抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟價值評價方法研究

汪 瑩，韓曉男

（國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

抽水蓄能電站憑借其靈活可變的運行模式和模式間的快速切換能力，在輔助新能源接入與支撐新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行方面展示了巨大的技術(shù)潛力［1］。另一方面，相比近年來蓬勃發(fā)展的電化學儲能技術(shù)手段，抽水蓄能電站的運行效率較低，電-電循環(huán)的效率大致為65%～80%，低于電池儲能單元的85%左右的電-電循環(huán)效率［2］。這降低了抽水蓄能電站參與削峰填谷的能量平移類應(yīng)用時的獲利，限制了抽水蓄能電站的可持續(xù)經(jīng)濟運行。同時，受制于市場環(huán)境與產(chǎn)品種類限制，抽水蓄能電站的獲利手段長期依賴于單一的削峰填谷模式，無法獲取較高的經(jīng)濟回報，制約了抽水蓄能電站在多種輔助服務(wù)和現(xiàn)貨能量市場內(nèi)發(fā)揮更大的技術(shù)效用。降低了其提升電力系統(tǒng)新能源接入與消納能力，減弱了其參與增強新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等相關(guān)工作的積極性［3-4］。

隨著我國可再生能源在電源端滲透率的進一步提升，抽水蓄能電站在調(diào)峰、調(diào)頻、快速備用、黑啟動等多種輔助服務(wù)方面存在著巨大的應(yīng)用潛力和獲取可觀經(jīng)濟回報的潛力。受傳統(tǒng)抽水蓄能電站運行模式、市場環(huán)境與市場產(chǎn)品設(shè)計等多種因素的制約，目前抽水蓄能電站的多元化技術(shù)與經(jīng)濟價值尚未得到完全挖掘與體現(xiàn)。亟須結(jié)合構(gòu)建新型電力系統(tǒng)這一背景，開展對抽水蓄能電站的多元技術(shù)經(jīng)濟價值評價方法研究，促進抽水蓄能這一成熟技術(shù)手段在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的技術(shù)效用。

目前已有大量相關(guān)抽水蓄能電站經(jīng)濟價值評價方法的研究。文獻［5］提出利用海水配合海上光伏，構(gòu)建抽水蓄能與光伏結(jié)合的發(fā)儲一體化系統(tǒng)，并基于儲能與光伏的容量配置比例，給出了經(jīng)濟性評價結(jié)果與配置比例建議。文獻［6］研究了考慮經(jīng)濟性的抽水蓄能與風電場的協(xié)同規(guī)劃方法。在輔助新能源接入的運行方法方面，文獻［7］研究了抽水蓄能電站與負荷響應(yīng)機制相配合，提升含風力發(fā)電系統(tǒng)運行安全水平的優(yōu)化調(diào)度策略。文獻［8］研究了抽水蓄能電站參與電力系統(tǒng)多元化技術(shù)服務(wù)的可行性與經(jīng)濟性評價方法。但由于研究時我國尚未開展電力市場環(huán)境建設(shè)，因此抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)主要集中于削峰填谷與調(diào)峰等能量型應(yīng)用場景。文獻［9］研究了分時電價政策對調(diào)度運行優(yōu)化結(jié)果的影響。文獻［10］研究了抽水蓄能機組的碳減排效果計算方法。文獻［11］討論了儲能單元在容量市場下的經(jīng)濟回報測算及量化分析結(jié)果。文獻［12］構(gòu)建了抽水蓄能電站的日前市場出清計算模型，為后續(xù)研究抽水蓄能機組在市場環(huán)境下的經(jīng)濟收益建立了理論基礎(chǔ)。文獻［13-15］研究了抽水蓄能電站在島嶼類型的獨立電網(wǎng)中的多種應(yīng)用模式。文獻［16］討論了抽水蓄能電站在離網(wǎng)型系統(tǒng)中的控制策略，并與飛輪系統(tǒng)的控制策略對比分析。上述研究主要關(guān)注于抽水蓄能電站的某一種技術(shù)服務(wù)的控制策略與經(jīng)濟性評價，尚缺乏在市場環(huán)境下對抽水蓄能電站參與多元化技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟價值綜合評估分析方法的相關(guān)研究。文獻［17-19］討論了變速式抽水蓄能電站的技術(shù)特點與優(yōu)勢，指出了其進一步應(yīng)用于輔助新能源接入的技術(shù)潛力。文獻［20］討論了構(gòu)網(wǎng)型模式對系統(tǒng)的支撐能力及參與黑啟動的技術(shù)潛力，但缺乏對其經(jīng)濟性的詳細分析評估方法。

為建立抽水蓄能電站參與多元化技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟性評價技術(shù)框架，結(jié)合國內(nèi)典型抽水蓄能電站實際技術(shù)性能，構(gòu)建了抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟價值的評價方法，包括提供削峰填谷、調(diào)頻、備用、容量支撐與黑啟動等多種技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟性評價方法。在經(jīng)濟性評價時結(jié)合電力市場機制與政策補償兩種收益模式，考慮多種技術(shù)服務(wù)間的互斥與相容約束，實現(xiàn)對抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟性評價。

1 抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)模型

抽水蓄能電站憑借其靈活多變的運行模式，具備以發(fā)電、抽水及旋轉(zhuǎn)調(diào)相的多種模式參與電力系統(tǒng)的運行。抽水蓄能電站在多種運行模式下具備不同的提供多元化技術(shù)服務(wù)的能力，因此需要對抽水蓄能電站在不同運行模式下提供多元化技術(shù)服務(wù)的能力進行量化建模分析，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟性評價分析模型。

抽水蓄能電站的運行模式包括發(fā)電狀態(tài)、待機狀態(tài)以及抽水狀態(tài)。三種運行模式通過2 個二進制0-1 變量進行表示，即

式中：Pk,i,Gen為k時刻第i臺抽水蓄能機組的發(fā)電功率；Pi,Gen,min和Pi,Gen,max分別為第i臺抽水蓄能機組在發(fā)電模式下的最小與最大出力限制，均為常數(shù)，由第i臺機組的實際參數(shù)決定；Pi,Pup,out為第i臺機組在抽水模式下的額定輸出功率，常規(guī)抽水蓄能機組的抽水功率在抽水模式下為非可調(diào)節(jié)功率，僅與抽水蓄能電站的水文狀態(tài)有關(guān)，在短時間內(nèi)可以認為是恒定功率，也為常數(shù)，由第i臺機組的實際參數(shù)決定；Nps為抽水蓄能機組總數(shù)；Pk,i,Pup為k時刻第i臺抽水蓄能機組的抽水功率；Pk,i為k時刻第i臺抽水蓄能機組的總輸出功率；ηi,Gen和ηi,Pup分別為第i臺抽水蓄能機組在發(fā)電模式與抽水模式下的運行效率；為抽水蓄能電站k時刻的上水庫可用水量；和分別為上水庫的最小與最大可用水量約束限值；為抽水蓄能電站k時刻的下水庫可用水量；分別為下水庫的最小與最大可用水量約束限值；kCa為抽水蓄能機組電功率與水量變化間的比例系數(shù)；Bk,i,Gen和Bk,i,Pup為0-1 變量，表示k時刻第i臺抽水蓄能機組是否運行于發(fā)電或者抽水模式，取值為0 時表示機組未處于發(fā)電或抽水模式，取值為1 時表示機組處于發(fā)電或抽水模式。

近年來隨著大功率電力電子調(diào)速技術(shù)的快速進步，出現(xiàn)了可變速抽水蓄能技術(shù)，可變速抽水蓄能機組的輸出功率在抽水模式下可調(diào)節(jié)，即Pk,i,Pup具有類似于Pk,i,Gen的可調(diào)節(jié)范圍，不再局限于固定的不可調(diào)節(jié)功率。同時Pk,i,Gen與常規(guī)抽水蓄能電站相比具有更大的數(shù)值調(diào)節(jié)空間。但可變速抽水蓄能電站由于需要配置大功率調(diào)速裝置并改進抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的設(shè)計，導(dǎo)致造價較高，目前尚未在電力系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。文中參考常規(guī)抽水蓄能電站模型進行研究分析。

2 抽水蓄能電站收益分析模型

抽水蓄能電站由于具備對運行調(diào)節(jié)指令的快速響應(yīng)能力，因此具備在短時間內(nèi)改變其運行狀態(tài)并提供從備用到調(diào)頻等多種多時間尺度技術(shù)服務(wù)的能力。抽水蓄能電站目前提供的多種主流技術(shù)服務(wù)和經(jīng)濟收益測算方法如表1 所示。

表1 多元化服務(wù)與收益情況分析Table 1 The benefit analysis of pumped storage units with diversified service.

2.1 削峰填谷收入

抽水蓄能電站通過削峰填谷獲得經(jīng)濟收益主要依賴于電力價格在不同時間上存在著較大差異的場景。因此抽水蓄能電站的日經(jīng)濟收益為

式中：Nt為日運行時段數(shù)；Ci,EN為第i臺抽水蓄能機組在能量市場中獲得的總收益；Ck為k時刻抽水蓄能機組所對應(yīng)的能量市場價格。

在進行上述削峰填谷運行時一般應(yīng)保證抽水蓄能機組的日水量平衡，即抽水蓄能電站的水庫水量保持不變。

考慮到常規(guī)抽水蓄能電站由于發(fā)電功率可調(diào)節(jié)但抽水功率不可調(diào)節(jié)，因此在日運行模型中無法保證水庫水量的完全一致，需要設(shè)置水量波動閾值以保障抽水蓄能電站削峰填谷模式優(yōu)化運行模型的可解性。由于考慮了水量日平衡約束，抽水蓄能電站的發(fā)電效率損失與抽水效率損失均通過水量平衡約束進行了體現(xiàn)。當日內(nèi)各時段能量電價差異不顯著時抽水蓄能電站在能量市場的獲利能力將大幅下降。

2.2 調(diào)頻收入

調(diào)頻模式下抽水蓄能電站獲得的收益與抽水蓄能電站的可用調(diào)頻容量及性能因子系數(shù)有關(guān)，第i臺機組參與調(diào)頻所獲得的收益CFR,i具體表達式為

式中：Ck,i,FR為第i臺機組k時刻參與調(diào)頻市場的出清價格；Pk,i,FR為抽水蓄能機組參與調(diào)頻市場的容量大小；Ki,m,FR為第i臺機組在第m個評價時段內(nèi)的性能因子系數(shù)；CFRC為機組在發(fā)電模式下提供調(diào)頻服務(wù)所獲得的能量補償費用計算系數(shù)；Pk,i,FRA為第i臺機組k時刻所提供的發(fā)電輸出功率；TLen為單個計算時段的時間長度，h。

從式（11）的描述中可以看出，抽水蓄能電站參與調(diào)頻市場所獲得的收益除了與參與容量、市場出清價格有關(guān)外，還與抽水蓄能電站的性能因子系數(shù)Ki,m,FR有關(guān)。該性能因子的大小與同區(qū)域內(nèi)的機組平均調(diào)頻性能有關(guān)，調(diào)頻性能與機組的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時間有關(guān)。當抽水蓄能電站所在的區(qū)域低調(diào)頻性能火電機組數(shù)量較多時，抽水蓄能參與頻率調(diào)節(jié)的獲益將隨抽水蓄能電站相對較高的性能因子系數(shù)取值的提升而提升；與之相對應(yīng)，當抽水蓄能電站所在的區(qū)域高調(diào)頻性能的水電機組和電池單元的數(shù)量較多時，抽水蓄能電站參與頻率調(diào)節(jié)的獲益將隨性能因子系數(shù)的下降而降低。另外，發(fā)電機組提供調(diào)頻的累計里程補償也可以通過式（11）中的Ki,m,FR性能因子調(diào)節(jié)系數(shù)進行體現(xiàn)。在同一時段內(nèi)，參與調(diào)節(jié)的累積調(diào)節(jié)里程大的機組將獲得較大的性能調(diào)節(jié)系數(shù)以補償機組所提供的調(diào)頻里程。

2.3 備用收入

抽水蓄能電站中第i臺機組參與備用市場的收益CRE,i為

式中：Ci,RE,PRE為備用市場計算出清價格或政策補償價格；Pk,i,RE為抽水蓄能電站提供備用服務(wù)的機組容量。

目前各省電網(wǎng)對合格備用機組一般要求機組具備在10～15 min 內(nèi)響應(yīng)調(diào)度調(diào)節(jié)指令。這一要求與抽水蓄能電站數(shù)分鐘的啟動準備時間相匹配，使得抽水蓄能電站滿足了參與提供備用服務(wù)的技術(shù)要求，具備通過提供備用服務(wù)獲得經(jīng)濟回報的能力。此外，Ci,RE,PRE價格在全日的不同時段具備不同的數(shù)值，一般在高峰時段按照Ci,RE,PRE全額計算，在低谷時段按照0.5Ci,RE,PRE的標準補償。

2.4 容量支撐收入

抽水蓄能電站憑借其靈活快速的響應(yīng)能力具備了在高峰時段增強電力系統(tǒng)供電能力的技術(shù)潛力，因此抽水蓄能電站一般具備從容量市場獲取收益的能力。第i臺機組參與容量市場所獲得的收益CCA,i為

式中：Ci,CA,PRE為第i臺機組從容量市場或容量補償政策獲得經(jīng)濟收益的容量補償單價系數(shù)；γi為抽水蓄能電站的年可用率統(tǒng)計指標，用于描述抽水蓄能電站的年可用率，并直接影響抽水蓄能電站在容量市場中的經(jīng)濟收益。

2.5 黑啟動收入

抽水蓄能電站第i臺機組參與黑啟動服務(wù)的收入Ci,BS為

式中：Ci,BS為第i臺機組從黑啟動市場或黑啟動補償政策獲得的月度經(jīng)濟收益；Ci,m,BS為黑啟動服務(wù)在第m個評價時段的單位容量收益系數(shù)。

2.6 防洪調(diào)節(jié)與農(nóng)業(yè)支持等間接收入

由于抽水蓄能電站的運行會影響河道水量的管理與調(diào)度，因此抽水蓄能電站除通過發(fā)電與抽水模式直接從電力相關(guān)市場或依靠相關(guān)電價政策獲取直接經(jīng)濟收益外，抽水蓄能電站收益測算還涉及抽水蓄能電站參加所在流域防洪調(diào)節(jié)、農(nóng)業(yè)支持等活動所產(chǎn)生的間接社會效益。在某些極端情況下或所在地區(qū)的經(jīng)濟活動較活躍時，抽水蓄能電站的上述間接社會效益能夠超過提供電力相關(guān)服務(wù)所獲得的直接收益，也應(yīng)引起相關(guān)研究人員與政策制定人員的重視。文中未考慮抽水蓄能提供防洪調(diào)節(jié)所對應(yīng)的間接社會效益，主要關(guān)注于抽水蓄能電站的直接收益部分。

3 抽水蓄能電站多元化經(jīng)濟價值評價

3.1 多元化技術(shù)服務(wù)的相容性與相斥性

抽水蓄能電站由于其快速靈活多變的技術(shù)特點，具備了提供多元化技術(shù)服務(wù)并同時獲取多種技術(shù)回報的可能，從而提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟回報水平。但所涉及的部分經(jīng)濟活動也存在著相互排斥、不可同時參加的情況。需要對目前主流的相關(guān)技術(shù)服務(wù)進行相容與相斥特性分析。根據(jù)所構(gòu)建的抽水蓄能電站多元化技術(shù)服務(wù)框架，抽水蓄能電站提供的多元化技術(shù)服務(wù)相容性與相斥性分析如表2所示。

表2 相容性與相斥性分析Table 2 The possibility of pumped storage units to provide diversified service simultaneously.

其中部分技術(shù)服務(wù)以抽水蓄能電站的潛在調(diào)節(jié)能力作為獲得經(jīng)濟補償?shù)囊罁?jù)，這部分服務(wù)與其他服務(wù)不沖突，使抽水蓄能電站能夠獲得更多的經(jīng)濟補償，提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟回報。部分技術(shù)服務(wù)補償?shù)哪康氖枪膭畎l(fā)電單元通過技術(shù)升級改造具備滿足某些功能的技術(shù)能力，例如黑啟動電源補償。這類型的技術(shù)服務(wù)通常與其他技術(shù)服務(wù)相容，能夠進一步增加相關(guān)機組的經(jīng)濟收入。

3.2 經(jīng)濟價值綜合評價方法

抽水蓄能電站由于具備同時參加多種技術(shù)服務(wù)并獲得經(jīng)濟回報的可能，因此評價抽水蓄能電站的多元經(jīng)濟價值需要根據(jù)市場環(huán)境下的多種價格信號數(shù)值特點，分析抽水蓄能電站的最大可能經(jīng)濟回報。為此可以根據(jù)式（15）—式（16）所構(gòu)建的優(yōu)化模型以抽水蓄能機組經(jīng)濟回報最大化為目標，測算抽水蓄能機組的最大經(jīng)濟回報能力，展示抽水蓄能機組參與多元化技術(shù)服務(wù)的優(yōu)化安排，即：

式中：Pi,k,j為第i臺機組在k時刻參與第j項技術(shù)服務(wù)的投入功率份額；Cj為參加第j項技術(shù)服務(wù)的經(jīng)濟收入，j的最大值為M，抽水蓄能機組在不同時刻會選擇不同的技術(shù)服務(wù)組合以實現(xiàn)經(jīng)濟收入的最大化；Pi,j,max為第i臺機組參與第j項技術(shù)服務(wù)的最大可用功率；Bi,k,2為抽水蓄能機組是否參與調(diào)頻市場的0-1 變量，取值為1 表示參與調(diào)頻市場，取值為0 表示未參與調(diào)頻市場，其取值受到抽水蓄能機組參與能量市場情況的制約，即抽水蓄能需要以發(fā)電模式運行，其才具備在對應(yīng)時段參與調(diào)頻市場的可能。

上述模型中對多種市場價格均作為已知的邊界條件處理，在給定的邊界條件下給出抽水蓄能機組的最佳運行策略，實現(xiàn)最大經(jīng)濟收益，計算分析了抽水蓄能機組所獲得經(jīng)濟收益的理論上界。具體的模型求解方法如圖1 所示。在實際運行時，考慮到對市場價格預(yù)測的誤差，抽水蓄能機組的實際收益通常會低于理論上界。

圖1 抽水蓄能電站收益最大化模型求解流程，F(xiàn)ig.1 The flow chart for solving the revenue maximization model

基于圖1 所示的抽水蓄能電站經(jīng)濟收益最大化分析模型，分析抽水蓄能電站通過參加削峰填谷、調(diào)頻與系統(tǒng)備用多種技術(shù)服務(wù)獲得經(jīng)濟回報最大化的運行模式，獲得抽水蓄能電站在給定市場價格邊界條件下的經(jīng)濟回報理論上限。進一步結(jié)合抽水蓄能電站獲得的黑啟動收入與容量收入，形成考慮相容相斥性的抽水蓄能電站收益綜合評估結(jié)果。具體評估方法如圖2 所示。

圖2 抽水蓄能電站經(jīng)濟收益綜合評價方法Fig.2 The economic evaluation method of pumped storage power stations

圖3 電價波動場景曲線Fig.3 The curve under scenarios with fluctuant electricity prices

4 算例分析

根據(jù)所構(gòu)建的多元化經(jīng)濟評價體系結(jié)合我國典型區(qū)域中的典型數(shù)據(jù)對抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟評價模型進行測算，給出具體的測算結(jié)果。文中涉及的具體算例參數(shù)設(shè)置與依據(jù)如表3 所示。

表3 測算關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置及依據(jù)Table 3 The key parameters of evaluating the revenue for pumped storage units with diversified service

4.1 外部計算條件

算例計算部分設(shè)置了3 個典型的電價場景對抽水蓄能電站的經(jīng)濟收益情況進行量化評估計算，分別為低電價波動場景、標準電價波動場景和高電價波動場景。抽水蓄能機組水-電單次轉(zhuǎn)換效率為85%，抽水蓄能機組電-電的轉(zhuǎn)換效率為85%×85%≈72%。抽水蓄能電站參數(shù)參考廣州抽水蓄能電站實際參數(shù)，單臺機組在發(fā)電模式下和抽水模式下額定功率為300 MW，發(fā)電模式下最小輸出功率為180 MW，簡化起見，算例中以單臺機組的運行模式代表全站。由于文中的研究主要針對抽水蓄能電站的日運行曲線，要求抽水蓄能電站實現(xiàn)日運行水量平衡，考慮到抽水蓄能電站上下水庫庫容容量較大，日運行一般不受庫容約束，因此在算例中不考慮上下水庫的庫容約束。抽水蓄能電站的運行模式轉(zhuǎn)換時間通常為10 min 以內(nèi)，而本算例中以小時間隔對收益進行計算分析，在這種設(shè)定下忽略了抽水蓄能電站運行模式的轉(zhuǎn)換時間。電價邊界條件方面，選取實際系統(tǒng)中某一典型日的電價曲線作為電價基準場景，即場景2，隨后分別設(shè)置了電價波動量低的場景1 與波動量高的場景3。

根據(jù)各算例中相鄰時段電價的波動量設(shè)置了調(diào)頻市場所對應(yīng)的調(diào)頻價格進行計算分析。調(diào)頻電價場景如圖4 所示，分別對應(yīng)調(diào)頻價格低、中和高場景。抽水蓄能機組在每個時段內(nèi)最多可以憑借在發(fā)電模式下的［180 MW，300 MW］內(nèi)的120 MW 可調(diào)節(jié)功率參與調(diào)頻市場。

圖4 調(diào)頻價格波動場景曲線Fig.4 The curve under scenarios with fluctuant frequencies and regulation prices

4.2 多元化服務(wù)收益測算

在上述3 個場景下抽水蓄能電站通過能量市場的電價套利收入分別為：場景1 收入0，場景2 收入28.47 萬元，場景3 收入91.18 萬元。其中場景1 收入為0 是考慮到峰谷電價差異不足以抵消抽水蓄能電站抽水與發(fā)電間的效率損失，所以無法通過削峰填谷的運行模式從能量市場獲得收益。

再進一步考慮備用輔助服務(wù)收益，在能量市場的空閑時刻提供備用服務(wù)可以獲得的收入在3 個場景下分別為8.1 萬元、2.93 萬元和2.25 萬元。其中抽水蓄能機組在場景1 中全部的24 個小時均通過參與備用服務(wù)獲得收益。因此在考慮備用服務(wù)的收入后，3 個場景下抽水蓄能機組的收益分別為：場景1 收入8.1 萬元，場景2 收入31.37 萬元，場景3 收入93.43 萬元。由此說明備用服務(wù)能夠進一步提升抽水蓄能電站的經(jīng)濟收入水平。這種模式下場景2 和場景3 中抽水蓄能電站的每小時功率容量分配如圖5 和圖6 所示。

圖5 場景2下抽水蓄能電站每小時容量分配Fig.5 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 2

圖6 場景3下抽水蓄能電站每小時容量分配Fig.6 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 3

再進一步考慮所構(gòu)建的由式（15）—式（19）描述的多元服務(wù)優(yōu)化決策模型，可以進一步控制抽水蓄能機組在某些時刻內(nèi)通過將原有參與能量市場的運行模式調(diào)整為部分功率容量參加削峰填谷，部分容量參加調(diào)頻的運行模式，在這種模式下抽水蓄能電站在3個場景下的經(jīng)濟收入分別進一步提升為8.1 萬元、32.16 萬元、93.91 萬元，提升了抽水蓄能電站的經(jīng)濟收益水平。抽水蓄能電站在場景2 和場景3 模式下的具體運行狀態(tài)如圖7 和圖8 所示，具體收益情況如表4 所示。

圖7 場景2下抽水蓄能電站收益最大化模式下每小時容量分配Fig.7 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 2 with maximized revenue

圖8 場景3下抽水蓄能電站收益最大化模式下每小時容量分配Fig.8 The hourly power capacity allocation of pumped storage unit under scenario 3 with maximized revenue

表4 抽水蓄能在多種場景下的綜合收益Table 4 The revenue of pumped storage units with different scenarios 單位：萬元

進一步考慮調(diào)頻價格對抽水蓄能電站收益的影響，將場景2 中的調(diào)頻價格進一步調(diào)整為原始價格的2 倍以及將調(diào)頻的性能因子系數(shù)調(diào)整為2，即調(diào)頻性能因子系數(shù)調(diào)整為基礎(chǔ)場景的2 倍。抽水蓄能機組的運行狀態(tài)如圖9 和圖10 所示。在這兩種場景下抽水蓄能電站的調(diào)頻收入分別增至1.87 萬元和5.76 萬元，備用收入分別增至3.83 萬元和4.28 萬元，能量市場收入分別降至27.18 萬元和24.8 萬元，總收入分別增至32.88 萬元和34.84 萬元，比原有場景分別提升了2.2%和8.3%。說明抽水蓄能電站的調(diào)頻收益即便在調(diào)頻收益較高的場景下對綜合收益的占比也較少。同時相比調(diào)頻價格，抽水蓄能電站在調(diào)頻性能因子取值較高的場景下，即其他機組調(diào)頻性能因子均值較低時，能夠憑借其較好的技術(shù)性能通過性能因子獲得較高的收益，具體收益情況如表5 所示。

圖9 場景2下增加調(diào)頻市場價格后抽水蓄能電站的每小時容量分配Fig.9 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with increased frequency regulation price

圖10 場景2下提高性能因子后抽水蓄能電站的每小時容量分配Fig.10 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with increased performance factor

表5 抽水蓄能在增加調(diào)頻收益情況下的收益Table 5 The revenue of pumped storage units with increased frequency regulation price 單位：萬元

再進一步考慮系統(tǒng)效率對抽水蓄能電站經(jīng)濟收益的影響。圖11—圖13 分別給出了抽水蓄能機組抽水和發(fā)電效率均為80%情況下，基礎(chǔ)場景、2 倍調(diào)頻價格、2 倍調(diào)頻價格和2 倍性能因子的計算結(jié)果。

圖11 場景2下抽水蓄能電站80%效率下的每小時容量分配Fig.11 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency

圖12 場景2下增加調(diào)頻市場價格后抽水蓄能電站80%效率下的每小時容量分配Fig.12 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency and increased frequency regulation price

圖13 場景2下提高性能因子后抽水蓄能電站80%效率下的每小時容量分配Fig.13 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 80%efficiency and increased performance factor

圖14—圖16 分別給出了抽水蓄能機組抽水和發(fā)電效率均為90%情況下，基礎(chǔ)場景、2 倍調(diào)頻價格、2 倍調(diào)頻價格和2 倍性能因子的計算結(jié)果。

圖14 場景2下抽水蓄能電站90%效率下的每小時容量分配Fig.14 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 90%efficiency

圖16 場景2下提高性能因子后抽水蓄能電站90%效率下的每小時容量分配Fig.16 The hourly power capacity allocation for pumped storage under scenario 2 with 90%efficiency and increased performance factor

不同運行效率下抽水蓄能電站的綜合收益情況如表6 所示。

表6 抽水蓄能在不同效率下的收益Table 6 The revenue of pumped storage units with different operation efficiencies 單位：萬元

表6 顯示，抽水蓄能電站的運行效率對經(jīng)濟收益影響很大，在基礎(chǔ)場景2 下，運行效率從80%提升到90%可以使綜合收入增加1 倍以上。這是由于更高的運行效率能夠增加抽水蓄能電站削峰填谷運行的時段數(shù)，同時增加原有削峰填谷操作時段內(nèi)的對應(yīng)收益。在雙重作用下可以大幅增加抽水蓄能電站的綜合收益。較低的抽水蓄能電站運行效率會減少抽水蓄能電站發(fā)電模式的運行時段數(shù)，從而降低抽水蓄能電站參與調(diào)頻服務(wù)的機會，即使調(diào)頻價格增加，抽水蓄能電站通過調(diào)頻服務(wù)增加的收入也有限。反之，當抽水蓄能電站運行效率較高時，因為抽水蓄能電站以發(fā)電模式運行的時段數(shù)增加，參與調(diào)頻服務(wù)的機會更多，因此當調(diào)頻價格上升時，抽水蓄能電站獲取的調(diào)頻收益增加量更高。以文中算例為例，90%運行效率情況下，調(diào)頻收益最高的場景相比次高場景增加了247%，而80%運行效率下僅增加了180%。因此提升抽水蓄能電站運行效率將能夠從能量市場與調(diào)頻市場兩方面同時增加收益。

此外，在場景1—場景3 下，算例中涉及的300 MW容量抽水蓄能機組還具備每年獲得容量市場補償收益為550 元/kW×300 000 kW×95%=1.5675 億元，折算為日收入42.95 萬元；黑啟動補償收益為0.2 元/kW×300 000 kW×12=72 萬，折算為日收入0.20 萬元，相比容量市場補償收益，黑啟動補償收益可以忽略不計。

4.3 結(jié)果分析

在3 個場景下，抽水蓄能電站通過以不同策略參加能量市場和輔助服務(wù)市場能夠取得多樣化的經(jīng)濟收益。數(shù)值計算結(jié)果顯示，能量電價與調(diào)頻電價差異能夠大幅影響抽水蓄能電站的經(jīng)濟回報。能量市場價格峰谷差較大的計算場景，也是調(diào)頻價格波動較大的場景，在這種場景中，抽水蓄能機組通常能夠從能量市場和輔助服務(wù)市場中取得較好的經(jīng)濟回報。抽水蓄能機組由于從抽水模式到發(fā)電模式間所涉及的兩次轉(zhuǎn)換水量損失較大，導(dǎo)致抽水蓄能機組的電-電循環(huán)轉(zhuǎn)換效率較低，使抽水蓄能電站在能量價格波動較低的場景中無法取得正收益，降低了抽水蓄能電站的經(jīng)濟回報水平。

考慮到調(diào)頻市場價格與市場中提供調(diào)頻服務(wù)的機組容量、日負荷曲線峰谷差異和日負荷波動水平有緊密聯(lián)系，因此日能量市場波動較小的場景下調(diào)頻市場價格也通常波動較小且價格較低。這種場景下抽水蓄能電站通常無法通過參加調(diào)頻市場大幅改善其收益水平。

此外，數(shù)值計算分析結(jié)果顯示容量市場的收益對于抽水蓄能機組的經(jīng)濟收益起到了重要的托底保障作用，是提升抽水蓄能機組經(jīng)濟收入水平的重要保障機制。

5 結(jié)束語

構(gòu)建抽水蓄能電站的多元化技術(shù)服務(wù)經(jīng)濟價值評價方法，覆蓋了抽水蓄能電站參與削峰填谷、調(diào)頻、備用、容量市場以及黑啟動服務(wù)等多元化技術(shù)服務(wù)。通過研究三種典型的能量和調(diào)頻輔助服務(wù)價格場景，分析了抽水蓄能電站在多元化市場環(huán)境下的經(jīng)濟回報構(gòu)成，驗證了抽水蓄能電站的經(jīng)濟收入水平與日負荷曲線峰谷差和日負荷波動具有緊密聯(lián)系。抽水蓄能電站的電-電循環(huán)效率也對抽水蓄能電站參與能量市場的收益水平有著重要影響。電-電循環(huán)效率較低會導(dǎo)致抽水蓄能電站在日能量電價曲線波動小的場景下無法獲得正收益，而失去參與能量市場并獲得收益的可能。同時，由于抽水蓄能電站未參與能量市場，導(dǎo)致抽水蓄能電站在對應(yīng)時段內(nèi)無法處于發(fā)電模式，降低了抽水蓄能電站參與調(diào)頻提升收益的可能。因此提升抽水蓄能電站的電-電轉(zhuǎn)換效率是提高抽水蓄能電站經(jīng)濟收益的重要措施。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)與政策保障機制，抽水蓄能電站從容量市場獲得的回報在抽水蓄能電站綜合經(jīng)濟收益中占有重要比重，容量市場的建立將是確保抽水蓄能電站經(jīng)濟收益的重要保障機制。

所構(gòu)建的多種電價場景較為簡單，未考慮電價不確定性在抽水蓄能機組實際運行時對抽水蓄能機組經(jīng)濟回報的量化影響，僅關(guān)注于計算分析抽水蓄能電站綜合經(jīng)濟回報的理論上限，因此在后續(xù)研究中將針對這一點進一步開展研究。此外，變速型抽水蓄能電站憑借其具備更廣、更靈活的調(diào)節(jié)范圍，將使抽水蓄能電站在發(fā)電和抽水模式下均具備提供調(diào)頻服務(wù)的可能，打破了目前調(diào)頻服務(wù)依賴于抽水蓄能電站處于發(fā)電模式的約束，未來也將就這一問題在文中研究基礎(chǔ)上繼續(xù)開展相關(guān)研究，進一步完善抽水蓄能電站的多元化經(jīng)濟評價方法。