張 宇1，王承民2，劉 涌3，李宏仲4，衣 濤2
(1.國網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： 以接入配電網系統的儲能電站為研究對象，從全壽命周期成本的角度出發，建立了典型儲能電站的經濟效益模型。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經濟性的影響。結果表明，儲能電站安裝在負荷側時經濟性較佳，且系統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的綜合效益達到最大。
關鍵詞： 儲能電站；經濟效益；安裝位置；配置容量
0 引言
隨著智能電網的發展，大量的分布式電源接入智能配用電系統，城市地區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運行過程中的重要組成部分。電力系統在引入儲能環節后，可以有效地實現需求側管理，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運行穩定性、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中發揮重要作用，帶來重大變革。
社會經濟的不斷發展使電網負荷峰谷差日益增大，這嚴重影響了電力系統的經濟性，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建設、提供備用、低儲高發套利等方面的效益，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]則依據典型日負荷曲線分析了配電網中蓄電池儲能系統（BESS）在減少電網擴建容量和降低總網損等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，使用結合罰函數的粒子群優化算法進行求解，通過算例驗證了蓄電池的經濟性。參考文獻[4-5]分析了蓄電池儲能裝置在低儲高發套利、延緩電網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，分析了其產生的靜態效益、動態效益及防洪抗旱、節能環保、增發電量等多重效益。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，建立了包括發電側、電網側、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濟性評估。參考文獻[10]在分析儲能系統潛在收益的基礎上，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，對儲能的經濟性進行了研究。
以上對儲能電站的經濟效益分析中，只是單純地分析了儲能電站的接入對電網某方面效益的影響，并未建立儲能電站完備的經濟評價模型，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濟性：(1)將同一容量的儲能電站安裝在配網系統的不同位置；(2)在配網系統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展和廣泛應用，將有助于打破風電、光伏發電等的接入和消納的瓶頸問題，緩解電網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，提高電網供電可靠性。蓄電池儲能技術是實現電網互動化管理的有效手段，并有利于節能減排。
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。鋰電池由于受大規模集成技術難題的影響，一直沒有實現大容量的應用，但目前這一技術難題已經獲得了重大突破，大容量應用于儲能已經實現了試運行。鈉硫電池作為新興的儲能技術，具有能量密度高、效率高、環保、容量大等特點，已經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、循環壽命長等優點，廣泛應用于新能源領域和電力系統中。
（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。荷電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，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。
（2）鉛酸膠體電池：膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發展分類，在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變為膠態。膠體電池與常規鉛酸電池的區別，從最初理解的電解質膠凝，進一步發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：用較小的工業代價，制造出更優質的電池，其放電曲線平直，拐點高，比能量特別是比功率要比常規鉛酸電池高20%以上，壽命一般也比常規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。
（3）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。其原用作數碼設備電池，但因其有“電池記憶”問題且鎘有毒，己被多數歐洲國家禁用，屬于淘汰類產品。
（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境污染（不含有毒的鎘）。它被稱為是最環保的電池。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。
（5）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。鋰離子電池主要優點表現在：比能量高、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受力、安全環保等諸多優點。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獲得突破。
（6）鈉硫電池：鈉硫電池由熔融液態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%）、循環壽命比鉛蓄電池長等，但在工作過程中需要保持高溫。
（7）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，溶液流經液流電池，在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原與氧化反應。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、可實現快速充放電，且壽命長等優點。
2 儲能電站技術經濟模型分析
2.1 成本模型
（1）投資成本
儲能裝置的投資成本主要包括：規劃設計成本、物資采購成本以及工程建設成本。
其中規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模基本類似的情況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為電力傳輸系統以及能量轉換控制系統單位功率建造費用(萬元/MW)；Pmax為儲能電站的最大功率（MW）。
（2）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）減少電網擴建容量
通過在配電網中安裝BESS，可以使儲能站在用電低谷時對蓄電池進行充電，提高電網的負載率，而在用電高峰時，將儲存的電能釋放到電網中，實現部分負荷就地供電，減少配電網中傳輸的功率，從而使配電網所需擴建容量減少。所以它在減少電網擴建容量方面的收益等值到每年的現值E1可以表示為：
其中，Cd為配電網的單位造價(萬元/MW)；d為配電設備的固定資產折舊率；儲能裝置的儲能效率，包括并網設備的損耗和蓄電池的充放電損耗；Pmax為儲能系統長期最大充放電功率，即額定功率。
（2）減少電網網損費用
儲能系統在負荷低谷充電、負荷高峰放電，從而實現削峰填谷，拉平負荷曲線，提高負荷率。研究表明，儲能系統在拉平負荷曲線的過程中，能有效地減少系統的總網損。則儲能裝置的安裝所減少的電網網損費用為：
荷峰期電網網損節約費用：
在儲能電站的整個壽命周期中，系統在減少電網網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總網損，?
分別為安裝儲能電站前后荷谷期間的系統總網損；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，實現其顯性經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；ei為i小時段的電價。
（4）新能源并網備用容量
由于新能源發電的隨機性會給電網帶來沖擊，需要電網中配備更多的備用容量來應對新能源發電的波動，儲能電站可以快速調節其消耗/發出的功率，從而可以更好地替代常規電源作為新能源發電的備用容量。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系統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充電的持續時間（h）。
（5）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后的配電網進行經濟效益分析，研究儲能電站的安裝位置和配置容量對系統綜合效益的影響。下面對算例配網系統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的不同位置；(2)在配網的同一位置配置不同容量的儲能電站。使用上述經濟效益模型對各種情況下的系統經濟效益進行評估和對比。
3.1 算例描述
該配網是某區域的一條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，節點較多，有兩塊重負荷區域，分別為：節點23、25處和節點24處。該配網系統的日負荷曲線如圖1所示。
由圖1可以看出，該配網系統的峰時間可取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的節點2、5、12、14、23和25處。其中，節點2和5位于電源側，節點12和14處于配網線路的中間位置，而節點23和25屬于負荷區域。通過仿真計算，可以得到儲能電站安裝于節點2處時，配網系統的成本效益組成及其綜合效益如表2所示。同理可得其他節點處的系統經濟效益值。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，配網系統的潮流發生一系列的變化，從而影響系統的網損變化。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，是最不經濟的一種選擇。所以，儲能電站的安裝位置會影響配網系統的綜合效益，在負荷側安裝時經濟性最好，而綜合效益的不同主要體現在減少電網網損費用上。
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濟，所以在節點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綜合效益的影響。表3所示為儲能電站容量為1 MW時，配網系統的成本效益組成及其綜合效益。同理可得其他節點處的系統經濟效益值，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，其在減少電網網損費用、低儲高發套利、新能源并網備用容量、減少電網擴建容量和減少缺電成本所產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狀，分析了目前發展較為成熟的幾種蓄電池儲能裝置的優缺點。從蓄電池的技術特性出發，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濟效益分析模型。分別通過以下兩種情況在算例系統中接入儲能電站：(1)將同一容量的儲能電站安裝在配網系統的不同位置；(2)在配網系統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濟效益，而且其接入端越靠近負荷側，經濟性越好；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的綜合效益最大。
參考文獻
[1] KAZEMPOUR S J，MOGHADDAM M P.Economic viability of NaS battery plant in a competitive electricity market[C].2009 International Conference on Clean Electrical Power.Capri，Italy，2009：453-459.
[2] OUDALOV A，CHARTOUNI D，OHLER C，et al.Value analysis of battery energy storage applications in power systems[C].2006 IEEE PES Power Systems Conference andExposition，Atalanta，GA，USA，2006：2206-2211.
[3] 顏志敏，王承民，鄭健，等.配電網中蓄電池儲能系統的價值評估模型[J].電力自動化設備，2013，33(2)：57-61.
[4] LEOU Rongceng.An economic analysis model for the energystorage systems in a deregulated market[C].IEEE Interna-tional Conference on Sustainable Energy Technologies，2008：744-749.
[5] REDRRODT R C，ANDERSON M D，KLUCZNY R M.Economic models for battery energy storage:improvements for existing methods[J].IEEE Trans on Power Systems，1990，5(4)：659-665.
[6] CHACRA F A，BASTARD P，FLEURY G，et al.Impact of energy storage costs on economical performance in a distri-bution substation[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，20(2)：684-691.
[7] MIYAUCHI H，TASHIRO D.Value evaluation of ancillary service offered by energy storage systems[C].Transmission & Distribution Conference and Exposition：Asia and Pacific，2009.Seoul，Korea，2009：1-4.
[8] 馮雁敏，陳守峰，張雪源.某混合式抽水蓄能電站綜合效益研究[J].水電能源科學，2012，30(2)：159-163.
[9] 熊雄，楊仁剛，葉林，等.電力需求側大規模儲能系統經濟性評估[J].電工技術學報，2013，28(9)：224-230.
[10] 孫振新，劉漢強，趙喆，等.儲能經濟性研究[J].中國電機工程學報，2013，33(增刊)：54-58.