BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)市場(chǎng)效益敏感性分析

，，， ，，

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100； 3.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000； 4.國(guó)網(wǎng)甘肅電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050；5.大連理工大學(xué),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(wú)形地促進(jìn)了含風(fēng)、光電在內(nèi)的可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，可再生能源出力十分不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度大，無(wú)益于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為火、水電等傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻工作造成很大負(fù)擔(dān)。當(dāng)前，在沒有清晰的輔助服務(wù)補(bǔ)償制度前提下，傳統(tǒng)機(jī)組正在無(wú)償為風(fēng)電提供調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)，對(duì)火電等傳統(tǒng)機(jī)組的利益提出了考驗(yàn)，在一定程度上打消了常規(guī)機(jī)組提供電力輔助服務(wù)的積極性，影響了風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)消納[1]。而儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)中呈現(xiàn)出的包括削峰填谷、電能的時(shí)空轉(zhuǎn)移等多種應(yīng)用方式，可以有效提升風(fēng)電滲透率，解決電網(wǎng)高峰、低谷負(fù)荷的問題；同時(shí)，能夠通過(guò)合理的電價(jià)設(shè)計(jì)，促進(jìn)電力市場(chǎng)自由化。

文獻(xiàn)[2-3]在儲(chǔ)能電池應(yīng)用于跟蹤風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃出力方面做了探索。文獻(xiàn)[4]通過(guò)分析處理儲(chǔ)能示范電場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，得到儲(chǔ)能電池是一種高效且適用的平抑風(fēng)電波動(dòng)方法的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]研究了儲(chǔ)能電池在應(yīng)用于平抑風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)的新的控制方法。文獻(xiàn)[6-8]均在風(fēng)電場(chǎng)出力短期預(yù)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了BESS在平抑風(fēng)電出力波動(dòng)方面的控制策略研究。文獻(xiàn)[9]提出一個(gè)虛擬電廠的概念，將風(fēng)電場(chǎng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)調(diào)度管理，分析了儲(chǔ)能的工作方式，得出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的收入和成本計(jì)算公式。

綜上，目前對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)的探索，還集中在風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中儲(chǔ)能的控制策略和容量配置研究上，而在制約電池儲(chǔ)能電站大規(guī)模發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性因素方面研究尚少，從行業(yè)發(fā)展來(lái)看，研究規(guī)模化電池儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性是十分緊迫的需求。

為保證電力系統(tǒng)具有可靠的風(fēng)電輔助服務(wù)提供能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電安全、經(jīng)濟(jì)、高效的并網(wǎng)，亟需一種新的輔助服務(wù)電力市場(chǎng)模式，提高各機(jī)組提供輔助服務(wù)的積極性。下面在分析BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)場(chǎng)景的過(guò)程中，提出了新的輔助服務(wù)市場(chǎng)模式。首先依據(jù)BESS的參與方式及參與量，建立其參與風(fēng)電輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益的敏感因素，得到對(duì)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(xiàng)目的投資效果的結(jié)論。

1 BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)場(chǎng)景分析

目前，隨著風(fēng)電的大規(guī)模入網(wǎng)，棄風(fēng)限電現(xiàn)象也越來(lái)越不容小覷，風(fēng)電的安全可靠并網(wǎng)問題也得到了越來(lái)越多的關(guān)注。眾所周知，風(fēng)電出力十分不穩(wěn)定，出力曲線大幅度波動(dòng)情況多見，且結(jié)合負(fù)荷曲線分析時(shí)，頻繁發(fā)生反調(diào)峰威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，需要系統(tǒng)提供輔助服務(wù)來(lái)協(xié)同風(fēng)電友好并網(wǎng)[10]，這里將此種輔助服務(wù)稱為風(fēng)電輔助服務(wù)。

而現(xiàn)階段，中國(guó)并沒有成熟的輔助服務(wù)交易模式，尚且不能將輔助服務(wù)和電能服務(wù)分開來(lái)看[11]。同時(shí)也還無(wú)配合中國(guó)新能源規(guī)模化應(yīng)用的補(bǔ)償機(jī)制，這還處于示范試點(diǎn)研究階段。目前，中國(guó)已計(jì)劃實(shí)施一些電力輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制試點(diǎn)工程，分布在棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)峻的東北、華北和西北等地區(qū)，相應(yīng)地，也會(huì)對(duì)參與輔助服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供商給予資金補(bǔ)償，補(bǔ)償方式方法沒有制度化[1]。

因此，下面效仿現(xiàn)有電能服務(wù)市場(chǎng)，提出一種新的輔助服務(wù)市場(chǎng)模式，如圖1所示。在此種模式下，提供輔助服務(wù)的傳統(tǒng)機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以在保證自身盈利的情況下，根據(jù)其輔助服務(wù)提供能力給出報(bào)價(jià)。把電池儲(chǔ)能電站看做獨(dú)立個(gè)體，和提供輔助服務(wù)的傳統(tǒng)機(jī)組競(jìng)價(jià)上網(wǎng)。由上級(jí)調(diào)度安排上網(wǎng)計(jì)劃，以購(gòu)電成本最小為目標(biāo)，以電網(wǎng)安全穩(wěn)定為約束，選擇最佳的輔助服務(wù)提供方案。這種模式的一大優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需電力系統(tǒng)或輔助服務(wù)需求方提供輔助服務(wù)補(bǔ)償。

圖1 風(fēng)電輔助服務(wù)提供機(jī)組參與方式

2 BESS市場(chǎng)效益建模

2.1 BESS的成本與收入構(gòu)成

從分析BESS的成本、收入構(gòu)成入手，研究BESS的市場(chǎng)效益。

首先，BESS的成本由初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本組成。采用相應(yīng)的電池壽命值和折現(xiàn)率，將BESS全壽命周期內(nèi)的成本進(jìn)行分?jǐn)偅c同一時(shí)間尺度下的運(yùn)行維護(hù)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(chǔ)能電池回收收入等4部分，其中：容量收入與電池儲(chǔ)能電站容量有關(guān)，容量電價(jià)考慮采用兩部制電價(jià)中的容量電價(jià)計(jì)算方法，按補(bǔ)償儲(chǔ)能系統(tǒng)固定成本和準(zhǔn)許收益的原則確定；電量收入由BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)的參與量和其充、放電電價(jià)決定，BESS通過(guò)與常規(guī)機(jī)組競(jìng)價(jià)的方式參與風(fēng)電輔助服務(wù)，其輔助服務(wù)提供量根據(jù)調(diào)度機(jī)構(gòu)的安全經(jīng)濟(jì)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(jī)組承擔(dān)輔助服務(wù)所減少的污染物、溫室氣體排放產(chǎn)生的效益；儲(chǔ)能電池回收收入是在儲(chǔ)能電站經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，達(dá)到其壽命極限時(shí)，對(duì)其金屬進(jìn)行回收再利用的效益。

2.2 BESS市場(chǎng)效益建模

根據(jù)以上分析，建立BESS的市場(chǎng)效益模型如式(1)所示。

(1)

3 BESS市場(chǎng)效益敏感性分析

3.1多因素綜合變動(dòng)對(duì)BESS日收益的影響分析

采用Microsoft Office Excel 2007 進(jìn)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(guò)滾動(dòng)條控制影響因素的變動(dòng)百分比，進(jìn)而控制因素變動(dòng)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(jù)日收益模型，以儲(chǔ)能放電電價(jià)、BESS額定容量、BESS額定功率三者為變量，建立BESS日收益與3個(gè)變量間的關(guān)系式，作為變動(dòng)前BESS日收益及變動(dòng)后BESS日收益的計(jì)算公式。

設(shè)定放電電價(jià)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(jīng)過(guò)一定變動(dòng)，日收益也隨即變動(dòng)。模型計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 BESS收益敏感性分析計(jì)算1

當(dāng)前，BESS放電電價(jià)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(dòng)對(duì)BESS日收益的影響，可將各因素增加其初始值的1倍，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 BESS收益敏感性分析計(jì)算2

由計(jì)算結(jié)果可見，日收益變?yōu)? 147.1元。則各因素變動(dòng)其初始值的1倍時(shí)，BESS日收益變動(dòng)了40%。繼續(xù)使各因素變動(dòng)為其初始值的1～n倍時(shí)，得到BESS日收益變動(dòng)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(jì)算3

由圖5可知，各因素綜合變動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)BESS日收益的影響分析

3.2.1放電電價(jià)對(duì)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(jì)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(jià)變動(dòng)對(duì)日收益變動(dòng)影響的模擬運(yùn)算表，根據(jù)其模擬運(yùn)算表，建立單因素影響分析動(dòng)態(tài)圖如圖6、圖7所示。

圖6 放電電價(jià)對(duì)BESS日收益的影響動(dòng)態(tài)

圖7 放電電價(jià)變動(dòng)曲線與其敏感系數(shù)曲線

放電電價(jià)由初始值0.4元/(kW·h)以0.4元/(kW·h)為變動(dòng)量不斷增加時(shí)，由圖6可得結(jié)論：BESS的日收益隨著BESS放電上網(wǎng)電價(jià)的增加而增加。因素變動(dòng)對(duì)日收益變動(dòng)影響的敏感系數(shù)如圖7中實(shí)線所示。可見，當(dāng)電價(jià)不斷增加的過(guò)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(jià)變動(dòng)的影響雖是逐漸減弱，卻依舊很大。

3.2.2 額定容量對(duì)BESS收益的影響

在調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行輔助服務(wù)經(jīng)濟(jì)分配時(shí)，存在儲(chǔ)能電池的容量約束。因此，電池容量對(duì)BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)的提供量、日收益都有影響。若保持儲(chǔ)能電池額定功率為3 MW，單價(jià)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(jì)算，建立額定容量變動(dòng)對(duì)日收益變動(dòng)影響的模擬運(yùn)算表，并形成單因素影響分析動(dòng)態(tài)如圖8、圖9所示。

圖8展現(xiàn)了BESS額定容量對(duì)日收益的影響趨勢(shì)。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(shí)，BESS收益存在過(guò)零點(diǎn)，BESS由盈利轉(zhuǎn)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(dòng)量不斷增加時(shí)，BESS額定容量變動(dòng)對(duì)日收益的敏感系數(shù)的變化趨勢(shì)。敏感系數(shù)小于0，說(shuō)明BESS日收益隨著額定容量變動(dòng)向反方向變化；而額定容量在0～7.6 MW·h之間變動(dòng)時(shí)，BESS收益，BESS日收益對(duì)于額定容量的變動(dòng)越來(lái)越敏感；在額定容量大于7.6 MWh之后，BESS虧損，BESS虧損量對(duì)于額定容量的變動(dòng)敏感性減弱，趨向于0。

圖8 額定容量對(duì)儲(chǔ)能電站日收益的影響趨勢(shì)

圖9 敏感系數(shù)曲線

3.2.3 額定功率對(duì)BESS日收益的影響

根據(jù)所建BESS收益數(shù)學(xué)模型，BESS的額定功率對(duì)其參與風(fēng)電輔助服務(wù)的提供量有影響；同時(shí)，對(duì)其容量收入、初始投資成本影響也很大。

通過(guò)計(jì)算，在控制BESS額定容量為4 MW·h，單價(jià)為1.6元/(kW·h)不變時(shí)，采用所建立的BESS投資收益的敏感性分析模型計(jì)算，建立額定功率變動(dòng)對(duì)日收益變動(dòng)影響的模擬運(yùn)算表。根據(jù)額定容量與日收益變動(dòng)模擬運(yùn)算表，建立單因素影響分析動(dòng)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(guān)系，額定功率越大，收益越大。由圖11可見，BESS額定功率變動(dòng)對(duì)日收益的影響敏感系數(shù)隨著BESS額定功率的增大，呈對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)，趨近于1，敏感度亦不大。

4 結(jié) 論

1)為順應(yīng)風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，需要建立合理、有效的輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，提出了一種新的輔助服務(wù)模式，其中BESS與常規(guī)機(jī)組同時(shí)上報(bào)其提供能力和報(bào)價(jià)，參與風(fēng)電輔助服務(wù)的競(jìng)價(jià)。在引導(dǎo)傳統(tǒng)機(jī)組提供電力輔助服務(wù)的同時(shí)，促進(jìn)可再生能源和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保障電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

圖10 額定功率對(duì)BESS日收益的影響動(dòng)態(tài)

圖11 額定功率變動(dòng)曲線與敏感系數(shù)曲線

2)針對(duì)所建BESS綜合經(jīng)濟(jì)效益模型的敏感性分析可知，對(duì)BESS參與風(fēng)電輔助服務(wù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益影響較大的3個(gè)因素分別為：放電電價(jià)、額定容量和額定功率，其中放電電價(jià)無(wú)疑是最為敏感的影響因素，符合利潤(rùn)分析常理。

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