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

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(chǔ)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(chǔ)能具有安裝不受地理位置限制、能實(shí)現(xiàn)秒級(jí)響應(yīng)、功率可以雙向流動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)能商業(yè)化的利好政策，明確了儲(chǔ)能作為輔助服務(wù)供應(yīng)商的主體地位[5-6]。但儲(chǔ)能在輔助服務(wù)市場(chǎng)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(chǔ)能電站在能量市場(chǎng)套利的經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[9]綜述了國內(nèi)外電池儲(chǔ)能的運(yùn)營現(xiàn)狀，為未來儲(chǔ)能的規(guī)模化發(fā)展提出建議；文獻(xiàn)[10]討論了儲(chǔ)能輔助風(fēng)機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)掘儲(chǔ)能在新能源市場(chǎng)的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[11]分析了儲(chǔ)能參與調(diào)峰調(diào)頻市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性，并給出儲(chǔ)能容量的配置建議。上述文獻(xiàn)論述了電池儲(chǔ)能的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景，指出儲(chǔ)能在能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)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(duì)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(chǔ)能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，需計(jì)及儲(chǔ)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(chǔ)能收益，通過投資回收期等財(cái)務(wù)指標(biāo)來對(duì)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)能項(xiàng)目決策起到一定參考。

2 儲(chǔ)能全壽命周期成本

電池儲(chǔ)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(píng)估電池儲(chǔ)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。現(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(chǔ)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(chǔ)能額定能量(MWh)；C為折算后的電池儲(chǔ)能綜合建設(shè)成本(元/MWh)；cb為電池本體成本；coth為儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電池在不同循環(huán)深度下的使用壽命(年)。

因此，儲(chǔ)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。回收價(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(chǔ)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(chǔ)能電池的年均回收價(jià)值為：

(7)

3 儲(chǔ)能參與調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 儲(chǔ)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(chǎng)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(chǔ)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(chǎng)，采用“容量補(bǔ)償+里程補(bǔ)償”的方式，則儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能自動(dòng)發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)可調(diào)節(jié)容量，取儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能AGC指令調(diào)節(jié)的上下限為儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能實(shí)際調(diào)用里程以市場(chǎng)化競(jìng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)出清價(jià)格。

按照規(guī)定，調(diào)頻市場(chǎng)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(chǎng)，目前我國市場(chǎng)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(chǔ)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(shì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能每次調(diào)用的平均調(diào)頻里程系數(shù)；P為儲(chǔ)能額定功率，CF為儲(chǔ)能調(diào)頻里程價(jià)格。

3.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)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(chǔ)能工程可行性研究設(shè)計(jì)成果，并參考現(xiàn)有市場(chǎng)價(jià)格以及鋰電池儲(chǔ)能全生命周期成本模型的參數(shù)，儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)的出清結(jié)果，取調(diào)頻市場(chǎng)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(chǔ)能在淺充淺放模式下壽命較長，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，儲(chǔ)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(chǔ)能本體無需更換，則儲(chǔ)能調(diào)頻收益分析參數(shù)選擇如表1所示。

表1 儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能調(diào)頻年收益情況

由表2可見，當(dāng)儲(chǔ)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(chǔ)能調(diào)頻收益敏感性分析

儲(chǔ)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(chǔ)能綜合建設(shè)成本、里程出清價(jià)格的影響，下面對(duì)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(chǔ)能調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性將受到影響。假設(shè)儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)能單位容量綜合投資建設(shè)成本與里程出清價(jià)格也會(huì)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。假設(shè)儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)能收益率越高。當(dāng)儲(chǔ)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(chǔ)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(píng)估儲(chǔ)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(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的獲利空間對(duì)自身充放電策略、電池本體價(jià)格和市場(chǎng)補(bǔ)償價(jià)格較為敏感。在未來電池成本下降、儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)的政策更加完備時(shí)，儲(chǔ)能參與調(diào)頻的商業(yè)價(jià)值將更加凸顯。