基于储能全寿命周期成本的调频经济性研究

王 凯

(福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108)

1 概述

在“双碳”的时代背景下，储能愈发成为电力系统平衡新能源出力的有效途径[1-2]。电化学储能具有安装不受地理位置限制、能实现秒级响应、功率可以双向流动等优势，被认为是辅助服务最好的提供者之一[3-4]。近年来，各省陆续颁布了系列储能商业化的利好政策，明确了储能作为辅助服务供应商的主体地位[5-6]。但储能在辅助服务市场中能否得到大规模应用的决定因素还在于其经济可行性[7]。

文献[8]探讨了电化学储能电站在能量市场套利的经济效益；文献[9]综述了国内外电池储能的运营现状，为未来储能的规模化发展提出建议；文献[10]讨论了储能辅助风机发电的经济性，发掘储能在新能源市场的应用价值。文献[11]分析了储能参与调峰调频市场的经济性，并给出储能容量的配置建议。上述文献论述了电池储能的应用价值和发展前景，指出储能在能量市场、辅助服务市场和作为辅助调节机组等方面具有良好的效益，但只是针对特定运行周期内的经济可行性进行论述。要全面考虑储能应用的经济性，需计及储能全寿命周期的各项成本[12-13]。为此，本文考虑了全寿命周期下的电化学储能收益，通过投资回收期等财务指标来对项目的经济性进行综合考量。为更直观地反映各因素对储能经济性的影响，本文还设置了多种情况下的敏感性分析，为今后调频储能项目决策起到一定参考。

2 储能全寿命周期成本

电池储能项目全生命周期成本由投资建设成本、更换成本、运行维护成本和回收价值构成，可通过项目周期内的年均成本评估电池储能成本。

2.1 初始投资成本

初始投资建设成本包括土建成本、电池系统安装成本等。现将土建成本、电池安装成本统一折算为综合建设成本，则电池储能的投资建设成本C1如下所示。

C1=EC=E(cb+coth)

(1)

式中，E为电池储能额定能量(MWh)；C为折算后的电池储能综合建设成本(元/MWh)；cb为电池本体成本；coth为储能电站基建等其余部分成本。

(2)

上式表示年均投资建设成本，其中i为贴现率(%)；N为项目周期(年)。

2.2 运行维护成本

运行维护成本包括人工成本和设备检修成本，本文按初始投资建设成本的一定比例计算，则年运维成本C2可表示为：

C2=γC1

(3)

式中，C2为储能年运维成本(元/年)，γ为运行维护成本系数(%)。

2.3 电池更换成本

电池储能电站的运营周期一般为20年，电池由于容量衰减在项目周期内需要进行更换，产生更换成本。根据上文的电池容量衰减模型可以得到电池的等效寿命Tsc，进而得到在项目运行周期内需要更换的次数kr，则电池储能在项目周期内第ki次的更换成本C3,i如式(4)所示。

C3,i=Ecb(1-α)kiTsc

(4)

式中，ki为电池第ki次更换；α表示电池系统安装成本年下降比例；Tsc为储能电池在不同循环深度下的使用寿命(年)。

因此，储能电池的年均更换成本C3_p为：

(5)

2.4 回收价值

电池寿命终结后可以回收有用金属获得回收价值。但目前电池的回收技术复杂，且成本较高，没有明确的回收价值。电池每次更换、项目到期可以产生回收价值。回收价值取同年电池更换成本的一定比例计算，则第i次回收的回收价值C4,i表示如下：

C4,i=ρEcb(1-α)kiTsc

(6)

式中，C4,i为储能第i次回收时的回收价值(元)；ρ为回收系数(%)。

因此，项目周期内总回收价值包括更换kr次电池得到的回收价值以及项目到期后电池的回收价值，则储能电池的年均回收价值为：

(7)

3 储能参与调频经济性分析

3.1 储能参与调频收益

根据《福建省电力调频辅助服务市场交易规则(试行)》(2019年修订版)，以第三方提供辅助服务的储能电站暂时参照常规机组标准参与调频市场，采用“容量补偿+里程补偿”的方式，则储能电站调频收益为:

WF=WC+WM

(8)

式中,WF为调频补偿收入；WC为容量补偿收入；WM为里程补偿收入。

(1)容量补偿

容量补偿根据储能调频容量定额补偿，计算方式为：

WC=PAGC·CC

(9)

式中：PAGC为储能自动发电控制AGC(Automatic Generation Control)可调节容量，取储能可投入AGC运行的调节容量上、下限之差(MW)；Cc为调频容量补偿价格(元/MW·月)。

下发给储能装置AGC指令的调节速率应为该时段电网所需的升、降功率速率，储能AGC指令调节的上下限为储能的额定充放电功率。在本文算例分析中取可获得最高省市调度管辖范围内每月960元/MW作为储能调频容量补偿价格。

(2)里程补偿

里程补偿按照储能实际调用里程以市场化竞价方式补偿，其计算方式为单位计费周期内调频市场出清价格、调频里程以及调频性能综合指标的乘积。

WM=M1·MF·K·CF

(10)

式中，M1为调频市场服务费总盘子调节系数；MF为调频里程；K为调频性能综合指标；CF为市场出清价格。

按照规定，调频市场服务费总盘子调节系数M的取值范围为0～2，参考当前各省调频市场，目前我国市场属于初期运行阶段，M暂取1。调频综合指标K与调节速率K1、响应时间K2、调节精度K3有关，储能的调节速率、调节精度与传统机组相比优势明显，响应时间暂不考虑与通信传输滞后、控制系统延迟有关，响应速度快。调频综合指标K计算公式为：

(11)

式中，K1、K2、K3分别是储能调节过程中的调节速率、调节精度、响应时间指标；K1max、K2max、K3max是所有机组中调节速率、调节精度、响应时间指标的最大值；B1、B2、B3分别为各项指标权重；A为综合性能指标调节系数。模拟运行期间A暂取3，B1、B2、B3各为1。

由于在额定功率范围内，成熟的储能系统可在极短时间内，以99%以上的精度完成指定功率的输出，调节偏差以及延迟等问题将不再出现，故K1、K2、K3均取其最大值，即K为最大值1。

WM,d=∑kfmPCF

(12)

上式表示储能里程补偿日收益，其中kf为每调度周期(15 min)平均调用次数；m为储能每次调用的平均调频里程系数；P为储能额定功率，CF为储能调频里程价格。

3.2 经济性评价指标

(1)内部投资回报收益率

内部投资回报收益率(IRR)是判别项目在经济上可行的主要动态指标之一[14]，等于项目运营期中净现值为0时的折现率。

(13)

式(13)中，N为项目运行周期(年)；CIN与COUT分别为现金流入与流出量(万元)；(CIN-COUT)t为第t年项目净现金流量(万元)。

(2)动态回收周期

动态回收周期可以衡量成本回收速度，是判别项目经济可行性的指标之一，计算公式如下：

(14)

式中，i为贴现率；TP为需要计算的动态投资回收期(年)。

4 算例分析

4.1 参数设置

本文主要依据前期已开展的储能工程可行性研究设计成果，并参考现有市场价格以及锂电池储能全生命周期成本模型的参数，储能电站的单位容量综合投资建设成本取2300元/kW·h，其中储能电池本体取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)；储能规模150MW/300MW·h；年运维及损耗成本按初期投资建设成本的1%计算；储能的充电效率取93.5%，放电效率取94.3%；电池系统更换成本年下降比例取5%；回收系数为5%；每年运行290天；贴现率6%。

根据某省储能调频调用情况，平均等效为每5分钟调用一次，每次调用比例m为0.7，取kf为3，根据某省调频市场的出清结果，取调频市场的出清价格为12元/MW。调频模式下每次调用等效循环深度较低，通常不足1%，由于储能在浅充浅放模式下寿命较长，根据文献[15]，储能在1%循环深度下的充放电次数可满足项目运营期内的要求，由此可认为在项目周期内储能本体无需更换，则储能调频收益分析参数选择如表1所示。

表1 储能调频收益分析计算参数

4.2 结果分析

经计算得到储能电站成本与收益结果，如表2所示(动态投资回报年限和项目内部收益率)。

表2 储能调频年收益情况

由表2可见，当储能每调度周期内平均调用3次，每次调用里程系数为0.7时，项目投资收益率为13.61%，投资回收期为9年，具有较好的投资经济性。

5 储能调频收益敏感性分析

储能调频收益主要受到调度周期内平均调用次数、单次调用平均里程、储能综合建设成本、里程出清价格的影响，下面对各个调频收益敏感因素进行分析。

5.1 平均调用次数、平均里程

若调度周期内平均调用次数、单次调用的平均里程不同，储能调频的经济性将受到影响。假设储能调频算例其余参数不变，改变平均调用次数kf、单次调用里程系数m，则平均调用次数、平均里程对调频收益敏感性如表3所示。

表3 考虑平均调用次数、平均里程变化的内部投资回报率

由表3可见，每调度周期平均调用次数、单次调用里程不同时，储能调频收益情况有较大波动。平均调用次数相同时，单次调频里程越大收益率越高。单次调频里程较低时，需合理制定调用次数，保证调频盈利；当单次调频里程较高时，平均调用次数越大，收益率越高。

5.2 单位容量综合投资建设成本、里程出清价格

储能单位容量综合投资建设成本与里程出清价格也会对项目经济性产生较大影响。假设储能调频算例其余参数不变，电池本体成本取综合建设成本的固定比例，不同综合建设成本与里程出清价格下的项目经济性如图1所示。

图1 投资回报率对单位容量综合投资建设成本和调频里程补偿的敏感性分析

由图1可看出，单位容量综合投资建设成本越低、里程出清价格越高，储能收益率越高。当储能综合建设成本较高时，调频里程价格若制定得过低则项目不具有经济可行性。随着储能成本的下降，可回收成本的里程价格也相应降低，当综合建设成本为2200元/kW·h时，里程出清价格取7元/MW即可维持基本收益率。

6 结论

考虑全寿命周期成本可以合理评估储能参与调频的经济性，当每个调度周期等效调用次数为2次，且每次调用里程系数为0.7时，项目投资收益率为7.34%，投资开始具有经济性。储能参与调频辅助服务市场的获利空间对自身充放电策略、电池本体价格和市场补偿价格较为敏感。在未来电池成本下降、储能参与辅助服务的政策更加完备时，储能参与调频的商业价值将更加凸显。