考慮火電深度調(diào)峰的多類型儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性分析

張松巖，苗世洪，尹斌鑫，姚福星，王廷濤

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢市 430074；2.電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢市 430074)

0 引 言

大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔能源已經(jīng)成為世界各國(guó)的重要戰(zhàn)略共識(shí)。以風(fēng)電為例，截至2020年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.81億kW，占全部發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的12.79%[1]。然而，風(fēng)電具有間歇性、隨機(jī)性和反調(diào)峰性等不友好特性，其高比例并網(wǎng)進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)的等效峰谷差，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大的沖擊與挑戰(zhàn)[2]。在此背景下，風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)逐年降低，棄風(fēng)限電現(xiàn)象日益嚴(yán)重，社會(huì)和風(fēng)電企業(yè)要求火電機(jī)組參與深度調(diào)峰的呼聲越來(lái)越高。

為了充分挖掘火電機(jī)組的調(diào)峰潛力，緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，國(guó)家能源局于2016年6—7月下達(dá)了兩批次火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知，開(kāi)啟了我國(guó)火電靈活性改造和深度調(diào)峰的序幕[3]。同時(shí)，東北能源監(jiān)管局和甘肅、福建、山東等省份也陸續(xù)出臺(tái)了一系列關(guān)于火電機(jī)組調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的相關(guān)政策[4]。這些機(jī)制和政策有效提升了火電機(jī)組靈活性改造和參與深度調(diào)峰的積極性，各發(fā)電廠紛紛開(kāi)始探求改善火電機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力的手段和方法。

在此背景下，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為重要的靈活調(diào)節(jié)資源和調(diào)峰手段受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。尤其是隨著儲(chǔ)能技術(shù)的日益成熟以及儲(chǔ)能成本的不斷下降，儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)峰已成為研究熱點(diǎn)。如現(xiàn)行的《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行規(guī)則》就鼓勵(lì)供熱電廠(或引進(jìn)第三方)投資建設(shè)儲(chǔ)能調(diào)峰設(shè)施，火電企業(yè)或第三方在計(jì)量出口處建設(shè)的儲(chǔ)能設(shè)施，視為深度調(diào)峰措施，在深度調(diào)峰交易中抵減機(jī)組出力進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算及補(bǔ)償[5]。因此，火電機(jī)組配置一定的儲(chǔ)能設(shè)施，不僅可以有效滿足系統(tǒng)有償調(diào)峰輔助服務(wù)的需求，甚至還可以獲得深度調(diào)峰補(bǔ)貼，提升火電企業(yè)運(yùn)行收益。在這種情況下，如何結(jié)合各類型儲(chǔ)能裝置的自身特點(diǎn)，分析不同類型儲(chǔ)能技術(shù)輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于發(fā)電廠合理選擇儲(chǔ)能類型并配置儲(chǔ)能容量具有重要意義。

文獻(xiàn)[6]對(duì)比分析了全壽命周期內(nèi)多種儲(chǔ)能的調(diào)峰效益，提出了儲(chǔ)能參與調(diào)峰的成本效益分析模型。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了一種新的調(diào)峰效益評(píng)估體系，并據(jù)此評(píng)估了抽水蓄能電站與核電站聯(lián)合運(yùn)行所帶來(lái)的調(diào)峰效益。但上述文獻(xiàn)中僅考慮了火電機(jī)組的常規(guī)調(diào)峰，未考慮火電機(jī)組的深度調(diào)峰特性；且對(duì)于儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益的測(cè)算大多較為籠統(tǒng)，鮮有結(jié)合各類型儲(chǔ)能電站自身特點(diǎn)，借助經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果詳細(xì)對(duì)比分析儲(chǔ)能引入對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

文獻(xiàn)[8-9]在高比例風(fēng)電接入背景下開(kāi)展了電池儲(chǔ)能電站輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性分析，并給出了相關(guān)政策建議。文獻(xiàn)[10]提出了一種儲(chǔ)能與正常調(diào)峰、深度調(diào)峰和投油調(diào)峰等常規(guī)手段優(yōu)化組合調(diào)峰的實(shí)用方法。文獻(xiàn)[11]提出了一種電池儲(chǔ)能電站輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰的分層優(yōu)化調(diào)度方案，分析了儲(chǔ)能削峰填谷作用對(duì)于火電機(jī)組深度調(diào)峰的改善情況。文獻(xiàn)[12]分析了電池儲(chǔ)能引入前后對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰效果的影響和火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)峰各項(xiàng)成本及收益的變化。文獻(xiàn)[13]綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰能力及火電機(jī)組深度調(diào)峰作用，提出了一種儲(chǔ)能輔助電網(wǎng)調(diào)峰的容量配置方案并開(kāi)展了儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)[14]建立了基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的風(fēng)-光-水-火-儲(chǔ)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。然而，上述文獻(xiàn)中的儲(chǔ)能電站類型主要考慮電化學(xué)儲(chǔ)能，鮮有涉及抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等大規(guī)模物理儲(chǔ)能，且對(duì)于電池儲(chǔ)能電站的運(yùn)行模型往往考慮得較為簡(jiǎn)略，忽略了儲(chǔ)能電池變壽命特性的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先選擇抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和鋰離子電池儲(chǔ)能作為儲(chǔ)能代表，建立3種儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模型。其次，考慮火電機(jī)組的深度調(diào)峰特性，建立火電機(jī)組的運(yùn)行模型和經(jīng)濟(jì)性模型。在上述模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。最后，基于某地區(qū)的四季典型日數(shù)據(jù)在改進(jìn)IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)完成算例分析，對(duì)比分析不同類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，并給出新能源場(chǎng)站的儲(chǔ)能配置建議。

1 各類型儲(chǔ)能電站系統(tǒng)運(yùn)行模型

目前適用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能和鋰離子電池儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能等電化學(xué)儲(chǔ)能。根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2020年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模191.1 GW。其中，抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大(約占比90.3%)，電化學(xué)儲(chǔ)能緊隨其后(約占比7.5%)；在各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大(約占比92.0%)[15]。除此之外，壓縮空氣儲(chǔ)能作為除抽水蓄能外另一種已具備商業(yè)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)，也被公認(rèn)為是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向之一[16]。

因此，綜合考慮各類型儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)特性及發(fā)展應(yīng)用前景，選擇抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和鋰離子電池儲(chǔ)能3種儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)展輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。下面依次構(gòu)建幾種儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)運(yùn)行模型。

1.1 抽水蓄能電站系統(tǒng)運(yùn)行模型

抽水蓄能電站利用水的勢(shì)能作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，具有出色的上下爬坡能力和工況轉(zhuǎn)換速度。其從滿載抽水工況轉(zhuǎn)換到滿載發(fā)電工況僅需6～8 min，緊急情況下可以將時(shí)間縮減至2.0～3.5 min[17]。因此，在日前調(diào)度過(guò)程時(shí)可以忽略抽水蓄能電站的爬坡約束、啟停約束和工況轉(zhuǎn)換約束，在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)約束模型。

抽水蓄能電站的運(yùn)行約束主要包括抽水工況運(yùn)行約束、發(fā)電工況運(yùn)行約束、水庫(kù)運(yùn)行約束及庫(kù)容上下限約束等。抽水蓄能電站系統(tǒng)運(yùn)行模型的具體約束表達(dá)式可以參考文獻(xiàn)[18-20]。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能電站系統(tǒng)運(yùn)行模型

此處的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具體是指先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件主要包括：多級(jí)壓縮機(jī)、多級(jí)膨脹機(jī)、儲(chǔ)氣室、換熱器、蓄熱裝置、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[21]。

圖1 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of advanced adiabatic compressed-air energy storage system

與抽水蓄能電站類似，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站同樣具備出色的上下爬坡速率和工況轉(zhuǎn)換速度，因此在日前調(diào)度的過(guò)程中同樣可以忽略壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的爬坡約束、啟停約束等[16]。下面介紹考慮儲(chǔ)氣室氣壓變化影響的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站的部分關(guān)鍵約束：

1)壓縮機(jī)約束。

PCAESC,minuCAESC,t≤PCAESC,t≤PCAESC,maxuCAESC,t

(1)

(2)

式中：PCAESC,max和PCAESC,min分別為壓縮機(jī)出力的上限和下限；TCAESC,in,i、TCAESC,out,i分別為第i級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)、出口氣體溫度；κ為空氣的比熱比；βc,i為第i級(jí)壓縮機(jī)的額定壓縮比；ηc為膨脹效率；uCAESC,t為時(shí)段t時(shí)壓縮機(jī)工作狀態(tài)的二進(jìn)制變量，其值為1表示壓縮機(jī)工作，為0表示壓縮機(jī)空閑。

2)膨脹機(jī)約束。

PCAESG,minuCAESG,t≤PCAESG,t≤PCAESG,maxuCAESG,t

(3)

(4)

式中：PCAESG,max和PCAESG,min分別為膨脹機(jī)出力的上限和下限；TCAESG,in,i、TCAESG,out,i分別為第i級(jí)膨脹機(jī)的進(jìn)、出口氣體溫度；βg,i為第i級(jí)膨脹機(jī)的額定膨脹比；ηg為膨脹效率；uCAESG,t為時(shí)段t時(shí)膨脹機(jī)工作狀態(tài)的二進(jìn)制變量，其值為1表示膨脹機(jī)工作，為0表示膨脹機(jī)空閑。

3)儲(chǔ)氣室約束。

關(guān)于儲(chǔ)氣室約束，本文將儲(chǔ)氣室氣壓變化對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的影響考慮在內(nèi)。將儲(chǔ)氣室氣壓按照上下限劃分為3段，依據(jù)每段氣壓的中間值計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率氣壓系數(shù)?？紤]到儲(chǔ)氣室出口一般會(huì)配置穩(wěn)壓閥，所以儲(chǔ)氣室氣壓變化對(duì)于膨脹工況幾乎沒(méi)有影響[21]，僅對(duì)壓縮工況具有一定影響。

(5)

(6)

pst,min≤pst,t≤pst,max

(7)

除此之外，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行約束還包括單一運(yùn)行工況約束、蓄熱裝置約束和備用約束等，具體約束表達(dá)式可以參考文獻(xiàn)[21]。

1.3 考慮壽命損耗的電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)運(yùn)行模型

不同于循環(huán)壽命相對(duì)固定的抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，鋰離子電池儲(chǔ)能的循環(huán)壽命受系統(tǒng)的充放電倍率、電池荷電狀態(tài)和放電深度等因素的影響較大[22-23]。因此在儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性分析過(guò)程中將電池儲(chǔ)能的變壽命特性考慮在內(nèi)，能夠極大地提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。

目前關(guān)于電池壽命損耗模型的研究大致可以分為3類：一是基于電池本身的物理化學(xué)模型，二是基于加權(quán)安時(shí)法的壽命模型，三是面向事件的電池老化積累模型[23]。相較而言，面向事件的電池老化積累模型不受電池加工工藝和設(shè)計(jì)流程的限制，具有較好的通用性，本文將采用這種模型來(lái)計(jì)算電池的循環(huán)壽命。儲(chǔ)能電池的循環(huán)壽命由以下冪函數(shù)決定[22]：

Nlife=N0(DOD，cyc)-kp

(8)

式中：Nlife表示儲(chǔ)能電池壽命終止時(shí)的循環(huán)次數(shù)；N0表示電池以100%放電深度放電時(shí)的全壽命循環(huán)次數(shù)；DOD，cyc為電池實(shí)際循環(huán)放電深度；N0和kp均為電池出廠固有參數(shù)。

電池儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)并不會(huì)每次均以100%放電深度進(jìn)行充放電，因此需要將每次不同深度的放電循環(huán)折算為100%放電深度下的等效全循環(huán)次數(shù)，單次等效全循環(huán)次數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下所示：

(9)

式中：neq,t表示時(shí)段t時(shí)儲(chǔ)能電池的等效全循環(huán)放電次數(shù)；DOD,cyc,t表示時(shí)段t時(shí)儲(chǔ)能電池的循環(huán)放電深度；SOC,BES,t-1表示時(shí)段t-1時(shí)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)；SBES,t表示時(shí)段t時(shí)儲(chǔ)能電池充放電循環(huán)動(dòng)作的二進(jìn)制變量，其值為1表示電池發(fā)生充放電循環(huán)。SBES,t具體約束表達(dá)式如式(10)：

(10)

表1 儲(chǔ)能電池充放電過(guò)程Table 1 Operating status of SCSM

電池儲(chǔ)能電站的等效循環(huán)壽命為：

(11)

式中：Neq表示儲(chǔ)能電池的日等效全循環(huán)次數(shù)；T為典型日調(diào)度周期時(shí)段數(shù)；TBES,cyc為電池儲(chǔ)能電站循環(huán)壽命。

此外，儲(chǔ)能電站還存在固定服務(wù)年限即浮充壽命，電池儲(chǔ)能電站的最大循環(huán)壽命不得超過(guò)其浮充壽命TBES,flo，故有：

TBES,cyc≤TBES,flo

(12)

電池儲(chǔ)能電站的運(yùn)行約束除了循環(huán)壽命約束之外，還包括充放電功率上下限約束、充放電運(yùn)行狀態(tài)約束、荷電狀態(tài)約束和備用約束等約束。這些約束的表達(dá)式與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的較為類似，在此不再贅述。

2 考慮深度調(diào)峰的火電機(jī)組運(yùn)行模型及經(jīng)濟(jì)性模型

火電機(jī)組深度調(diào)峰是指火電機(jī)組在最小技術(shù)出力的基礎(chǔ)上，通過(guò)犧牲機(jī)組性能或者借助外界投油等手段進(jìn)一步下調(diào)出力，以提升火電機(jī)組調(diào)峰能力，為風(fēng)電上網(wǎng)提供空間[24]。根據(jù)燃燒時(shí)的穩(wěn)燃介質(zhì)可以將火電機(jī)組的深度調(diào)峰分為不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰，其中前者一般為機(jī)組額定容量的50%左右，后者一般不得低于30%[25]，火電機(jī)組各階段調(diào)峰過(guò)程如圖2所示。考慮火電機(jī)組的深度調(diào)峰特性，建立火電機(jī)組的運(yùn)行模型和經(jīng)濟(jì)性模型，具體如下所示。

圖2 火電機(jī)組調(diào)峰過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of peak-shaving process of thermal power units

2.1 考慮深度調(diào)峰的火電機(jī)組運(yùn)行模型

考慮深度調(diào)峰的火電機(jī)組運(yùn)行模型主要包括火電機(jī)組的出力上下限約束、爬坡約束、啟停時(shí)間約束和備用約束等，具體表達(dá)式如下所示。

1)機(jī)組出力上下限約束。

(13)

(14)

2)機(jī)組爬坡約束和啟停時(shí)間約束。

(15)

3)機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用約束。

(16)

(17)

2.2 考慮深度調(diào)峰的火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性模型

在火電機(jī)組深度調(diào)峰的過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)子將承受較大的交變熱應(yīng)力，經(jīng)過(guò)一定周次的循環(huán)之后，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子疲勞累積以致斷裂，因此在深度調(diào)峰過(guò)程中需要考慮火電機(jī)組的磨損壽命損失成本。除此之外，當(dāng)機(jī)組參與投油深度調(diào)峰時(shí)，鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、水動(dòng)力工況安全性都會(huì)迅速下降，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法穩(wěn)定燃燒，此時(shí)需要投油助燃以保證機(jī)組安全運(yùn)行，這將會(huì)帶來(lái)額外的投油成本[24-25]。另一方面，為了促進(jìn)火電機(jī)組積極參與深度調(diào)峰服務(wù)，引導(dǎo)各發(fā)電企業(yè)推進(jìn)火電機(jī)組靈活性改造，我國(guó)山西、新疆和東北等地區(qū)相繼實(shí)施了調(diào)峰輔助服務(wù)機(jī)制，依據(jù)調(diào)峰深度對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)貼[4]。

因此，深度調(diào)峰火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性模型一方面需要考慮火電機(jī)組的燃料成本CG,run、啟動(dòng)成本CG,start和備用成本CG,reserve這些機(jī)組基本運(yùn)行成本，這些成本的具體表達(dá)式可以參考文獻(xiàn)[21]；另一方面則需要考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰損耗成本CG,DP、深度調(diào)峰投油成本CG,DPRO和深度調(diào)峰補(bǔ)貼收益EG這些附加成本等，這些成本表達(dá)式如下所示。

1)火電機(jī)組深度調(diào)峰損耗成本。

基于轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗機(jī)理，結(jié)合轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性，進(jìn)行機(jī)組低周疲勞壽命損耗計(jì)算。借鑒Manson-Coffin公式，火電機(jī)組深度調(diào)峰機(jī)組損耗成本計(jì)算表達(dá)式如下[10,25]：

(18)

式中：β1和β2分別為不投油/投油深度調(diào)峰階段的火電機(jī)組運(yùn)行影響系數(shù)；SBuy,Gi表示火電機(jī)組i的購(gòu)置成本；NF,Gi,t為時(shí)段t時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次，其值與機(jī)組實(shí)際出力PGi,t密切相關(guān)，兩者的經(jīng)驗(yàn)公式如下[10]。

NF,Gi,t=0.005 778(PGi,t)3-2.682(PGi,t)2+
484.8PGi,t-8 411

(19)

2)火電機(jī)組深度調(diào)峰投油成本。

(20)

式中：Qoil,i,t表示時(shí)段t時(shí)火電機(jī)組i參與投油深度調(diào)峰時(shí)的油耗量；Soil為油價(jià)。

3)火電機(jī)組深度調(diào)峰補(bǔ)償收益。

(21)

式中：f1和f2分別為火電機(jī)組不投油/投油深度調(diào)峰的單位電量補(bǔ)償電價(jià)。

3 考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰的多類型儲(chǔ)能日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

在上述模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建多類型儲(chǔ)能日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并據(jù)此開(kāi)展多類型儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。模型以系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式如下：

(22)

式中：fWc為棄風(fēng)懲罰成本；PfW,t和PsW,t分別為時(shí)段t時(shí)的風(fēng)電預(yù)測(cè)出力和風(fēng)電實(shí)際調(diào)度出力。系統(tǒng)運(yùn)行總成本主要包括火電機(jī)組總運(yùn)行成本CG、儲(chǔ)能電站總成本CESS,X和棄風(fēng)成本CW_cut3部分。火電機(jī)組的各類型成本的具體表達(dá)式如2.2節(jié)所述，在此不再贅述。下面分別介紹儲(chǔ)能系統(tǒng)的各類型成本以及系統(tǒng)運(yùn)行約束的具體表達(dá)式。

3.1 多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型

儲(chǔ)能電站的總成本主要包括儲(chǔ)能電站投建成本CInv,X、運(yùn)維成本COM,X和置換成本CRep,X，各成本的具體表達(dá)式如下所示：

1)儲(chǔ)能電站投建成本。

儲(chǔ)能電站投建成本主要包括各類型儲(chǔ)能電站關(guān)鍵設(shè)備的購(gòu)置成本，具體計(jì)算表達(dá)式如下：

(23)

(24)

式中：r為折現(xiàn)率；Tpro為工程周期年限。

2)儲(chǔ)能電站運(yùn)維成本。

儲(chǔ)能電站的運(yùn)維成本可以分為年固定運(yùn)維成本和可變運(yùn)維成本，前者主要由儲(chǔ)能電站的規(guī)模大小決定，而后者則與儲(chǔ)能電站的能量吞吐量有關(guān)。

(25)

式中：fOM,X,fix和fOM,X,var分別對(duì)應(yīng)類型X儲(chǔ)能電站的年化單位固定運(yùn)維成本和單位可變運(yùn)維成本。

3)儲(chǔ)能電站置換成本。

抽水蓄能電站和壓縮空氣儲(chǔ)能電站的工作壽命較長(zhǎng)，一般可以達(dá)到30～40 a，此處假定兩種電站的工作壽命均為40 a。而鋰離子電池儲(chǔ)能電站的浮充壽命相對(duì)較短，且受儲(chǔ)能電池的循環(huán)放電深度影響較大，其工作壽命往往在15 a以下，因此電池儲(chǔ)能電站需要考慮額外的置換成本。儲(chǔ)能電站置換成本的具體計(jì)算表達(dá)式如下[26]：

(26)

式中：k為工程周期內(nèi)的儲(chǔ)能電池的置換總次數(shù)，當(dāng)其為非整數(shù)時(shí)，向上取整。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行約束

系統(tǒng)的運(yùn)行約束主要包括系統(tǒng)功率平衡約束和系統(tǒng)備用約束，具體表達(dá)式可以參考文獻(xiàn)[21]，在此不再贅述。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

本文基于改進(jìn)的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)開(kāi)展仿真分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]，風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能電站接入原系統(tǒng)23節(jié)點(diǎn)處。在經(jīng)濟(jì)性比較分析過(guò)程中各類型儲(chǔ)能電站依次接入。各類型儲(chǔ)能電站系統(tǒng)參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18-22]，成本特性參數(shù)如表2所示[17,19-21,27]。計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃成本時(shí)，工程周期設(shè)置為40 a，折現(xiàn)率取8%。設(shè)置棄風(fēng)懲罰成本為200 美元/MW[28]。

火電機(jī)組參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]和[21]，正常運(yùn)行最小機(jī)組出力、不投油和投油深度調(diào)峰最小出力分別為最大機(jī)組出力的60%、45%和30%[10]。不投油和投油深度調(diào)峰階段火電機(jī)組的運(yùn)行影響系數(shù)分別為1.2和1.5，油價(jià)取為6 130元/t，機(jī)組單位造價(jià)成本為636.81美元/kW，投油深度調(diào)峰油耗量為4.8 t/h[10]?；痣姍C(jī)組不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰的單位電量補(bǔ)償電價(jià)分別為0.2元/(kW·h)和0.4元/(kW·h)[5]。

由于風(fēng)電和負(fù)荷具有較為明顯的季節(jié)性特性，因此本文風(fēng)電和負(fù)荷數(shù)據(jù)參考了我國(guó)某地區(qū)四季典型日的相關(guān)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[28]。根據(jù)四季典型日在一年內(nèi)所占的比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到系統(tǒng)一年的日均運(yùn)行成本，用以說(shuō)明儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)運(yùn)行所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)[26]，春夏秋冬四季在一年中所占的比例分別設(shè)置為0.17、0.33、0.17和0.33。假設(shè)負(fù)荷預(yù)測(cè)和風(fēng)電出力預(yù)測(cè)的最大誤差為5%和20%[16]。

表2 各類型儲(chǔ)能成本特性參數(shù)Table 2 Cost characteristic parameters of different types of energy storage

4.2 算例結(jié)果分析

為了詳細(xì)對(duì)比分析各類型儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性，本文設(shè)置了4種場(chǎng)景以作對(duì)比：

場(chǎng)景1，無(wú)任何儲(chǔ)能電站參與，僅考慮具備深度調(diào)峰能力的常規(guī)火電機(jī)組和風(fēng)電參與；場(chǎng)景2—4，在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上分別加入抽水蓄能電站、壓縮空氣儲(chǔ)能和鋰離子電池儲(chǔ)能電站。

場(chǎng)景1主要分析了不考慮儲(chǔ)能電站參與時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行情況。表3中展示了四季典型日下場(chǎng)景1中各項(xiàng)成本費(fèi)用的仿真結(jié)果，其中“綜合”表示根據(jù)四季典型日的年均占比計(jì)算得到的系統(tǒng)日均運(yùn)行成本，收益等效于成本的負(fù)值。

分析表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不考慮儲(chǔ)能參與時(shí)，系統(tǒng)具有較為嚴(yán)重的棄風(fēng)情況。在風(fēng)電大發(fā)而負(fù)荷較低的春季時(shí)的系統(tǒng)棄風(fēng)成本占比甚至達(dá)到27%，綜合一年四季的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的日均棄風(fēng)成本為71 508美元，約占系統(tǒng)總成本的10.1%。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，火電機(jī)組的深度調(diào)峰機(jī)組損耗和投油成本之和約占系統(tǒng)總成本的3.4%，深度調(diào)峰補(bǔ)貼收益約占機(jī)組深度調(diào)峰總成本的64.4%，說(shuō)明有部分深度調(diào)峰的成本將由火電機(jī)組本身承擔(dān)。

場(chǎng)景2—4對(duì)比分析了不同類型儲(chǔ)能電站接入對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行成本仿真結(jié)果如表4所示。

分析表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能電站引入之后雖然帶來(lái)了額外的投資成本和運(yùn)維成本，但系統(tǒng)的總經(jīng)濟(jì)效益仍然得到了有效改善?；痣姍C(jī)組的運(yùn)行成本、備用成本以及深度調(diào)峰機(jī)組損耗成本等各項(xiàng)成本均出現(xiàn)了不同程度的降低，其中火電機(jī)組的備用成本和深度調(diào)峰相關(guān)成本下降較為明顯，分別至少下降了約27.6%和31.2%。進(jìn)一步分析可知，場(chǎng)景2系統(tǒng)的總成本下降最多，約下降了13.9%；場(chǎng)景4系統(tǒng)的總成本下降最少，約下降了10.4%。除此之外，儲(chǔ)能引入之后系統(tǒng)的棄風(fēng)現(xiàn)象也得到了明顯的抑制，系統(tǒng)的棄風(fēng)成本普遍下降了80%以上。

為便于分析，將儲(chǔ)能電站投資成本與運(yùn)維成本之和稱為儲(chǔ)能電站投資運(yùn)維成本，將儲(chǔ)能電站引入之后系統(tǒng)總運(yùn)行成本的下降值稱為儲(chǔ)能電站運(yùn)行效益。

表3 不同典型日下場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行成本Table 3 System operating costs in different typical days in scenarios 1 美元

表4 各場(chǎng)景系統(tǒng)運(yùn)行成本仿真結(jié)果Table 4 System operating costs in different scenarios 美元

與此同時(shí)，引入儲(chǔ)能電站產(chǎn)出投入比的概念，即儲(chǔ)能電站運(yùn)行效益與投資運(yùn)維成本之比。各類型儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比情況如表5所示。分析表中的數(shù)據(jù)可以看出：目前抽水蓄能電站的總體經(jīng)濟(jì)效益仍然處于領(lǐng)先地位，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能電站，最后是鋰離子電池儲(chǔ)能電站。

表5 不同場(chǎng)景下的儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析Table 5 Economic benefit analysis of energy storage system in different scenarios

下面以冬季典型日為例，分析不同場(chǎng)景下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)比說(shuō)明不同儲(chǔ)能電站引入所帶來(lái)的影響。場(chǎng)景1—4系統(tǒng)冬季典型日的運(yùn)行情況分別如圖3—6所示。

分析圖3可以看出：當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有儲(chǔ)能時(shí)，火電機(jī)組承擔(dān)了全部的調(diào)節(jié)任務(wù)和備用需求，火電機(jī)組深度調(diào)峰較為頻繁；并且深度調(diào)峰往往發(fā)生在負(fù)荷低谷期，此時(shí)火電機(jī)組開(kāi)機(jī)較少且出力一般較低，而風(fēng)電往往在此時(shí)大發(fā)，因此需要進(jìn)一步壓低火電機(jī)組出力來(lái)為風(fēng)電消納提供空間。

分析圖4—6可以看出：儲(chǔ)能電站引入之后，系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力大幅度提升，火電機(jī)組深度調(diào)峰頻率明顯下降，同時(shí)一部分系統(tǒng)備用任務(wù)也被分擔(dān)出去了。

進(jìn)一步分析可以看出，儲(chǔ)能電站往往在風(fēng)電大發(fā)或者負(fù)荷低谷期時(shí)充電，在負(fù)荷高峰期時(shí)放電，靈活的雙向調(diào)節(jié)能力有效減少了火電機(jī)組的頻繁啟停和深度調(diào)峰，同時(shí)促進(jìn)了風(fēng)電的大規(guī)模消納，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 場(chǎng)景1中系統(tǒng)冬季典型日運(yùn)行情況Fig.3 Winter operation of the system in scenario 1

圖4 場(chǎng)景2中系統(tǒng)冬季典型日運(yùn)行情況Fig.4 Winter operation of the system in scenario 2

圖5 場(chǎng)景3中系統(tǒng)冬季典型日運(yùn)行情況Fig.5 Winter operation of the system in scenario 3

圖6 場(chǎng)景4中系統(tǒng)冬季典型日運(yùn)行情況Fig.6 Winter operation of the system in scenario 4

然而，不同類型儲(chǔ)能電站對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行具有不同的影響。結(jié)合表4中的數(shù)據(jù)，分析圖4—6可以發(fā)現(xiàn)：

1)就降低火電機(jī)組運(yùn)行成本和備用成本而言，鋰離子電池儲(chǔ)能最具優(yōu)勢(shì)。這主要是由于鋰離子電池儲(chǔ)能具有較高的能量循環(huán)效率(約為86%)和寬廣的功率調(diào)節(jié)范圍。其不僅可以利用其寬廣的調(diào)節(jié)范圍承擔(dān)系統(tǒng)大部分的備用容量，減少系統(tǒng)備用成本；還可以輸出額定功率下的任意功率，滿足系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)需求，使得系統(tǒng)可以安排經(jīng)濟(jì)性較好而爬坡能力相對(duì)較差的火電機(jī)組，從而降低火電機(jī)組運(yùn)行成本。

相較而言，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)受限于技術(shù)成熟度等因素，其循環(huán)效率相對(duì)較低(約為56%)，故其降低火電機(jī)組運(yùn)行成本的效益較差。而抽水蓄能電站的抽水工況輸出功率可調(diào)節(jié)范圍較小，電站抽水功率往往接近額定功率，提供系統(tǒng)負(fù)備用能力較弱，因此其降低火電機(jī)組備用成本的效益較差。

2)就減少火電機(jī)組啟停成本、深度調(diào)峰相關(guān)成本和促進(jìn)風(fēng)電大規(guī)模消納而言，壓縮空氣儲(chǔ)能最具優(yōu)勢(shì)。這主要是由于壓縮空氣儲(chǔ)能電站在壓縮/膨脹工況下均具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，可以快速滿足由于負(fù)荷和風(fēng)電波動(dòng)所帶來(lái)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，減少火電機(jī)組啟停和深度調(diào)峰頻率，促進(jìn)風(fēng)電充分消納。從圖5可以看出，火電機(jī)組深度調(diào)峰在調(diào)度周期內(nèi)僅發(fā)生了一次，同時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站多次利用盈余的風(fēng)電壓縮儲(chǔ)能，并在負(fù)荷高峰期時(shí)膨脹釋能，有效減少了系統(tǒng)棄風(fēng)。

相較而言，抽水蓄能電站和鋰離子電池儲(chǔ)能電站在這些方面則相對(duì)不足。前者主要是由于抽水蓄能電站抽水工況功率調(diào)節(jié)范圍較小，一定程度上制約了其靈活調(diào)節(jié)能力。而后者則受限于儲(chǔ)能電池短暫的循環(huán)壽命和高昂的置換成本，其往往會(huì)避免頻繁改變充放電工況所導(dǎo)致的電池循環(huán)壽命大幅度縮減，因此鋰離子電池儲(chǔ)能較少頻繁大功率改變出力。

3)就儲(chǔ)能電站本體的投資成本而言，鋰離子電池儲(chǔ)能電站最高，這主要是由于電池儲(chǔ)能電站循環(huán)壽命較短，其在工程周期內(nèi)會(huì)由于置換儲(chǔ)能設(shè)備而產(chǎn)生額外的置換成本；壓縮空氣儲(chǔ)能次之；抽水蓄能電站最低。就儲(chǔ)能電站的運(yùn)維成本而言，鋰離子電池儲(chǔ)能電站由于基本不含機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，所以其運(yùn)維成本最低。壓縮空氣儲(chǔ)能電站中除了電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)之外，還包含壓縮機(jī)/膨脹機(jī)等氣動(dòng)設(shè)備和熱量存儲(chǔ)/交換裝置，系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以其運(yùn)維成本最高。抽水蓄能電站的運(yùn)維成本則介于兩者之間。

為進(jìn)一步分析不同類型儲(chǔ)能電站容量配置對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，在保持其他條件不變的基礎(chǔ)上改變儲(chǔ)能電站的裝機(jī)容量。分析在本文算例參數(shù)條件下，不同類型儲(chǔ)能電站在不同裝機(jī)容量下的運(yùn)行效益，仿真結(jié)果如表6所示，變化趨勢(shì)如圖7所示。

分析圖7中信息可以發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)能裝機(jī)容量的不斷增加，各類型儲(chǔ)能電站的運(yùn)行效益和產(chǎn)出投入比均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。這主要是由于：當(dāng)儲(chǔ)能裝機(jī)容量較低時(shí)，其投資運(yùn)維成本相對(duì)較低，而其在降低火電機(jī)組運(yùn)行、備用和深度調(diào)峰等成本和促進(jìn)風(fēng)電大規(guī)模消納等方面的效益明顯；且儲(chǔ)能容量增加所帶來(lái)的運(yùn)行效益高于投資運(yùn)維成本的增長(zhǎng)，所以此時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)出投入比不斷升高。后來(lái)隨著儲(chǔ)能裝機(jī)容量的進(jìn)一步提升，儲(chǔ)能在系統(tǒng)中的需求和效益逐漸達(dá)到飽和，而裝機(jī)容量上升導(dǎo)致儲(chǔ)能投資運(yùn)維成本仍在不斷增加，使得儲(chǔ)能電站運(yùn)行效益下降且產(chǎn)出投入比開(kāi)始下降。此外，可以發(fā)現(xiàn)，各類型儲(chǔ)能電站均在50 MW附近具有最優(yōu)的產(chǎn)出投入比，約為風(fēng)電裝機(jī)容量(348 MW)的15%，上述結(jié)論可以為新能源場(chǎng)站配套儲(chǔ)能配置提供一定的借鑒。

表6 不同裝機(jī)容量下各類型儲(chǔ)能電站運(yùn)行效益Table 6 Operation benefits of multi-type energy storage stations with different installed capacity

圖7 各類型儲(chǔ)能電站運(yùn)行效益隨裝機(jī)容量變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of multi-type energy storage stations’operation benefits with installed capacity

5 結(jié) 論

本文考慮火電機(jī)組的深度調(diào)峰特性，對(duì)比分析了最具代表性的3種能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)(抽水蓄能系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng))在調(diào)峰應(yīng)用場(chǎng)景中的經(jīng)濟(jì)效益，所得結(jié)論如下：

1)在促進(jìn)風(fēng)電規(guī)?；{背景下，儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)峰可以優(yōu)化火電機(jī)組的頻繁爬坡情況，減少火電機(jī)組深度調(diào)峰頻率，緩解火電廠的調(diào)峰壓力。在本文算例情況中儲(chǔ)能引入之后火電機(jī)組深度調(diào)峰相關(guān)成本至少下降了約31.2%。

2)不同類型儲(chǔ)能電站引入均會(huì)改善系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在輔助火電機(jī)組調(diào)峰場(chǎng)景下抽水蓄能電站的總體經(jīng)濟(jì)效益仍然處于領(lǐng)先地位，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能電站，最后是鋰離子電池儲(chǔ)能電站。

3)在本文算例參數(shù)條件下，按照風(fēng)電裝機(jī)容量的15%配置儲(chǔ)能可以帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益，該結(jié)論可以為新能源場(chǎng)站儲(chǔ)能配置提供一定的借鑒。