計及電池壽命的儲能參與調頻市場收益分析

章 楓，房 樂，陸承宇，鄧 暉，周子青，馬駿超

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司電力市場仿真實驗室，杭州 310014）

0 引言

儲能可以在電力系統中發揮平抑可再生能源波動、削峰填谷、提高供電可靠性、調峰和調頻等重要作用[1-2]，作為重要高彈性資源，能夠為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的主要手段之一。隨著“過億電網”時代的來臨及電力現貨市場試點工作的推進，浙江電網面臨著安全可靠、清潔低碳、經濟高效考驗，需借鑒美國成熟電力市場的經驗[3-4]，加大儲能發展力度，促進浙江省儲能技術和產業發展，助力清潔能源示范省的建設。然而，儲能定價權限在國家層面，目前尚無充放電價、補償電價等配套電價機制。同時，現有成本監審辦法和定價辦法明確規定儲能設施不得納入有效資產，相關成本費用不得納入準許成本。電網側儲能缺乏相應的成本疏導途徑。因此，探究儲能通過市場化手段回收成本并獲得合理收益是保障電化學儲能行業高質量、可持續發展的重點。2017年，國家發改委等五部委聯合印發《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見（發改能源）〔2017〕1701 號》，要求建立健全儲能參與的市場機制，允許儲能系統與機組聯合或作為獨立主體參與輔助服務交易[5]。近年來，江蘇、江西、山東等省份相繼發文鼓勵儲能參與市場化交易。

2015 年，中共中央國務院發布了《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發〔2015〕9號），按照“管住中間、放開兩頭”的體制架構，有序推進電價改革、電力交易體制改革、發用電計劃改革等。2017 年6 月，隨著浙江省政府經濟體制改革工作領導小組會議的順利召開，浙江電力體制改革綜合試點工作正式啟動。截至目前，浙江電力現貨市場順利完成4 次結算試運行工作，市場參與主體包括全省統調發電廠，省統調風電、光伏發電機組暫參與模擬報價，不參與出清和調電，外來電、電化學儲能和用戶側暫不參與。

儲能系統參與電力現貨市場主要通過2 種方式獲利：一是參與電能量市場，憑借充放電價差獲利；二是參與調頻輔助服務市場，獲得調頻調用從而獲利[6-8]。但儲能系統運行具有較強的時間耦合性，且運行成本變化復雜，市場機制的差異會對儲能的運行特性和收益產生較大影響。目前浙江電力現貨市場仍處于建設初期，尚未建立針對獨立儲能參與的相關機制。有關儲能申報信息、調用及結算方式尚不明確，且目前浙江電力現貨市場峰谷價差不大，儲能參與電能量市場難以回收成本，因此開展儲能參與浙江調頻市場機制研究，具有極強的現實意義和理論價值。

1 電力市場基本框架

本文采用具有普遍意義的電力市場基本框架，以研究儲能在調頻市場中的全壽命周期收益情況。

假設儲能電站作為單一調頻輔助服務單元以調頻申報模式參與調頻市場，調頻申報包括調頻容量申報、調頻容量價格申報和調頻里程價格申報。儲能參與調頻市場的機制為：綜合考慮調頻市場需求、調頻服務供應商的數據、綜合調頻性能指標等，根據調頻報價機組申報的容量報價、調頻容量以及里程報價，技術支持系統根據每臺機組的歷史調頻性能歸一化指標對報價進行調整，得到調整后的調頻里程成本、調頻容量成本和機會成本；將調整容量報價，調整機會成本和（調整里程報價×里程容量比）加總計算得到的調頻組合排序價格由低到高進行排序；按調頻排序價格從低到高依次出清，直至中標的AGC（自動增益控制）單元容量總和滿足電力調度機構發布的調頻需求；當AGC 單元的排序價格相同時，優先出清容量高的AGC 單元；最后一個中標的AGC 單元調頻排序價格為調頻市場的統一出清價格；將中標機組的調整里程報價進行排序，得到調頻里程出清價格。

調頻容量出清價格=調頻出清價格-調頻里程出清價格×里程容量比。

中標儲能電站在調頻市場上提供調頻服務可以獲得相應的調頻容量和調頻里程費用。調頻容量、調頻里程費用按日統計、按月進行結算。其月度調頻容量費用Sbc和調頻里程費用的計算公式分別為：

式中：n 為每月現貨市場總的交易周期數；Qbc，i為該機組在第i 個交易周期的中標調頻容量；Qbm，i為該機組在第i 個交易周期的實際調頻里程，由AGC 數據接入給出；πbc，i為第i 個交易周期的調頻容量結算價格；πbm，i為第i 個交易周期的調頻里程結算價格；Kb，i為發電單元在第i 個交易周期的歷史調頻性能歸一化指標平均值。

調頻市場出清具體流程如圖1 所示，具體示例如下。

圖1 調頻市場運行流程

1.1 調頻市場報價及調整

系統中有4 臺機組參與調頻市場，市場主體需在調頻市場中進行容量報價、調頻容量和調頻里程申報，如表1 所示。其中：調整容量報價=容量報價/調頻性能指標，調整里程報價=里程報價/調頻性能指標。

表1 調頻市場成本調整

1.2 調頻出清

將表2 的調整容量報價、調整機會成本和（調整里程報價×里程容量比）加總計算得到調頻組合排序價格，并由低到高排序，如表2 所示。假設系統調頻需求為25 MW，則邊際調頻機組為D。

表2 調頻市場出清

1.3 調頻定價

假設系統出清的中標機組實際機會成本未發生變化，可以得到調頻定價排序價格如表3 所示。

表3 調頻市場定價

由表3 調頻定價價格排序可知，調頻出清價格為32.75 元/MWh，邊際機組為D。對中標機組的調頻里程報價進行排序，結果如表4 所示。

由表4 調頻里程價格排序可知，調頻里程出清價格為1.813 元/MW，邊際機組為D?？梢杂嬎愕玫秸{頻容量出清價格為14.62 元/MWh。

表4 調頻里程定價

1.4 調頻結算

假設D 機組一小時內的調頻里程為100 MW，實際調頻性能歸一化指標為0.85，則其1 h 調頻容量費用為1 h×調頻容量出清價格×出清容量×實際調頻性能歸一化指標=14.62×10×0.85=124.27元，調頻里程費用為調頻里程出清價格×實際里程×實際調頻性能歸一化指標=1.813×100×0.85=154.11 元，合計費用278.38 元。

2 儲能電池模型

在分析與評估儲能參與調頻市場收益時，不能不考慮電化學儲能的運行效率和壽命衰減的影響。國內外研究發現，電化學儲能充放電速率、DOD（充放電深度）和儲能荷電狀態等均會對儲能的運行效率及壽命衰減產生非線性影響[9]。

2.1 電池衰減

通常將電池充放電過程的老化和閑置過程的老化分別稱為循環老化和日歷老化[10]。一般認為，當鋰離子電池的能量容量下降為額定能量容量的80%時，鋰離子電池將無法正常使用，處于完全老化階段[11]。不考慮環境溫度對電池壽命的影響，假設在100%DOD 情況下，電池的循環壽命為Tcycle=N100，由文獻[8]可知，在d DOD 下電池的循環壽命可表示為：

式中：kp為定值，對不同電池而言其取值范圍一般在0.8～2.1[8]；d 為電池充放電深度。DOD 對電池循環壽命的影響較大，且電池循環壽命與DOD呈非線性關系。如文獻[12]所述，法國電池制造商FORSEE POWER 的HE 48 V 鋰電池的kp值約為1.1。則若電池在d DOD 下電池循環nd次，其等效100%DOD 電池循環次數可以表示為：

2.2 電池循環壽命的類雨流計數法

若以一天為計算單位，其等效100% DOD 循環次數為：

同理可知，若儲能參與調頻市場，其荷電量變化為[7]：

式中：Ocy（τ）為截止到τ 天的電池100%DOD 循環次數；Lcy為電池循環壽命次數。則τ 天ith的SOC 為。

儲能電站參與調頻市場的電池壽命計算流程如圖2 所示。具體流程如下：

圖2 電池壽命計算流程

步驟1：初始化各項計算參數，令Lcy等于電池的100%DOD 循環壽命次數，Lcal為電池的日歷壽命天數，Brated為電池的初始額定容量。

步驟2：初始化天數及Ocy（τ）值，令初始的電池100%DOD 循環次數為0。

步驟3：根據式（10）計算剩余電池容量Ba（τ）。

步驟4：若剩余電池容量大于等于80%，則根據式（7）—（9）計算τ+1 天的電池等效100%DOD 循環次數，其中τ 天的Emax（τ）為Ba（τ）。截止到τ 天的電池100%DOD 循環次數Ocy（τ）=Ocy（τ-1）+（τ）。若剩余電池容量小于80%，流程結束。

3 算例分析

浙江電網側儲能起步較晚，總體尚未形成規模，發展相對緩慢。目前，共規劃建設2 批電網側儲能電站，第一批電網側儲能共4 座，規模合計22.03 MW/69.65 MWh，動態投資總額約為1.712 億元，項目具體情況如表5 所示。

表5 浙江省已投運或在建電網側儲能項目概況

3.1 仿真參數

設置一個容量為24 MWh，額定充放電功率為9 MW 的磷酸鐵鋰電池儲能電站，參考PJM 電力市場某日的儲能電站AGC 調頻指令及荷電量變化情況數據，并按照儲能參與浙江電力市場方案與模擬報價策略[13]，基于浙江電力市場某月典型方式的調頻里程和容量價格仿真數據進行復盤分析。

浙江某儲能電站實測參數及收益仿真基礎參數如表6 和表7 所示。

表6 某儲能電站實測參數

表7 某儲能電站收益仿真基礎參數

3.2 全周期壽命仿真

參考PJM 電力市場某日的儲能電站AGC 調頻指令及荷電量變化數據，根據儲能電池循環壽命類雨滴計數法模型可得在保持儲能電站額定容量不變的情況下，不同額定充放電功率時儲能電站參與調頻市場的循環老化壽命，結果如圖3 所示。后續仿真全周期壽命時取日歷壽命與循環老化壽命的低值。

圖3 不同功率下的儲能電站循環老化壽命

3.3 仿真結果分析

儲能參與調頻市場時，由于其調節性能好，對AGC 指令響應較快，因此將歷史調頻性能歸一化指標平均值設為1。儲能的調頻容量和調頻里程價格參考浙江電力市場典型方式仿真數據。

影響電化學儲能市場化收益主要有放電容量、電池類型、電池充放電循環次數、儲能電站規模等關鍵性能指標。本文主要通過測算放電容量、電池充放電循環次數、儲能電站規模3 個關鍵性能指標對儲能電站市場化收益的影響，為儲能電站參與浙江電力市場策略、提高市場化收益提供相關參考意見與建議。

1）算例1：儲能按標準參數參與調頻市場收益。

儲能按標準參數參與浙江調頻市場，根據浙江某月實際模擬試運行分時段調頻里程數據估算，可得儲能電站參與浙江調頻市場月調頻里程為80 352 MW，由浙江電力市場某月典型方式的調頻里程和容量價格仿真數據可知，每30 min出清時段的平均調頻容量價格為116.3 元/MW，平均調頻里程價格為12.44 元/MW。因此，由式（1）和式（2）計算可得儲能參與某月浙江調頻市場預計收益為177.8 萬元，以此作為儲能電站月度經營性收益，預計年度收益為2 134.1 萬元。同時由圖3 分析可得標準參數下儲能電站的全壽命周期為6.85 年，依據表7 計算可得全壽命周期儲能電站的總凈現值收入為7 985.89 萬元，投資回報率預計為0.76%，折現后基本能回收投資成本。

2）算例2：不同放電容量下儲能參與調頻市場收益。

保持儲能電站的額定容量不變，分析不同額定功率下儲能電站參與調頻市場的收益情況時，成本差異主要體現在變流器購買成本上。通過模擬改變儲能電站的額定功率仿真，可得到不同額定功率下儲能電站參與調頻市場的收益結果，如圖4 所示。

圖4 不同放電容量下的儲能電站收益

從圖4 可以看出，儲能電站參與調頻市場投資回報與收益率隨著額定功率的增加先增后減，其最大收益在儲能電站額定功率為13.8 MW 左右達到，此時固定成本為8 156.4 萬元，全壽命周期總凈現值為8 400.7 萬元，投資回報率為2.995%。

3）算例3：不同電站規模下儲能參與調頻市場收益。

保持儲能電站的放電容量不變，分析不同儲能電站規模下儲能電站參與調頻市場的收益情況時，成本差異主要體現在變流器和電池的購買成本、人工運營維護成本上。通過模擬改變儲能電站的規模，可得到不同儲能電站規模下儲能參與調頻市場的收益結果，如圖5 所示。

圖5 不同電站規模下的儲能電站收益

從圖5 可以看出，儲能電站參與調頻市場投資回報與收益率隨著儲能電站規模的增大而增大，當電池類型為磷酸鐵鋰電池、儲能電站規模為8.8 MW/23.47 MWh 時，儲能電站已基本能覆蓋其固定成本和運營成本，此時固定成本為7 819.69 萬元，全壽命周期總凈現值為7 830.21萬元，投資回報率約為0.135%。

4）算例4：不同電池循環壽命下儲能參與調頻市場收益。

保持儲能電站的電池類型、電池循環效率、儲能電站規模及放電容量不變，分析不同電池循環次數下儲能電站參與調頻市場的收益情況時，通過模擬改變電池的循環壽命次數仿真可得到不同電池循環壽命次數下的收益結果，如圖6 所示。

圖6 不同電池循環壽命下的儲能電站收益

從圖6 可以看出，儲能電站參與調頻市場投資回報與收益率隨著儲能電站電池的循環壽命次數增大而增大，當電池類型為磷酸鐵鋰電池、電池循環壽命次數達到4 934 次時，儲能電站已基本能覆蓋其固定成本和運營成本，此時固定成本為7 926 萬元，全壽命周期總凈現值為7 925.55萬元，投資回報率約為-0.006%。

電池價格通常占到儲能電站投資總成本的一半。從測算評估而言，磷酸鐵鋰電池因其循環次數優于鉛碳電池，能夠在調頻市場中獲得更高的投資回報率。但對比物理特性而言，鋰電池存在一定的安全隱患。因此，建議在環境條件良好、沒有特殊安全需求的地區優先選擇磷酸鐵鋰電池作為儲能電池。此外，考慮到電池的全壽命周期（5～8 年）一般低于其他電氣設備（約15 年），可通過更換電池繼續進行儲能站運維，從而提高后續年份的投資回報率。

4 結論

基于儲能電池的電池衰減和電池壽命計算模型，參考PJM 電力市場的儲能電站AGC 調頻指令及荷電量變化情況和浙江電力市場某月典型方式的仿真調頻里程和容量價格數據進行復盤分析，得到主要結論如下：

1）在當前浙江電力市場環境下，儲能參與輔助服務市場具有較好經濟效益，部分儲能電站已基本具備回收其固定投資和運營成本的能力。但儲能電站電池包括多種類型，且成本相差較大，同時本文計算存在一定的簡化與模擬化，后續將通過推動儲能電站參與浙江現貨市場結算試運行的調頻輔助服務市場，進一步驗證相關結論。

2）電池放電容量、電池充放電循環次數、儲能電站規模對儲能電站的投資回報和收益率影響較大；儲能電站參與調頻市場投資回報與收益率隨著額定功率的增加先增后減；儲能電站參與調頻市場投資回報與收益率隨著儲能電站規模的增大而增大，隨著電池循環壽命次數增大而增大。

3）儲能電站應優先選擇電池循環效率高，電池充放電循環次數高的電池。在額定容量不變的情況下，需合理選擇電化學儲能電站的放電容量，過低和過高的放電容量均會降低儲能電站的投資回報率。同時，在條件允許且放電容量選擇適合的情況下，設計時需盡可能提高儲能電站的規模，利用規模效應提高儲能電站的投資收益。