BESS參與風電輔助服務市場效益敏感性分析

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(1.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.國網新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100； 3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000； 4.國網甘肅電力公司經濟技術研究院，甘肅 蘭州 730050；5.大連理工大學,遼寧 大連 116023)

0 引 言

全球化石能源的日益匱乏和自然環(huán)境的每況愈下，無形地促進了含風、光電在內的可再生能源產業(yè)的發(fā)展。然而，可再生能源出力十分不穩(wěn)定，波動幅度大，無益于電網的安全穩(wěn)定運行，為火、水電等傳統(tǒng)機組的調峰、調頻工作造成很大負擔。當前，在沒有清晰的輔助服務補償制度前提下，傳統(tǒng)機組正在無償為風電提供調峰、調頻輔助服務，對火電等傳統(tǒng)機組的利益提出了考驗，在一定程度上打消了常規(guī)機組提供電力輔助服務的積極性，影響了風電的大規(guī)模并網消納[1]。而儲能技術在電網中呈現(xiàn)出的包括削峰填谷、電能的時空轉移等多種應用方式，可以有效提升風電滲透率，解決電網高峰、低谷負荷的問題；同時，能夠通過合理的電價設計，促進電力市場自由化。

文獻[2-3]在儲能電池應用于跟蹤風電場計劃出力方面做了探索。文獻[4]通過分析處理儲能示范電場的實際數(shù)據，得到儲能電池是一種高效且適用的平抑風電波動方法的結論。文獻[5]研究了儲能電池在應用于平抑風電功率波動時的新的控制方法。文獻[6-8]均在風電場出力短期預測技術基礎上，進行了BESS在平抑風電出力波動方面的控制策略研究。文獻[9]提出一個虛擬電廠的概念，將風電場及儲能系統(tǒng)聯(lián)合起來調度管理，分析了儲能的工作方式，得出了儲能系統(tǒng)的收入和成本計算公式。

綜上，目前對電池儲能系統(tǒng)應用于電網建設的探索，還集中在風儲聯(lián)合系統(tǒng)中儲能的控制策略和容量配置研究上，而在制約電池儲能電站大規(guī)模發(fā)展的經濟性因素方面研究尚少，從行業(yè)發(fā)展來看，研究規(guī)模化電池儲能技術的經濟性是十分緊迫的需求。

為保證電力系統(tǒng)具有可靠的風電輔助服務提供能力，實現(xiàn)風電安全、經濟、高效的并網，亟需一種新的輔助服務電力市場模式，提高各機組提供輔助服務的積極性。下面在分析BESS參與風電輔助服務場景的過程中，提出了新的輔助服務市場模式。首先依據BESS的參與方式及參與量，建立其參與風電輔助服務的經濟效益模型。然后，在Excel中建立BESS收益敏感性分析模型，由此分析影響B(tài)ESS經濟效益的敏感因素，得到對BESS收益影響最大、最敏感的參數(shù)，得出減少不利因素影響、改善和提高項目的投資效果的結論。

1 BESS參與風電輔助服務場景分析

目前，隨著風電的大規(guī)模入網，棄風限電現(xiàn)象也越來越不容小覷，風電的安全可靠并網問題也得到了越來越多的關注。眾所周知，風電出力十分不穩(wěn)定，出力曲線大幅度波動情況多見，且結合負荷曲線分析時，頻繁發(fā)生反調峰威脅著電網的穩(wěn)定運行。因此，需要系統(tǒng)提供輔助服務來協(xié)同風電友好并網[10]，這里將此種輔助服務稱為風電輔助服務。

而現(xiàn)階段，中國并沒有成熟的輔助服務交易模式，尚且不能將輔助服務和電能服務分開來看[11]。同時也還無配合中國新能源規(guī)?；瘧玫难a償機制，這還處于示范試點研究階段。目前，中國已計劃實施一些電力輔助服務補償機制試點工程，分布在棄風現(xiàn)象較為嚴峻的東北、華北和西北等地區(qū)，相應地，也會對參與輔助服務的儲能系統(tǒng)提供商給予資金補償，補償方式方法沒有制度化[1]。

因此，下面效仿現(xiàn)有電能服務市場，提出一種新的輔助服務市場模式，如圖1所示。在此種模式下，提供輔助服務的傳統(tǒng)機組和儲能系統(tǒng)都可以在保證自身盈利的情況下，根據其輔助服務提供能力給出報價。把電池儲能電站看做獨立個體，和提供輔助服務的傳統(tǒng)機組競價上網。由上級調度安排上網計劃，以購電成本最小為目標，以電網安全穩(wěn)定為約束，選擇最佳的輔助服務提供方案。這種模式的一大優(yōu)點就是無需電力系統(tǒng)或輔助服務需求方提供輔助服務補償。

圖1 風電輔助服務提供機組參與方式

2 BESS市場效益建模

2.1 BESS的成本與收入構成

從分析BESS的成本、收入構成入手，研究BESS的市場效益。

首先，BESS的成本由初始投資成本和運行維護成本組成。采用相應的電池壽命值和折現(xiàn)率，將BESS全壽命周期內的成本進行分攤，與同一時間尺度下的運行維護成本相加，得到BESS的年均成本和日成本。

其次，BESS的收入包括容量收入、電量收入、環(huán)境效益和儲能電池回收收入等4部分，其中：容量收入與電池儲能電站容量有關，容量電價考慮采用兩部制電價中的容量電價計算方法，按補償儲能系統(tǒng)固定成本和準許收益的原則確定；電量收入由BESS參與風電輔助服務的參與量和其充、放電電價決定，BESS通過與常規(guī)機組競價的方式參與風電輔助服務，其輔助服務提供量根據調度機構的安全經濟分配得出；環(huán)境效益是指在采用BESS后減少污染物排放的效益，即其代替?zhèn)鹘y(tǒng)機組承擔輔助服務所減少的污染物、溫室氣體排放產生的效益；儲能電池回收收入是在儲能電站經過長期使用，達到其壽命極限時，對其金屬進行回收再利用的效益。

2.2 BESS市場效益建模

根據以上分析，建立BESS的市場效益模型如式(1)所示。

(1)

3 BESS市場效益敏感性分析

3.1多因素綜合變動對BESS日收益的影響分析

采用Microsoft Office Excel 2007 進行BESS投資收益的敏感性分析，建立BESS收益敏感性分析模型如圖2所示。

圖2 BESS收益敏感性分析模型

通過滾動條控制影響因素的變動百分比，進而控制因素變動后的值(百分比增加或減少1，代表影響因素增加或減少初始值的一倍)。根據日收益模型，以儲能放電電價、BESS額定容量、BESS額定功率三者為變量，建立BESS日收益與3個變量間的關系式，作為變動前BESS日收益及變動后BESS日收益的計算公式。

設定放電電價初始值為0.4元/(kW·h)，額定功率初始值為1 MW，額定容量初始值為1 MW·h。各影響因素經過一定變動，日收益也隨即變動。模型計算結果如圖3所示。

圖3 BESS收益敏感性分析計算1

當前，BESS放電電價為1.6元/(kW·h)，額定功率為3 MW，額定容量為3 MW·h，BESS日收益為4 390.748 41元。要分析多因素綜合變動對BESS日收益的影響，可將各因素增加其初始值的1倍，計算結果如圖4所示。

圖4 BESS收益敏感性分析計算2

由計算結果可見，日收益變?yōu)? 147.1元。則各因素變動其初始值的1倍時，BESS日收益變動了40%。繼續(xù)使各因素變動為其初始值的1～n倍時，得到BESS日收益變動曲線及敏感系數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 BESS收益敏感性分析計算3

由圖5可知，各因素綜合變動對BESS日收益影響的敏感系數(shù)由大變小，但始終大于1。

3.2 各因素變動對BESS日收益的影響分析

3.2.1放電電價對BESS日收益的影響

采用所建立的BESS投資收益的敏感性分析模型計算：保持BESS額定功率為3 MW，額定容量為 4 MW·h，建立放電電價變動對日收益變動影響的模擬運算表，根據其模擬運算表，建立單因素影響分析動態(tài)圖如圖6、圖7所示。

圖6 放電電價對BESS日收益的影響動態(tài)

圖7 放電電價變動曲線與其敏感系數(shù)曲線

放電電價由初始值0.4元/(kW·h)以0.4元/(kW·h)為變動量不斷增加時，由圖6可得結論：BESS的日收益隨著BESS放電上網電價的增加而增加。因素變動對日收益變動影響的敏感系數(shù)如圖7中實線所示。可見，當電價不斷增加的過程中，敏感系數(shù)不斷下降，但仍大于1，即表明日收益受電價變動的影響雖是逐漸減弱，卻依舊很大。

3.2.2 額定容量對BESS收益的影響

在調度機構進行輔助服務經濟分配時，存在儲能電池的容量約束。因此，電池容量對BESS參與風電輔助服務的提供量、日收益都有影響。若保持儲能電池額定功率為3 MW，單價為1.6元/(kW·h)不變，采用所建立的BESS投資收益的敏感性分析模型計算，建立額定容量變動對日收益變動影響的模擬運算表，并形成單因素影響分析動態(tài)如圖8、圖9所示。

圖8展現(xiàn)了BESS額定容量對日收益的影響趨勢。BESS日收益受額定容量不斷增大的影響，其值不斷減小，在額定容量等于約7.6 MW·h時，BESS收益存在過零點，BESS由盈利轉為虧損。圖9表現(xiàn)了額定容量由初始值1 MW·h并以1 MW·h為變動量不斷增加時，BESS額定容量變動對日收益的敏感系數(shù)的變化趨勢。敏感系數(shù)小于0，說明BESS日收益隨著額定容量變動向反方向變化；而額定容量在0～7.6 MW·h之間變動時，BESS收益，BESS日收益對于額定容量的變動越來越敏感；在額定容量大于7.6 MWh之后，BESS虧損，BESS虧損量對于額定容量的變動敏感性減弱，趨向于0。

圖8 額定容量對儲能電站日收益的影響趨勢

圖9 敏感系數(shù)曲線

3.2.3 額定功率對BESS日收益的影響

根據所建BESS收益數(shù)學模型，BESS的額定功率對其參與風電輔助服務的提供量有影響；同時，對其容量收入、初始投資成本影響也很大。

通過計算，在控制BESS額定容量為4 MW·h，單價為1.6元/(kW·h)不變時，采用所建立的BESS投資收益的敏感性分析模型計算，建立額定功率變動對日收益變動影響的模擬運算表。根據額定容量與日收益變動模擬運算表，建立單因素影響分析動態(tài)圖如圖10、圖11所示。由圖10可知，BESS額定功率與其日收益呈正比關系，額定功率越大，收益越大。由圖11可見，BESS額定功率變動對日收益的影響敏感系數(shù)隨著BESS額定功率的增大，呈對數(shù)形式增長，趨近于1，敏感度亦不大。

4 結 論

1)為順應風電的大規(guī)模發(fā)展，需要建立合理、有效的輔助服務市場機制，提出了一種新的輔助服務模式，其中BESS與常規(guī)機組同時上報其提供能力和報價，參與風電輔助服務的競價。在引導傳統(tǒng)機組提供電力輔助服務的同時，促進可再生能源和儲能產業(yè)的發(fā)展，保障電網的可靠運行。

圖10 額定功率對BESS日收益的影響動態(tài)

圖11 額定功率變動曲線與敏感系數(shù)曲線

2)針對所建BESS綜合經濟效益模型的敏感性分析可知，對BESS參與風電輔助服務的綜合經濟效益影響較大的3個因素分別為：放電電價、額定容量和額定功率，其中放電電價無疑是最為敏感的影響因素，符合利潤分析常理。

[1] 馬美婷. BESS參與風電輔助服務綜合經濟效益研究[D].烏魯木齊：新疆大學,2017.

[2] 靳文濤, 李蓓, 謝志佳. 電池儲能系統(tǒng)在跟蹤風電計

劃出力中的需求分析[J]. 儲能科學與技術,2013,2(3):294-299.

[3] 楊水麗, 李建林, 惠東,等. 用于跟蹤風電場計劃出力的電池儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J].電網技術,2014,38(6):1485-1491.

[4] Yoshimoto K, Nanahara T, Koshimizu G. Analysis of Data Obtained in Demonstration Test About Battery Energy Storage System to Mitigate Output Fluctuation of Wind Farm[C]// Integration of Wide-scale Renewable Resources into the Power Delivery System, 2009 CIGRE/IEEE PES Joint Symposium,2009:1-1.

[5] Jiang Q, Wang H. Two-time-scale Coordination Control for a Battery Energy Storage System to Mitigate Wind Power Fluctuations[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2013,28(1):52-61.

[6] Jiang Q, Gong Y, Wang H. A Battery Energy Storage System Dual-layer Control Strategy for Mitigating Wind Farm Fluctuations[J]. IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):3263-3273.

[7] 婁素華, 吳耀武, 崔艷昭,等. 電池儲能平抑短期風電功率波動運行策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014,38(2):17-22.

[8] 李蓓, 郭劍波. 平抑風電功率的電池儲能系統(tǒng)控制策略[J]. 電網技術, 2012,36(8):38-43.

[9] 閆濤, 渠展展, 惠東,等. 含規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)的商業(yè)型虛擬電廠經濟性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014,38(17):98-104.

[10] 馬美婷, 袁鐵江, 陳廣宇, 等.儲能參與風電輔助服務綜合經濟效益分析[J].電網技術,2016,40(11):3362-3367.

[11] 單茂華，李陳龍，梁廷婷，等．用于平滑可再生能源出力波動的電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略[J]．電網技術，2014，38(2)：469-477．

[12] 趙艷妮.基于VC++的電動汽車實驗數(shù)據分析系統(tǒng)設計[D].武漢:武漢理工大學,2010.