傅旭*，張雨津

（中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司）

0 引言

目前，中國已經(jīng)成為全球風電和光伏發(fā)電裝機容量最大的國家，與之相伴而生的則是棄風、棄光等問題日益突出［1-7］，利用電化學儲能降低新能源棄電成為近年來的研究熱點［8-11］。由于儲能成本較高，合理評估儲能在電力系統(tǒng)中的效益是儲能健康發(fā)展的關鍵。文獻［12］針對儲能市場化應用初期階段的商業(yè)模式與規(guī)劃問題，基于投資、收益、運營等因素，分析了該階段下儲能系統(tǒng)呈現(xiàn)的典型商業(yè)模式。文獻［13］比較了儲能電站對電網(wǎng)購電減少量、最大購電功率和新能源棄電的影響，研究了購電曲線對購電量的影響。文獻［14］研究了高比例新能源系統(tǒng)中抽水蓄能、壓縮空氣、電化學儲能等儲能電站的容量效益、電量效益。文獻［15-16］以青海電網(wǎng)為算例，對省級電網(wǎng)新能源與儲能、天然氣發(fā)電融合發(fā)展的經(jīng)濟性進行了研究。文獻［17-18］對各類儲能的成本和效益進行了分析。由于儲能成本較高，而新能源發(fā)電即將平價或競價上網(wǎng)，如果儲能僅僅只用于回收新能源棄電，那么儲能的大規(guī)模發(fā)展必將受限。本文基于全生命周期理論，以陜西電網(wǎng)為研究對象，全面評估了陜西電網(wǎng)建設儲能電站的容量效益、電量效益，優(yōu)化了儲能時長，分析了陜西電網(wǎng)化學儲能電站的合理規(guī)模，研究成果可為與陜西電網(wǎng)境況類同的省區(qū)電網(wǎng)化學儲能電站的發(fā)展規(guī)模提供參考。

1 數(shù)學模型

1.1 研究思路

本文采用基于數(shù)學優(yōu)化的8 760 h生產(chǎn)模擬，以周為尺度，計算全年逐小時的運行狀態(tài)，分析流程如下：

首先，采用全時段8 760 h生產(chǎn)模擬，計算系統(tǒng)各種運行指標，采用等可靠性法計算化學儲能電站的容量效益和電量效益。儲能電站的容量效益是指儲能電站投入運行后會提高系統(tǒng)供電可靠性水平，如果保持原有的可靠性水平不變，則由于儲能電站的建設使得可以減少的一部分常規(guī)電源（火電）裝機規(guī)模。儲能電站的電量效益是指由儲能電站投入運行而使系統(tǒng)產(chǎn)生的降低新能源棄電量效益（最終體現(xiàn)在系統(tǒng)煤耗降低），具體計算見文獻［14］。

其次，采用全時段8 760 h生產(chǎn)模擬，優(yōu)化研究化學儲能的儲能時長，從而使化學儲能電站能發(fā)揮最大的效益。

最后，對電化學儲能電站進行國民經(jīng)濟評價，綜合考慮新能源棄電率約束、供電可靠性約束，分析陜西電網(wǎng)化學儲能電站的合理規(guī)模。

1.2 儲能效益成本分析

儲能效益包括電量效益、容量效益和環(huán)境效益，儲能的成本包括投資和運行維護費用［17-18］。

1.2.1 儲能效益

儲能的綜合效益為：

式中：EESS——儲能的綜合效益，元；Eecc——因儲能加入節(jié)約的系統(tǒng)煤耗成本即電量效益，元；Erpp——儲能的容量替代效益，元；Eep——儲能電站的環(huán)境效益，元。

1.2.1.1 電量效益

儲能電站投入運行后，通過將能量在時間上遷移，可顯著提高新能源接納能力，減少新能源棄電量，從而減少火電發(fā)電量及系統(tǒng)燃料消耗：

式中：Ff——加入儲能前全年的耗煤量，t；Ff-ess——加入儲能后全年的耗煤量，t；K——標煤單價，元/t。

1.2.1.2 容量效益

如前所述，容量效益是指儲能電站投入運行后，系統(tǒng)可以減少的常規(guī)電源的裝機容量，本文中按火電考慮。折算成經(jīng)濟指標，可用被儲能替代的火電裝機對應的投資等年值和年運行維護費。

式中：Cin,g——儲能替代火電裝機容量對應的投資等年值，元；Com,g——儲能替代火電裝機容量對應的年運行維護費，元。

式中：CRF(r,YG)——等年值系數(shù)；r——基準折現(xiàn)率；YG——火電機組壽命，a；PG——儲能加入前系統(tǒng)的火電裝機規(guī)模，kW；PG-ess——儲能加入后系統(tǒng)的火電裝機規(guī)模，kW；KG——火電的單位投資，元/kW。

式中：η——火電的運行維護費率。

1.2.1.3 環(huán)境效益

儲能電站投入運行后，可以降低煤炭消耗量，從而降低污染物排放，其環(huán)境效益為：

1.2.2 儲能成本

儲能在全生命周期的年成本費用為：

式中：CESS——儲能在全生命周期的年成本費用，元；CIN——儲能投資的等年值，元；COM——儲能的年運行維護成本，元。

式中：PESS——儲能的功率，kW；RESS——儲能的容量，kW·h；CP——儲能的功率的單位投資，元/kW；CE——儲能的容量的單位投資，元/kW·h；C(r,YC)——等年值系數(shù)；YC——儲能壽命，a。

式中：KO——儲能的單位功率年運行維護成本，元/kW；KM——儲能的單位容量年運行維護成本，元/kW·h；QESS——儲能的年發(fā)電量，kW·h。

1.2.3 儲能凈收益

儲能凈收益為：

式中：FESS——儲能凈收益，元；若FESS＞0，說明儲能投資是有效益的；若FESS＜0，說明儲能投資是不劃算的。

2 算例分析

2.1 研究基礎

本文涉及的經(jīng)濟指標如表1所示。其中標煤價格為中國電煤價格指數(shù)，按照熱值折算為標煤后，增加800元環(huán)境成本得來。

表1 經(jīng)濟測算指標

2.2 研究結果

2.2.1 容量效益及電量效益

以新能源利用率達95%的新能源規(guī)模作為基礎方案（風電裝機15 500 MW，光伏裝機16 000 MW），對該系統(tǒng)進行8 760 h生產(chǎn)模擬，測算新增500 MW×2 h、1 000 MW×2 h、1 500 MW×2 h和2 000 MW×2 h化學儲能電站時的容量效益及電量效益，生產(chǎn)模擬及儲能效益計算結果見表2?？梢钥闯觯?/p>

表2 化學儲能電站效益測算結果

（1）陜西新建500 MW×2 h化學儲能電站的容量效益為500 MW，火電裝機替代率為100%；電量效益方面，化學儲能電站電量損耗增加 0.3×108kW·h，新能源消納電量增加 3.3×108kW·h，火電電量減少 3×108kW·h，全系統(tǒng)標準煤年耗量減少7.3×104t。在全年最大火電開機典型周中，新建化學儲能電站后，火電最大出力下降，對應需要火電開機下降，體現(xiàn)出化學儲能電站對火電裝機的替代性，即容量替代效應。

（2）陜西新建1 000 MW×2 h化學儲能電站的容量效益為960 MW，火電裝機替代率為96%；電量效益方面，化學儲能電站電量損耗增加 0.6×108kW·h，新能源消納電量增加 5.3×108kW·h，火電電量減少4.7×108kW·h，全系統(tǒng)標準煤年耗量減少16.2×104t。

（3）陜西新建1 500 MW×2 h化學儲能電站的容量效益為1 120 MW，火電裝機替代率為75%；電量效益方面，化學儲能電站電量損耗增加 0.7×108kW·h，新能源消納電量增加7×108kW·h，火電電量減少 6.3×108kW·h，全系統(tǒng)標準煤年耗量減少21×104t。

（4）陜西新建2 000 MW×2 h化學儲能電站的容量效益為1 260 MW，火電裝機替代率為63%；電量效益方面，化學儲能電站電量損耗增加 1×108kW·h，新能源消納電量增加 8.5×108kW·h，火電電量減少7.5×108kW·h，全系統(tǒng)標準煤年耗量減少26.1×104t。

2.2.2 儲能合理時長選擇

調峰型化學儲能電站全部容量放電完畢需 1 h以上。此類電站的功率成本占比較低，主要成本體現(xiàn)在容量大小上，調整最大功率對總成本影響較小。相同容量的化學儲能電站，選擇不同的儲能時長，會對其在高比例新能源系統(tǒng)中的作用產(chǎn)生影響。測算陜西新增250 MW×4 h和500 MW×4 h化學儲能電站的效益，分別與500 MW×2 h、1 000 MW×2 h化學儲能電站結果作對比，計算結果見表3。

表3 儲能電站不同時長效益對比

陜西新增500 MW×2 h化學儲能電站，較250 MW×4 h方案容量效益提高250 MW，消納新能源電量增加1.2×108kW·h，儲能損耗電量增加0.1×108kW·h，火電電量減少1.1×108kW·h，煤耗減少0.2×104t；陜西新增1 000 MW×2 h化學儲能電站，較500 MW×4 h方案容量效應提高460 MW，消納新能源電量增加1.7×108kW·h，儲能損耗電量增加0.3×108kW·h，火電電量減少 1.4×108kW·h，煤耗減少 5.2×104t。

2.2.3 國民經(jīng)濟評價

表4給出了不同規(guī)?；瘜W儲能電站的國民經(jīng)濟效益?？梢钥闯?，建設同樣容量的儲能電站，選擇功率大、儲能時長短的方案較功率較小、儲能時長長的方案年費用提高不到10%，但效益遠大于費用支出，因此建議陜西建設化學儲能電站應采用 2 h時長。

建設2 000 MW×2 h以內規(guī)模的儲能電站，均具有正的國民經(jīng)濟效益，但隨著規(guī)模增大，增量部分效益逐漸降低。推薦儲能規(guī)模為1 000 MW×2 h。

表4 儲能電站國民經(jīng)濟比較

3 結論

本文研究了接入高比例新能源后陜西電網(wǎng)電化學儲能的需求和效益，采用新能源棄電量、火電發(fā)電量、儲能電源發(fā)電量、運行煤耗等多種指標全方位衡量化學0儲能的發(fā)電成本和效益。通過8 760 h生產(chǎn)模擬計算，陜西電網(wǎng)2025年建設1 000 MW×2 h化學儲能電站，可替代火電裝機960 MW，增加5.3×108kW·h新能源消納電量，降低系統(tǒng)年煤耗16×104t；從國民經(jīng)濟情況來看，陜西電網(wǎng)2025年建設1 000 MW×2 h電化學儲能電站的國民經(jīng)濟效益較優(yōu)。