

1）在所設置的電價差及功率、容量范圍內，得到了儲能電池系統收益達到最大時的儲能最優功率及容量配置。

2）在固定儲能配置為561 kW/2901 kWh，不同電價差情況下，無政府補貼時，只有當電價差超過0.81元/kWh時，儲能電池才開始盈利；另外從占比圖中可看出政府補貼所占比重仍較大，最高可達61.8%。若政府補貼退出市場，需根據相應的政策進行調節。

在儲能系統提高新能源消納能力的場景中：

1）在固定峰谷電價差為0.71元/kWh以及儲能配置為720 kW/3800 kWh情況下，隨著新能源消納比例的提高，磷酸鐵鋰電池儲能系統所獲得的收益也有所增加；且當新能源的消納比例超過66%時，儲能系統才開始盈利。

2）在固定儲能配置為720 kW/3800 kWh、不同電價差的情況下，通過收益占比圖可得到套利收益占比最大，政府補貼次之，故而如若政府補貼退出市場，儲能系統也會在一定程度上盈利。

未來隨著儲能的相關政策出臺及儲能成本的逐步降低，新能源聯合儲能的方式接入配電網的比例會大幅度增加。本文有關配電網中儲能參與多場景的多維經濟性評估，可為光儲聯合系統并入配電網的經濟性分析提供有效的借鑒。另外通過本文的分析，可以看出政府補貼仍然是儲能經濟性獲利的必不可少的一部分。然而隨著市場化的發展，未來新能源發電將會進入平價階段，因此本文分析政府補貼對經濟性的影響是必要的。