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谈电网侧储能电站应用场景及经济效益分析

更新时间:2024-05-21   点击次数:114次

谈电网侧储能电站应用场景及经济效益分析

王晓昭

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:为构建新型电力系统,满足高比例消纳新能源电力的客观需要。基于宁夏回族自治区固原市某大容量集中式储能示范项目(即“电网侧储能电站"),分析制定项目应用场景,提出构建共享储能商业模式,探索形成容量电价机制,分析项目的电力辅助服务市场收益,并对项目投资效益进行计算。分析结果表明:该项目投资在经济层面上基本可行,可为各类电力市场建设,以及健全电力辅助服务市场的交易品种与价格机制提供参考。

关键词:电网侧储能电站;应用场景;价格机制;投资效益分析;经济效益

0引言

近年来,中国西北部地区风、光资源富集,新能源发电装机容量大;而中东部地区经济发达,用电负荷高。为适应“源"与“荷"错位分布及大量风、光等新能源接入电网的现状,需要大力发展各类储能技术,突破传统电力系统中电力生产和消费“即发即用"的限制,以弥补电网在灵活调节性上的缺口,提升风、光等新能源电力的消纳能力。

随着电力系统集成和运行控制技术水平的提高,电化学储能电站规模可达百兆瓦级乃至吉瓦级,其大规模商业化应用条件日趋成熟,但作为新业态,新型储能电站的商业模式与价格机制尚未清晰。文献[1]梳理比较了国内外新型储能电站的价格机制与补偿机制,分析了不同模式下新型储能电站的经济性,并对中国新型储能电站的价格机制提出相关建议。文献[2]提出目前中国新型储能产业仍处于商业化和规模化发展初期,相关的市场机制和电价政策还不够完善存在成本疏导不畅、社会主动投资意愿不高等问题,亟须加快推动电力体制改革和全国统一电力市场体系建设,完善新型储能电站投资回报和成本疏导机制。文献[3]总结了国外典型独立式新型储能电站的价格机制的实践和经验,叙述了中国储能电站价格机制的相关探索,认为两部制电价模式和独立参与电力市场模式均难以支撑储能电站大规模商业化应用,并提出了基于传递因子的储能电站价格形成机制及成本疏导优化方法。上述文献对储能电站价格机制进行了理论性探索研究,但没有就具体投资实务提出价格机制及分析项目投资的可行性。

本文基于宁夏回族自治区(下文简称为“宁夏")固原市某大容量集中式储能示范项目(该项目为电网侧储能电站),分析电网现状与需求,研究建立电网侧储能电站应用场景,构建商业模式并尝试形成容量电价机制,据此分析该项目投资在经济层面上是否具有可行性。

1电网侧储能电站的应用场景研究

1.1电网现状与需求

宁夏电网骨干网为750/330/220kV等级,其中,750kV压为双回路环网结构;330kV压形成环网、双回链式的主辅结合结构,主要位于宁夏南部的吴忠市、中卫市、固原市等地区;220kV高压形成网格状结构,主要位于宁夏北部银川市、石嘴山市等地区。截至2021年底,宁夏电网中,火电总装机容量为29710MW,水电总装机容量为422MW,风电总装机容量为14548MW,光伏发电总装机容量约为13836MW,风、光新能源装机占比达48.5%。电网范围内风、光新能源装机容量规模仍持续快速增长,同时,负荷增长慢,可调节负荷容量有限且尚难充分调动,电力系统调峰资源不足,调节电源以火电为主、小容量水电为辅。新能源电力消纳能力已接近饱和、无法就近消纳等问题日趋严峻。储能电站可在风、光新能源电力的发电高峰时段充电,在发电低峰时段放电,可以随时存储电量并按需输出电量。电网可利用储能电站的削峰填谷能力,减少新能源发电量大或因新能源发电集中并网导致局部断面输电能力受限等造成的“弃电"现象,减少低谷时常规电源配置容量,为新能源电源的发展提供空间。宁夏电网急需利用电网侧储能电站的调节灵活性,弥补新能源发电的间歇性、波动性,促进电网灵活与安全可靠运行。

1.2示范项目概况

该电网侧储能电站位于固原市,紧邻330kV电网企业变电站。项目装机100MW/200MWh,储能系统为集装箱一体机,由储能变流升压一体机与储能电池集装箱组成。储能单元经过35kV变压后接入110kV升压站,并以1回110kV线路接入电网企业变电站。项目选用磷酸铁锂电池,其响应快、输出功率精度高、易控制、运行方式灵活,可满足电力系统调峰、调频、紧急功率支撑等多种应用需求。该储能电站已于2022年12月31日并网运行。

1.3应用场景选择

固原市“十四五"期间规划新建新能源装机容量约为2390MW,预计到2025年,固原市累计新能源装机容量将突破3GW,伴随风、光新能源装机容量逐渐增多,减少弃光、弃风率的任务也越来越重。考虑到宁夏及项目所在地新能源装机容量占比逐渐上升的趋势,并结合宁夏当地电力辅助服务市场运营规则,本项目应用场景重点选择为系统调峰与电力供需时间转移,重点解决新能源电力消纳和电力系统调峰问题,可为固原市新能源发电的继续开发与利用创造有利条件,辅助参与有功调频、无功调压等其他场景。

2价格机制分析

作为新技术、新业态的新型储能形式,电网侧储能电站大规模商业化需要解决一系列系统性问题,商业模式、成本分摊和回收机制是投资商的核心关切点。建立电网侧独立储能电站容量电价机制,逐步推动储能电站参与电力市场[4]是形成电网侧储能价格机制的政策鼓励方向。因此,本项目尝试建立共享储能商业模式,并参与市场电价机制。

2.1容量电价机制

对于电网侧储能价格机制的制定,主要参考抽水蓄能的价格机制。对抽水蓄能价格机制的指导意见是:坚持容量电价与电量电价两部制电价,容量电价补偿调峰成本外的其他成本与赚取合理利润,电量电价补偿调峰的运行成本,以定价为主,逐渐推向市场。由于抽水蓄能规模大、服务面广,具体实操仍存在价格核定参数确定、核定程序确定、电价费用分摊机制确定等诸多难题。相比于抽水蓄能电站,以电池为主的电网侧储能电站在建设时受限少、布置灵活,更易于通过市场形成价格机制。

共享储能商业模式以市场化通过对外提供储能电站容量租赁服务来分摊建设成本,探索构建电网侧储能电站容量电价机制。鉴于储能电站的只存储能源并不直接产生能源的本质,其资本金基准内部收益率参照抽水蓄能项目设定为6.5%,模拟项目各种生产状态,测算项目收入、成本和收益水平,确定该储能电站容量电价按照回收项目固定资产投资原则测算,并确定为对外招租的基准价。该储能电站单位成本约为200万元/MWh,部分核心电池部件寿命周期约为10年,按照寿命周期内静态回收计算分析,容量租赁基准价设定为20万元/MWh。鉴于该储能电站主要作用是增加新能源电力消纳及装机容量,按照“谁受益、谁承担"的原则,计划向新能源项目提供储能容量租赁服务。宁夏政策要求:新能源项目储能配置比例不低于10%、连续储能时长2h以上。从2021年起,储能设施与新能源项目同步投运。存量项目在2022年12月底前完成储能设施投运[5]。以市场化方式配置储能设施是政策引导的方向,截至2021年底,该储能电站所在区域风电装机容量为938.5MW,光伏发电装机容量为168MW,上述存量项目按政策要求需配置约100MW/200MWh的储能电站。因此,共享储能商业模式有政策引导与需求支撑,该储能电站也与新能源发电项目签署了租赁意向协议。后续希望建设公共的租赁市场平台,撮合市场参与方形成租赁交易。

2.2市场电价机制

新的电力改革目标要求加快电力中长期、现货、辅助服务市场体系建设,当下电网侧储能电站主要可参与电力辅助服务市场,按照市场规则提供有功平衡、无功平衡、事故应急及电网恢复等服务。宁夏电力辅助服务市场于2018年起试运行,现已正式公布了电力辅助服务市场运营规则,但仅明确了电储能参与调峰的价格机制。该储能电站当前只考虑参与辅助调峰服务。根据辅助调峰价格机制及当前调峰补偿价格现状分析,作为火电调峰1档电量调用后优先调用的调峰主体,调峰价格按照0.6元/kWh上限值申报,处于火电1、2档调峰上限值之间。后续将呼吁尽快健全电力辅助服务市场,扩大交易品种,完善相应价格机制,大化发挥新型储能电站的功效。

3投资效益分析

3.1项目成本分析

该储能电站建设内容包括储能系统、110kV升压站、110kV送出线路等,储能系统采用集装箱一体化方案,预制舱户外布置。测算该储能电站动态投资成本约为40000万元,折合单位投资成本为200万元/MWh,其中储能系统单位投资成本折合为150万/MWh。

3.2收入分析

该项目收入主要来自容量租赁与调峰补偿。考虑到该储能电站参与辅助调峰时应为容量租赁企业预留对应时段的新增发电空间,租赁容量按实际装机容量的50%考虑。基于宁夏电网年度负荷预测及电源装机规模,对该储能电站进行8760h的生产模拟,计算年充放电次数并模拟计算各年充放电量。

3.3成本分析

储能电站总成本由经营成本、折旧费、摊销费和财务费用构成。

3.3.1经营成本

该储能电站的经营成本是其日常运转的主要支出,由充放电损耗、检修费用、运行人员成本、其他运行管理费用组成。

1)充放电损耗按照“燃煤发电上网电价×(储能充电量–储能放电量)"计算。

2)检修费用包括电池系统、储能变流器、储能监控系统、输变电设备接入及辅助设施,检修费通常以费率计取,计算基准为不含建设期利息的固定资产值。10年需考虑电池大修回收、更换的费用。

3)运行人员成本按照少人值守原则,设置站长、主值、电站巡检等简单维护人员,以及厨师、清洁人员等,按定员6人考虑。

4)其他运行管理费用主要包括储能电站日常管理开支、对外售电开支及固定资产保险等。固定资产保险按费率计取,费率取0.05%;其余费用按照项目装机容量计算,应合理设立单位费用指标计算。

综合以上,计算得到该储能电站的年经营成本约为400万元。

3.3.2折旧费及摊销费

折旧费和摊销费的计算可按照各投资方的财务管理规定执行,采用常规直线法,按规定选取折旧、摊销年限,选取残值率进行计算。

3.3.3财务费用

该储能电站的财务费用主要为建设储能电站筹资发生的利息,包括建设期借款、流动资金借款、运营期短期借款所产生的利息。与意向银行沟通,该储能电站长期借款利率为3.5%,流动资金及短利率为3.25%,采用等额还本付息方式还款。

3.4盈利能力分析

盈利能力判定指标由项目资本金内部收益率体现。即在拟定的融资方案下,从项目资本金出资者整体的角度,确定其现金流入和现金流出,编制项目资本金现金流量表,利用资金时间价值原理进行折现,计算项目资本金内部收益率RFIR[6],计算式为:

按上述条件,通用财务评价软件测算,该储能电站的资本金内部收益率为6.6%,接近抽水蓄能电站的资本金内部收益率水平,项目投资在经济层面上基本可行。

4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制,优化了电池性能,提高电池寿命。系统支持Windows操作系统,数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜,也可以用于储能集装箱,是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

4.2适用场合

4.2.1系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.2.2工商业储能四大应用场景

1)工厂与商场:工厂与商场用电习惯明显,安装储能以进行削峰填谷、需量管理,能够降低用电成本,并充当后备电源应急;

2)光储充电站:光伏自发自用、供给电动车充电站能源,储能平抑大功率充电站对于电网的冲击;

3)微电网:微电网具备可并网或离网运行的灵活性,以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主,储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用;

4)新型应用场景:工商业储能积极探索融合发展新场景,已出现在数据、5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好,应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态,实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息,动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中,各子系统回路电参量主要有:三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值;状态参数主要有:开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理,使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理,能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警,并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面,包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况,包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求,也可将充电,储能及光伏系统信息进行显示。

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图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息,主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置,包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置,主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据,主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息,主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息,主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等,同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息,主要包括储能各模组的电芯电压与温度,并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息,主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息,主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用,变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

视频监控界面

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图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面,且通过不同的配置,实现预览、回放、管理与控制等。

 

4.4.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据,对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测,并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划,便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

4.4.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息,进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

基础参数计划曲线-一充一放

图17策略配置界面

4.4.5运行报表

应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数,报表中显示电参量信息应包括:各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

4.4.6实时报警

应具有实时报警功能,系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位,及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警,应能实时显示告警事件或跳闸事件,包括保护事件名称、保护动作时刻;并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

4.4.7历史事件查询

应能够对遥信变位,保护动作、事故跳闸,以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度(锂离子电池)、压力(液流电池)、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理,方便用户对系统事件和报警进行历史追溯,查询统计、事故分析。

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图20历史事件查询

4.4.8电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测,使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况,以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1)在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值;

2)谐波分析功能:系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率;应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电流含有率;

3)电压波动与闪变:系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值;应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线;应能显示电压偏差与频率偏差;

4)功率与电能计量:系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率;应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素;应能提供有功负荷曲线,包括日有功负荷曲线(折线型)和年有功负荷曲线(折线型);

5)电压暂态监测:在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时,系统应能产生告警,事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员;系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6)电能质量数据统计:系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据,包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

7)事件记录查看功能:事件记录应包含事件名称、状态(动作或返回)、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

4.4.9遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作,并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序,可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

4.4.10曲线查询

应可在曲线查询界面,可以直接查看各电参量曲线,包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

4.4.11统计报表

具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析;对系统运行的节能、收益等分析;具备对微电网供电可靠性分析,包括年停电时间、年停电次数等分析;具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

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图24统计报表

4.4.12网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态,能够完整的显示整个系统网络结构;可在线诊断设备通信状态,发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑,包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.4.13通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序,然后选择通信控制启动所有端口或某个端口,快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

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图26通信管理

4.4.14用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如遥控操作,运行参数修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限,为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

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图27用户权限

4.4.15故障录波

应可以在系统发生故障时,自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况,通过对这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条,每条录波可触发6段录波,每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形,总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

 

4.4.16事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据,包括开关位置、保护动作状态、遥测量等,形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件,当每个事件发生时,存储事故个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户和随意修改。

图29事故追忆

4.5系统硬件配置清单

5结论

在新能源装机容量占比大、系统调峰需求高的地区,合理配置大容量、中长时储能电站,是支撑构建新型电力系统、高比例消纳新能源电力的客观需要。本文基于大容量集中式电网侧储能示范项目,构建了共享储能商业模式,探索了市场化提供储能容量租赁服务,并构建了电网侧储能电站容量电价机制,推动储能电站参与相关电力市场。经计算分析,该项目投资收益尚可,在经济层面上基本可行。后续仍需加快各类电力市场建设进度,健全电力辅助服务市场的交易品种与价格机制,推动储能电站参与各类电力市场,发挥新型储能电站的作用。

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[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[8]陈晓勇,赵鹏,黎宇博,卢新军,高龙,李富强.基于实际案例的电网侧储能电站应用场景及经济效益分析