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    考慮容量約束的儲能規?;瘧蒙虡I模式評價

    作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國電力 發布時間:2022-08-14 瀏覽:

    考慮容量約束的儲能規?;瘧蒙虡I模式評價

    開賽江1, 譚捷2, 孫誼媊1, 王衡1, 袁鐵江2

    (1. 國網新疆電力有限公司,新疆 烏魯木齊 830063; 2. 大連理工大學 電氣工程學院,遼寧 大連 116024)

    摘要:考慮儲能應用價值的容量相關性約束,提出了一種儲能規?;瘧蒙虡I模式精確定量評估方法。采用雙梯級函數來表征電網對儲能、火電等靈活性調節資源性能和容量的要求;根據儲能在源、網、荷側產生的發電量、輸配電量、電費和輔助服務收益等增益,建立“儲能+”場景下新能源業主、電網運營商、用戶、儲能業主等相關方的收入函數;根據增益耗費的儲能容量,建立相關方分攤的儲能成本函數;綜合考慮新能源、電網、用戶或者第三方等投資主體的凈收益最大,建立儲能投資博弈模型。最后,根據甘肅省的實際情況,評價了不同模式場景下規?;茝V儲能的商業模式,并對關鍵參數進行了靈敏度分析,論證了不同組合運營方式在特定源荷區域的效果,驗證了所提方法的可行性。

    引文信息

    開賽江, 譚捷, 孫誼媊, 等. 考慮容量約束的儲能規?;瘧蒙虡I模式評價[J]. 中國電力, 2022, 55(4): 203-213, 228.

    KAI Saijiang, TAN Jie, SUN Yiqian, et al. Evaluation of business mode for large-scale energy storage applications considering capacity constraints[J]. Electric Power, 2022, 55(4): 203-213, 228.

    引言

    隨著新能源裝機比例的提升以及儲能技術成熟度的提高,儲能的需求空間和盈利空間也被不斷擴展和挖掘[1]。在出臺的相關政策支持下,鉛蓄電池儲能、鋰離子電池儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能等各類儲能技術都在各自領域內開展了一系列商業化探索[2]。儲能系統既可以在電力能量市場或輔助服務市場交易中獲得充放電價差收益,也可以利用其功率快速響應或能量時空轉移的技術特性輔助提升新能源并網友好性和電力系統運行靈活性[3-4]。在未來清潔能源系統中,儲能技術將具有更大的應用前景和價值空間[5-6]?,F階段儲能規?;瘧猛茝V并不順利,一個重要的原因是儲能技術及其應用場景繁雜,缺乏科學合理的電價機制與統一的商業模式,使得各方資本在實際投資過程中缺乏積極性。

    針對儲能的應用場景和商業模式,國內外開展了一系列研究。在儲能商業模式綜合效益分析和系統規劃方面,文獻[7]通過研究企業在儲能市場上的行為,探討了儲能商業模式創新對企業績效的影響,分析結果表明當前的政策限制了大規模儲能的市場價值主張,以提高系統效率為主的商業模式創新將帶來更高的環境績效,從而提高客戶滿意度。文獻[8]提出在大規模儲能部署之前須考慮其對環境的影響,并采用全生命周期評估方法分析了各種儲能商業模式對環境的影響。文獻[9]分析了現有儲能商業模式的弊端,認為儲能系統商業模式不僅需要考慮電力系統轉型、市場和監管障礙等因素,還應在不同的尺度上加以區分,如操作模式、效用尺度、服務需求等。文獻[10]考慮了商業模式的差異,在業主投資模式、合同能源管理模式下分別建立了儲能系統全壽命周期優化規劃數學模型。在儲能激勵政策分析方面,文獻[11]分析了儲能在電力系統中的應用價值,并結合典型電網側儲能政策環境和中國電力體制改革情況分析,考慮投資主體、成本、電價等因素,提出了中國電網側儲能潛在的商業模式及相關政策建議。文獻[12]全面分析了澳大利亞儲能電池投運對中國儲能潛在商業模式的影響。在分布式和配電網側儲能的商業模式方面,文獻[13]研究了配電系統投資建設儲能的商業模式,并通過使用場合特性矩陣比較了儲能提供的電網服務,提出一個商業模式案例開發框架。文獻[14]提出了一種基于用戶自定義輸入確定存儲單元參數的準自動決策支持系統,旨在檢測安裝在工業或商業用戶處儲能單元的盈利能力。文獻[15]提出以共享經濟為儲能運營商新的商業模式,論證了電池存儲系統更有應用推廣的潛力,并基于共享儲能的商業模式優化了存儲系統的配置。文獻[16]提出了一種新型的分布式儲能-云儲能系統及其實現方式、運行機制和商業模式,旨在降低儲能服務成本,并通過實際電力系統運行數據的仿真驗證了云儲能系統的可行性和經濟效益。文獻[17]提出了一種虛擬電廠的商業模式,利用分布式發電或儲能的綠色與靈活性價值實現能源高效利用,并建立了虛擬電廠協調優化機理。

    上述文獻對儲能的應用場景、運行策略和商業模式進行了研究,分析了制約儲能推廣的關鍵因素,并提出了針對特定應用場景的儲能容量規劃方法。然而,目前研究主要集中于示范工程的能效分析和單一儲能業態的理論分析,并且針對不同技術類型儲能規?;瘧玫木C合商業價值評估多采用近似線性化的等效模型[18-20],并沒有考慮到不同技術類型、應用場合下儲能容量及應用價值的相互關聯,且缺乏從源-網-荷環節全面、精確、定量評估儲能商業模式價值的方法。

    因此,本文提出了一種考慮容量約束的儲能規?;瘧蒙虡I模式評價方法。采用雙梯級函數來表征電網對儲能、火電等靈活性調節資源性能和容量的要求;根據儲能在源、網、荷側產生的發電量、輸配電量、電費和輔助服務收益等增益,建立“儲能+”場景下新能源業主、電網運營商、用戶、儲能業主等相關方的收入函數;根據增益耗費的儲能容量,建立相關方分攤的儲能成本函數;綜合考慮新能源、電網、用戶或者第三方等投資主體的凈收益最大,建立儲能投資博弈模型。最后,以甘肅為例,評價了不同模式場景下的博弈效果,并對關鍵參數做了靈敏度分析,結果與實際情況相符,驗證了所提模型與方法的正確性。

    1  基于雙梯級函數的儲能作用量化建模

    電網能夠接納大比例的風電,制度和市場體制是關鍵,儲能系統并網參與電力調度是解決途徑。建立儲能規?;瘧玫纳虡I模式,調整電力系統所有參與者的利益,從而鼓勵和引導發展可再生能源的積極性,解決風電消納問題。

    儲能系統本身并不生產或消耗能量,僅僅作為一種對能量進行時空轉移的靈活性調節手段,其吸收和發出的能量必須平衡。當儲能的應用達到一定規模的時候,任何類型的儲能裝置對能源系統的作用可做以下等效:在充放電反轉時間和連續充放電時間約束下,將一定周期內的電源或負荷出力曲線修整到期望水平。長時儲能主要作為能量型服務,短時儲能主要作為功率型服務[21-22],雖然各自應用價值構成差異較大,但其物理特性本質上一致。

    風電日出力并無顯著規律可循,然而,受地區風電裝機容量以及風資源約束,在一定周期內的總發電量或者功率波動量相對恒定。因此,若不考慮實時風電功率控制,每個固定充放電周期T內的功率出力可用一個雙梯級函數來等效。

    如圖1所示,由該日等效出力曲線可知,存在 1?α 的時段產生了高出力,若沒有任何日內靈活性調節手段(系統備用、負荷響應、儲能等),整體出力只能維持在最低水平,約45.58%的能量必須拋棄。如果要消納全部電量,必須配置功率調節容量約為 ΔP 的靈活調節電源來平衡風電低出力帶來的功率缺額,而α太小會影響機組的利用效率,α 過大又會增大機組能耗。若使用儲能消納全部電量,最大須配置充放電功率分別為ΔPcharge 和 ΔPdischarge 的儲能裝置。

    圖1  風電日出力的雙梯級函數等效

    Fig.1  Double-cascade function equivalence of daily wind power generation

    如圖2所示,由該小時等效出力曲線可知,若僅僅配置了用于平抑日內波動的長時儲能裝置,而缺乏短時功率波動調節資源,整體出力維持在小時內最小出力,將有約6.77%的能量被拋棄,占日內棄電量的14.95%。如果要消納全部電量,同樣也要配置一定容量的靈活性調節資源。

    圖2  風電小時出力的雙梯級函數等效

    Fig.2  Double-cascade function equivalence of hourly wind power generation

    對比圖1與圖2可知,不同充放電時長的儲能裝置的作用不一樣。在長時間周期新能源出力中,其出力間歇較長,出力波動幅值較大,但是最小出力等效時間占比α也相對較大,即高水平出力時間不多,新能源對充電功率容量的需求大于其放電功率需求,因此長時儲能的主要作用在于吸收新能源高水平發電時的電量,消除反調峰,提升新能源基礎電量。在短時間周期新能源出力中,新能源的出力主要呈近似線性的增長或降低,最小出力等效時間占比α接近于0.5,新能源對儲能的充電功率和放電功率的能力要求一致,短時儲能的主要作用在于降低新能源機組的短時大波動,減少因爬坡約束而丟棄的電量??芍?,不同時長的儲能裝置作用于不同的出力對象,其效果有所差異,因此其收益構成和獲利方式也不一樣。

    2  儲能服務價值分析和建模

    根據儲能裝置主要服務對象的不同,儲能服務類型可以分為電源側、電網側、負荷側及電力市場輔助服務4種基本服務形式。但是,它們皆有各自的應用場景和獲利方式,且不同儲能應用場景下的時間尺度和技術要求具有一定差異性[23-25]。

    如表1所示,在新能源側配置小時級以上長時儲能可提升新能源基礎發電量而獲得收益v1,配置小時級以下短時儲能可減少波動棄電量而獲得收益v2;在送端電網配置小時級以下短時儲能可作為虛擬電廠提升電網輸配容量,拓展新能源發電空間而獲得收益v3;在受端電網配置短時儲能可提高受端電網的受電極限,提高外送電量而獲得收益v4;在負荷側配置長時儲能可進行大規模能量吞吐和削峰填谷,調節負荷降低購電成本而獲得收益v5;各儲能業態下皆可配置長時或短時儲能,統一參與電力系統輔助服務,獲得的收益為v6和v7。各類收益成分在技術上相互耦合構成各方實際收益,結合儲能作用機理可以得到收益要素構成與儲能系統配置之間的關系。

    表 1  儲能服務不同使用實體的收益構成

    Table 1  Revenue composition of different entities using energy storage services

    2.1  小時級以上長時儲能的收益構成

    小時級以上長時儲能主要用于平衡系統中日級乃至季節時間尺度的功率變化。目前,受限于地理條件、設備成本、技術成熟度等因素,大規模小時級以上長時儲能的應用還有較大困難,長時功率變化主要由火電機組的日內調度和季度發電計劃來調節。隨著氫儲能的技術和成本突破,電網長時儲能將有廣闊的應用前景。各服務業態下長時儲能的收益主要包括以下幾個方面。

    (1)新能源側配置小時級以上長時儲能可提升新能源日前調度的基礎電量,其收益可表示為

    (2)受端電網配置小時級及以下短時儲能作為外送事故備用,可提升外送穩態輸送極限、提高受端電網受電能力,提升新能源外送電量,其收益可表示為

    3  多方利益協調及風險分攤模型

    3.1  儲能系統投資回報機制

    儲能帶來的盈利點分為3類,(1)提升新能源和電網的發輸電量,這部分收益歸新能源和電網所有;(2)參與負荷側削峰填谷,這部分收益支配權在負荷側;(3)參與電力系統輔助服務市場,根據配備的容量與獲得的新能源棄電量參與統一的調頻、調峰備用等服務。由于裝配儲能系統后收益的盈利點不一樣,有必要將儲能內部自身參與輔助服務獲得的收益與外部間接輔助源網荷獲得的收益分開。如圖3所示,在4類儲能服務業態中,源網荷3類需求實體須根據自身儲能服務量向儲能供應實體支付服務費用,該價格由市場供需關系決定。儲能獲取的最終收益根據新能源、電網、用戶、第三方投資者的投資構成進行分配。

    圖3  規?;瘍δ軕玫纳虡I模式框架

    Fig.3  Business mode framework of large-scale energy storage application

    3.2  儲能增益收入函數

    在各“儲能+”場景中,配置儲能會在源、網、荷側產生發電量、輸配電量、電費和輔助服務收益等增益,從而影響新能源業主、電網運營商、用戶、儲能業主等實體的收入。根據儲能增益構成可知,新能源業主的收入由源端長時儲能和源送端短時儲能獲取的發電量收益構成;電網運營商的收入由送受端短時儲能獲取的輸配電量收益構成;用戶的收入由負荷側長時儲能獲取的電費收益構成;儲能業主的收入由在全網配置的長短時儲能獲取的輔助服務收益構成。

    設新能源側、送端、受端、負荷側4類儲能服務業態需要的長時、短時儲能的能量和功率容量由2個4×2階矩陣q、s表示。

    3.5  儲能投資主體的博弈模型

    在儲能系統各商業模式中,一般都存在新能源、電網、負荷用戶以及第三方,既可做需求方也可做供給方,在商業模式博弈中,可以決定自己的市場需求量與投資量。以下采用遺傳算法對各方進行輪回優化以獲取收斂決策作為最后博弈結果,并針對典型的幾種場景進行算例探究分析,其非合作博弈模型如下所示。

    (1)博弈參與者:新能源、電網、用戶、第三方資本作為參與者構成的博弈。

    (2)參與者策略:4類利益實體進行博弈時,其策略分別為各自所從屬的儲能業態對各類儲能的容量需求決策及對各類儲能的投資決策,記為Ere、Egird、Euser、Ethird,具體表示為

    (3)參與者的凈收益建模:新能源、電網、用戶、第三方資本的凈收益由式(24)給出。

    (4)均衡策略:選定新能源、電網、用戶、第三方資本作為參與儲能規?;瘧蒙虡I模式的4類利益實體,分別對其中一類主導投資和4類全部進行投資博弈進行分析,評估不同商業模式的在不同價格或政策環境下的適用性和經濟性。

    4  算例分析

    4.1  場景介紹

    圖4和圖5為甘肅省新能源和日負荷曲線(僅顯示一個月的出力情況),其等效的雙梯級模型參數如表3所示(采用一年的數據等效)。此外,直流外送受端最大需求為1000 MW/15 min。

    圖4  甘肅省日負荷曲線

    Fig.4  Daily load curve of Gansu province

    在儲能系統各商業模式中,一般存在新能源、電網、負荷用戶以及第三方,在商業模式博弈中,各方可以決定自己的市場需求量與投資量。以下針對典型的幾種場景進行算例探究分析。

    4.2  新能源場站投資主導的商業模式

    在新能源場站投資主導的商業模式中,新能源場站作為儲能服務的供應者與需求者,而電網與負荷只作為需求方。通過三方博弈其結果如表4所示。在目前給出的電價環境下,新能源場站傾向于建設短時儲能,而其他儲能類型受成本限制,需求無法滿足。

    表4  新能源場站投資策略

    Table 4  Investment strategy of new energy stations

    該投資方案的效益如表5所示,新能源場站投資短時儲能的主要收益來源于調頻輔助服務,短時儲能將小時內棄風電量儲存起來,參與調頻輔助服務。電網因棄風電量提升而獲得輸配電價收益。

    表5  新能源場站投資主導各方效益分析

    Table 5  Benefit analysis of leading parties of new energy station investment

    在新能源場站投資主導的商業模式中,通過改變新能源電價補貼,對新能源消納量的影響進行靈敏度分析。如圖6所示,在短時儲能為主的商業模式中,新能源電價補貼對新能源消納水平的提升并不顯著。在本算例中,當補貼電價達到0.4 元/(kW·h)時,短時儲能技術對新能源的消納水平已到達極限。短時儲能的盈利模式回報率高,并不需要過多補貼機制,但新能源提升空間有限。另一方面,長時儲能消納新能源潛力較大,但對儲能容量需求高,在儲能成本較高的情況下,補貼激勵作用有限,這種狀況與甘肅電網實際較為相符。

    圖6  新能源主導下補貼電價對新能源消納量的影響

    Fig.6  Influence of subsidy price on new energy consumption under the guidance of new energy

    4.3  電網投資主導的商業模式

    在電網投資主導的商業模式中,電網作為儲能服務的供應者與需求者,而新能源場站與電力負荷只作為需求方。在此場景下,電網可主導的盈利點較少,傾向于在外送受端建設儲能以提升外送電量,而在目前輸配電價低迷的情況下并無需求。當輸配電價提升為0.3元/(kW·h)時,電網產生投資意愿,博弈結果如表6所示。

    表6  電網投資策略

    Table 6  Grid investment strategy

    當繼續提升輸配電價時,各方收益變化如圖7所示。由圖7可知,輸配電價的變化對電網儲能投資意愿影響較大,但并不會影響其他各方的收益。由于電網受端配置的儲能主要用作故障備用以提升外送穩態輸送能力,對儲能容量要求不高。因此,以甘肅電網為代表的新能源外送基地,當具有外送電價優勢的情況下,在外送受端配置儲能可極大提升交直流外送能力,提高全網負荷水平。

    圖7  電網主導下輸配電價對各方收益的影響

    Fig.7  Influence of transmission and distribution price on benefits of all parties under the guidance of power grid

    4.4  第三方投資主導的商業模式

    在第三方投資主導的商業模式中,第三方作為儲能服務的供應者與需求者,而新能源場站、電網和電力負荷只作為需求方,即儲能完全由第三方來供應的全服務租賃模式。通過博弈可知,第三方投資主導的商業模式受儲能成本影響極大。當功率成本為400元/kW,能量容量成本為800元/(kW·h)時,第三方產生投資意愿,其博弈結果如表7所示。此時,第三方投資還是傾向于回報率較高的短時儲能,由于受市場供需與成本回收周期控制,儲能投資規模較小。

    表7  第三方投資策略

    Table 7  Third party investment strategy

    通過改變儲能建造成本,對各方收益影響進行靈敏度分析。如圖8所示,第三方投資主導下,其收益受儲能建造成本影響較大。該商業模式的應用必須建立在較低儲能成本的基礎上,但總體來看,該模式下各方參與度不高,不利于儲能規?;茝V應用。

    圖8  第三方主導下儲能成本對各方收益的影響

    Fig.8  Impact of energy storage cost on benefits of all parties under the guidance of the third party

    4.5  市場全開放的商業模式

    在市場全開放的商業模式中,新能源、電網和電力用戶同時作為儲能服務的供應者和需求者,同時還有第三方投資者加入,同時參與市場博弈,其博弈結果如表8所示,其經濟性能如表9所示。

    在當前價格環境下,市場投資集中在短時儲能和外送送端儲能。新能源消納量雖低于新能源投資主導的商業模式,但儲能市場總收益較大,這與實際市場規律吻合。

    同樣,通過改變儲能建造成本,對各方收益影響進行靈敏度分析。如圖9所示,儲能建造成本的改變會影響到整個市場的競爭和投資策略,但影響并不是單調函數;新能源與電網由于自身優勢,市場競爭力較大。

    圖9  全開放市場下儲能成本對各方收益的影響

    Fig.9  Impact of energy storage cost on benefits of all parties in the open market

    儲能成本對儲能容量的影響如圖10所示,隨著成本降低,長時儲能開始進入市場,儲能投入容量將達到400 MW,儲能的使用率大幅提高。

    圖10  全開放市場下儲能成本對儲能容量的影響

    Fig.10  Impact of energy storage costs on energy storage capacity in the open market

    5  結論

    本文提出的儲能規?;瘧蒙虡I模式評價方法較為客觀地反映了各類投資場景,同時驗證了雙梯級模型等效描述儲能作用的可行性,對甘肅儲能規?;瘧玫纳虡I模式進行了評價,得到如下結論。

    (1)短時儲能不需要過多補貼,也可獲得理想的盈利,但對新能源消納空間提升有限。

    (2)長時儲能消納潛力較大,但對儲能容量需求高,在儲能成本較高的情況下,補貼激勵作用效果不明顯。

    (3)當具有外送電價優勢的情況下,在外送受端配置儲能可極大提升交直流外送能力,提高全網負荷水平。

    (4)第三方投資主導的商業模式必須建立在較低儲能成本的基礎上。

    (5)儲能建造成本的改變會影響整個市場的競爭和投資策略,并會產生外溢價值,其影響機理有待進一步分析。

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    關鍵字:儲能

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