張  宇1，王承民2，劉  涌3，李宏仲4，衣  濤2

　　(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.上海交通大學，上海200240；3.上海博英信息科技有限公司，上海200240；4.上海電力學院 電氣工程學院，上海200090）

　　摘  要： 以接入配電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能電站為研究對象，從全壽命周期成本的角度出發(fā)，建立了典型儲能電站的經(jīng)濟效益模型。對比分析了儲能電站的安裝位置變化和配置容量變化分別對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。結果表明，儲能電站安裝在負荷側時經(jīng)濟性較佳，且系統(tǒng)的綜合效益并不是隨著儲能電站配置容量的增加而增大，存在著一個最佳配置容量使系統(tǒng)的綜合效益達到最大。

　　關鍵詞： 儲能電站；經(jīng)濟效益；安裝位置；配置容量

0 引言

　　隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，大量的分布式電源接入智能配用電系統(tǒng)，城市地區(qū)電能需求與新增傳輸通道的矛盾越來越大，儲能技術的重要性日益提高。儲能技術已被視為電網(wǎng)運行過程中的重要組成部分。電力系統(tǒng)在引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側管理，消除晝夜峰谷差，平衡負荷，不僅可以有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以促進可再生能源的利用，也可以作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術的應用必將在智能配用電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，帶來重大變革。

　　社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展使電網(wǎng)負荷峰谷差日益增大，這嚴重影響了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性，而這一問題的解決依賴于儲能技術的應用。要確定儲能電站的安裝是否合理，就有必要對儲能電站的經(jīng)濟效益進行研究。

　　參考文獻[1]較為全面地考慮了鈉硫電池儲能裝置在延緩電網(wǎng)建設、提供備用、低儲高發(fā)套利等方面的效益，并建立了其成本效益模型。參考文獻[2]對蓄電池儲能裝置在削峰、功率平衡和調節(jié)負荷三方面的價值及投資成本進行了建模分析。參考文獻[3]則依據(jù)典型日負荷曲線分析了配電網(wǎng)中蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）在減少電網(wǎng)擴建容量和降低總網(wǎng)損等5個方面的效益，并與其投資成本和運行維護成本共同建立了綜合價值評估模型，使用結合罰函數(shù)的粒子群優(yōu)化算法進行求解，通過算例驗證了蓄電池的經(jīng)濟性。參考文獻[4-5]分析了蓄電池儲能裝置在低儲高發(fā)套利、延緩電網(wǎng)擴建和降低輸電阻塞三方面的價值。參考文獻[6]建模分析了蓄電池儲能裝置在提供輔助服務、延緩電網(wǎng)擴建和提高設備利用率等方面的效益。參考文獻[7]主要對儲能裝置所提供的輔助服務價值進行了評估。參考文獻[8]以混合式抽水蓄能電站為例，分析了其產(chǎn)生的靜態(tài)效益、動態(tài)效益及防洪抗旱、節(jié)能環(huán)保、增發(fā)電量等多重效益。參考文獻[9]在考慮電池充放電深度及壽命的儲能電站初始投資、運行維護成本計算模型的基礎上，建立了包括發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側及政府補貼的儲能電站收益計算模型，并通過實際算例對安裝于電力需求側的儲能電站進行了經(jīng)濟性評估。參考文獻[10]在分析儲能系統(tǒng)潛在收益的基礎上，提出了評估儲能成本的重要指標，并結合國內電力市場的情況建立了合適的分析模型，對儲能的經(jīng)濟性進行了研究。

　　以上對儲能電站的經(jīng)濟效益分析中，只是單純地分析了儲能電站的接入對電網(wǎng)某方面效益的影響，并未建立儲能電站完備的經(jīng)濟評價模型，也沒有研究儲能電站安裝位置和配置容量的變化對系統(tǒng)綜合效益的影響。本文在建立儲能電站綜合效益評價模型的基礎上，通過算例分兩種情況研究儲能電站的經(jīng)濟性：(1)將同一容量的儲能電站安裝在配網(wǎng)系統(tǒng)的不同位置；(2)在配網(wǎng)系統(tǒng)的同一位置配置不同容量的儲能電站。

1 儲能電站的特點

　　儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力等部門的重視，在智能配用電系統(tǒng)中，蓄電池儲能技術是備受矚目的一項關鍵技術。蓄電池儲能技術的發(fā)展和廣泛應用，將有助于打破風電、光伏發(fā)電等的接入和消納的瓶頸問題，緩解電網(wǎng)巨大峰谷差造成的調峰壓力，降低配套輸電線路容量的投資建設需求。同時還能消除分布式電源的功率波動，改善電能質量，提高電網(wǎng)供電可靠性。蓄電池儲能技術是實現(xiàn)電網(wǎng)互動化管理的有效手段，并有利于節(jié)能減排。

　　目前具有代表性、技術比較成熟的儲能蓄電池技術主要有：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池（包括釩電池、鋅溴電池）。其中鉛酸電池歷史最為悠久，技術成熟而且成本低，但受能量密度和使用壽命的限制以及環(huán)境污染的負面影響，逐漸被淘汰。鎳鎘電池由于會造成重金屬污染而被更具環(huán)保性的鎳氫電池取代，主要應用于動力電池領域。鋰電池由于受大規(guī)模集成技術難題的影響，一直沒有實現(xiàn)大容量的應用，但目前這一技術難題已經(jīng)獲得了重大突破，大容量應用于儲能已經(jīng)實現(xiàn)了試運行。鈉硫電池作為新興的儲能技術，具有能量密度高、效率高、環(huán)保、容量大等特點，已經(jīng)獲得了越來越多的關注和應用，是最具潛力的儲能技術之一。液流電池具有容量大、效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于新能源領域和電力系統(tǒng)中。

　　（1）鉛酸閥控電池：電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸閥控電池由于自身結構上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。其主要市場為汽車、電動車等機動啟動用蓄電池領域，近年來在通信、郵電、電力和鐵路交通等方面也有極大應用。

　?。?）鉛酸膠體電池：膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類，在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別，從最初理解的電解質膠凝，進一步發(fā)展至電解質基礎結構的電化學特性研究，以及在板柵和活性物質中的應用推廣。其最重要的特點為：用較小的工業(yè)代價，制造出更優(yōu)質的電池，其放電曲線平直，拐點高，比能量特別是比功率要比常規(guī)鉛酸電池高20%以上，壽命一般也比常規(guī)鉛酸電池長一倍左右，高溫及低溫特性要好得多。近年來膠體電池逐步進入鉛酸電池市場，在各領域都有應用，但主要被推薦在大型儲能市場方面使用。

　?。?）鎳鎘電池：鎳鎘電池是采用金屬鎘作為負極活性物質、氫氧化鎳作為正極活性物質的堿性蓄電池。鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。其內部抵制力小，即內阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。其原用作數(shù)碼設備電池，但因其有“電池記憶”問題且鎘有毒，己被多數(shù)歐洲國家禁用，屬于淘汰類產(chǎn)品。

　　（4）鎳氫電池：鎳氫電池是由鎳鎘電池改良而來，其能吸收氫的金屬代替鎘（Cd）。它以相同的價格提供比鎳鎘電池更高的電容量、比較不明顯的記憶效應以及比較低的環(huán)境污染（不含有毒的鎘）。它被稱為是最環(huán)保的電池。但是與鋰離子電池比較時，卻有比較高的記憶效應，以及較高的自我放電反應。鎳氫電池比碳性或堿性電池有更大的輸出電流，相對地更適合用于高耗電產(chǎn)品，某些型號甚至比鎳鎘電池有更大輸出電流。目前鎳氫電池主要作為動力電源使用，同時在通訊電子設備電源方面也有一定的運用。

　?。?）鋰電池：鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰離子電池主要優(yōu)點表現(xiàn)在：比能量高、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受力、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點。由于安全性等原因，目前鋰電池只大量運用于手機、電腦電源等小型設備，很少用于動力電源。近期隨著磷酸亞鐵鋰技術的成熟，鋰電池用于儲能功能的技術瓶頸已經(jīng)獲得突破。

　?。?）鈉硫電池：鈉硫電池由熔融液態(tài)電極和固體電解質組成，構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極的活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽。由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。鈉硫電池的主要特點是能量密度大（是鉛蓄電池的3倍）、充電效率高（可達到80%）、循環(huán)壽命比鉛蓄電池長等，但在工作過程中需要保持高溫。

　?。?）液流電池（包括釩電池、鋅溴電池）：液流電池的活性物質可溶解分裝在兩大儲存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應。此化學反應為可逆的，因此有多次充放電的能力。此系統(tǒng)的儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應面積。由于兩者可以獨立設計，因此系統(tǒng)設計的靈活性大而且受設置場地限制小。液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系，液流電池電化學極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、儲能容量大、能夠100%深度放電、可實現(xiàn)快速充放電，且壽命長等優(yōu)點。

2 儲能電站技術經(jīng)濟模型分析

　　2.1 成本模型

　?。?）投資成本

　　儲能裝置的投資成本主要包括：規(guī)劃設計成本、物資采購成本以及工程建設成本。

　　其中規(guī)劃設計成本即為可研及初設費；物資采購成本包括設備費、運輸費、監(jiān)測裝置費；工程建設成本包括設計費、建設安裝費以及驗收費。

　　設備費和運輸費是與儲能裝置的容量有關的參量，其他各個成本分量在工程規(guī)?；绢愃频那闆r下不會有較大的變化。

　　C1=CA Pmax+Cp Pmax(1)

　　其中，CA為單位儲能的費用(萬元/MW)；Cp為電力傳輸系統(tǒng)以及能量轉換控制系統(tǒng)單位功率建造費用(萬元/MW)；Pmax為儲能電站的最大功率（MW）。

　?。?）運行維護成本

　　儲能裝置的運行維護成本包括：運行成本、檢修維護成本和故障成本。

　　運行成本包括運行損耗費用、日常巡視檢查費；檢修維護成本包括備件倉儲費用、大修費用、維護費用；故障成本包括設備損失費和間接損失費。

　　C2=(Cy+Cw)Pmax(2)

　　其中Cy、Cw分別為能量存儲系統(tǒng)的單位運行費用和單位維護費用(萬元/MW)。

　　2.2 效益模型

　　（1）減少電網(wǎng)擴建容量

　　通過在配電網(wǎng)中安裝BESS，可以使儲能站在用電低谷時對蓄電池進行充電，提高電網(wǎng)的負載率，而在用電高峰時，將儲存的電能釋放到電網(wǎng)中，實現(xiàn)部分負荷就地供電，減少配電網(wǎng)中傳輸?shù)墓β剩瑥亩古潆娋W(wǎng)所需擴建容量減少。所以它在減少電網(wǎng)擴建容量方面的收益等值到每年的現(xiàn)值E1可以表示為：

　　其中，Cd為配電網(wǎng)的單位造價(萬元/MW)；d為配電設備的固定資產(chǎn)折舊率；儲能裝置的儲能效率，包括并網(wǎng)設備的損耗和蓄電池的充放電損耗；Pmax為儲能系統(tǒng)長期最大充放電功率，即額定功率。

　?。?）減少電網(wǎng)網(wǎng)損費用

　　儲能系統(tǒng)在負荷低谷充電、負荷高峰放電，從而實現(xiàn)削峰填谷，拉平負荷曲線，提高負荷率。研究表明，儲能系統(tǒng)在拉平負荷曲線的過程中，能有效地減少系統(tǒng)的總網(wǎng)損。則儲能裝置的安裝所減少的電網(wǎng)網(wǎng)損費用為：

　　荷峰期電網(wǎng)網(wǎng)損節(jié)約費用：

　　在儲能電站的整個壽命周期中，系統(tǒng)在減少電網(wǎng)網(wǎng)損費用方面的收益為：

　　E2=Wh0+Wl1(6)

　　其中，分別為安裝儲能電站前后荷峰期間的系統(tǒng)總網(wǎng)損，?分別為安裝儲能電站前后荷谷期間的系統(tǒng)總網(wǎng)損；th、tl分別為荷峰、荷谷時間(h)；eh、el分別為峰、谷電價(萬元/ MW·h)；N為儲能電站的壽命。

　　（3）低儲高發(fā)套利

　　在峰谷電價下，儲能裝置在負荷低谷、電價較低時充電，而在負荷高峰、電價較高時放電，在這個低價儲電、高價賣出的過程中，實現(xiàn)其顯性經(jīng)濟收益的年值可表示為：

　　其中，分別為第i小時段儲能裝置的放電功率和充電功率(負荷低谷時凈充電，負荷高峰時凈放電)；n為儲能裝置年投運次數(shù)；ei為i小時段的電價。

　?。?）新能源并網(wǎng)備用容量

　　由于新能源發(fā)電的隨機性會給電網(wǎng)帶來沖擊，需要電網(wǎng)中配備更多的備用容量來應對新能源發(fā)電的波動，儲能電站可以快速調節(jié)其消耗/發(fā)出的功率，從而可以更好地替代常規(guī)電源作為新能源發(fā)電的備用容量。為方便計算，將儲能裝置理想化為均勻充放電，則在充放電期間，其剩余電量在0～Pmax T之間的概率分布為均勻分布，其儲存電量期望值為0.5Pmax T，即儲能裝置可用于調節(jié)系統(tǒng)功率的電量期望值為0.5Pmax T。所以有：

　　E4=0.5Pmax Tes(8)

　　其中， es為備用容量的價格(萬元/（MW·a）)； T為儲能裝置以功率Pmax充電的持續(xù)時間（h）。

　?。?）減少缺電成本

　　儲能裝置帶來的可靠性效益難以直接定性評估，但儲能電站安裝于配電站中，可以在停電時作為應急電源為部分重要用戶繼續(xù)供電，減少該配電站的用戶停電損失。為便于衡量和計算，可將缺電成本用由于電力供給不足或中斷引起用戶缺電、停電而造成的經(jīng)濟損失來表示。

　　E5=0.5Pmax T(1-As)RIEA(9)

　　其中As為配電站供電可靠度，RIEA為用戶停電損失評價率(萬元/MW·h)。

　　2.3 經(jīng)濟效益分析模型

　　綜合以上分析，儲能電站的價值評估模型如下：

　　Es=E1+E2+E3+E4+E5-C1-C2(10)

3 算例驗證

　　為了對儲能電站接入系統(tǒng)后的配電網(wǎng)進行經(jīng)濟效益分析，研究儲能電站的安裝位置和配置容量對系統(tǒng)綜合效益的影響。下面對算例配網(wǎng)系統(tǒng)分兩種情況進行驗證分析：(1)將同一容量的儲能電站安裝于配網(wǎng)的不同位置；(2)在配網(wǎng)的同一位置配置不同容量的儲能電站。使用上述經(jīng)濟效益模型對各種情況下的系統(tǒng)經(jīng)濟效益進行評估和對比。

　　3.1 算例描述

　　該配網(wǎng)是某區(qū)域的一條10 kV配電線路，該條線路有62個配變，最長供電半徑達到4 km；10 kV線路采用電纜與架空混合接線，其中母線出線端多以電纜為主；10 kV架空線主干線的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線路主干線的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節(jié)點較多，有兩塊重負荷區(qū)域，分別為：節(jié)點23、25處和節(jié)點24處。該配網(wǎng)系統(tǒng)的日負荷曲線如圖1所示。

　　由圖1可以看出，該配網(wǎng)系統(tǒng)的峰時間可取13小時，對應圖中的8：45～21:45，谷時間取8小時，對應凌晨0:00～8:00。

　　3.2 綜合效益分析及對比

　　表1所示為儲能電站的相關參數(shù)及其取值。

　　3.2.1 變化儲能電站的安裝位置

　　將容量為0.3 MW的儲能電站分別安裝于算例系統(tǒng)的節(jié)點2、5、12、14、23和25處。其中，節(jié)點2和5位于電源側，節(jié)點12和14處于配網(wǎng)線路的中間位置，而節(jié)點23和25屬于負荷區(qū)域。通過仿真計算，可以得到儲能電站安裝于節(jié)點2處時，配網(wǎng)系統(tǒng)的成本效益組成及其綜合效益如表2所示。同理可得其他節(jié)點處的系統(tǒng)經(jīng)濟效益值。圖2為儲能電站安裝位置的變化對其綜合效益的影響。

　　當儲能電站的安裝位置變化時，受影響的主要是降低網(wǎng)損方面的收益，其原因是隨著儲能電站安裝位置的不同，配網(wǎng)系統(tǒng)的潮流發(fā)生一系列的變化，從而影響系統(tǒng)的網(wǎng)損變化。通過對比分析可知，當儲能電站安裝在負荷側時，系統(tǒng)的綜合效益達到最大值；在靠近電源側安裝儲能電站，是最不經(jīng)濟的一種選擇。所以，儲能電站的安裝位置會影響配網(wǎng)系統(tǒng)的綜合效益，在負荷側安裝時經(jīng)濟性最好，而綜合效益的不同主要體現(xiàn)在減少電網(wǎng)網(wǎng)損費用上。

　　3.2.2 變化儲能電站的配置容量

　　由于儲能電站安裝于負荷側時更加經(jīng)濟，所以在節(jié)點23處分別配置容量為0.1 MW、0.3 MW、0.5 MW、0.7 MW、1 MW、1.5 MW的儲能電站。通過仿真計算，觀察儲能電站配置容量的不同對系統(tǒng)綜合效益的影響。表3所示為儲能電站容量為1 MW時，配網(wǎng)系統(tǒng)的成本效益組成及其綜合效益。同理可得其他節(jié)點處的系統(tǒng)經(jīng)濟效益值，圖3為儲能電站配置容量的變化對其綜合效益的影響。

　　隨著儲能電站配置容量的增加，其在減少電網(wǎng)網(wǎng)損費用、低儲高發(fā)套利、新能源并網(wǎng)備用容量、減少電網(wǎng)擴建容量和減少缺電成本所產(chǎn)生的收益也逐漸增加，但相應的投資成本和運行維護成本也會增長。圖3中呈現(xiàn)的趨勢是遞增的，但是綜合效益隨著配置容量的增長幅度是先增后減的，即并不是儲能電站配置的容量越大越好，總存在一個最優(yōu)容量使綜合效益得到最大值。所以，從整體上分析，安裝儲能電站具有良好的經(jīng)濟價值。

4 結論

　　本文結合國內外對蓄電池儲能技術的研究現(xiàn)狀，分析了目前發(fā)展較為成熟的幾種蓄電池儲能裝置的優(yōu)缺點。從蓄電池的技術特性出發(fā)，結合設備的全壽命周期成本理念，建立了較為全面的儲能電站經(jīng)濟效益分析模型。分別通過以下兩種情況在算例系統(tǒng)中接入儲能電站：(1)將同一容量的儲能電站安裝在配網(wǎng)系統(tǒng)的不同位置；(2)在配網(wǎng)系統(tǒng)的同一位置配置不同容量的儲能電站。結果表明，儲能電站的接入確實能夠帶來一定的經(jīng)濟效益，而且其接入端越靠近負荷側，經(jīng)濟性越好；而儲能電站的配置容量并不是越大越好，隨著配置容量的增加，雖然各項收益呈現(xiàn)增長趨勢，但其成本也越來越高，綜合效益增長的幅度越來越小。因此，肯定存在一個儲能電站的最佳容量使系統(tǒng)的綜合效益最大。

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