考虑全寿命周期的储能电站综合评价模型

陈志华，尤梦凯，蔡伟，胡经伟，胡兴，张爱芳，张科杰，王伟

（1.国网湖北省电力有限公司黄冈供电公司，湖北省 黄冈市 438000；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北省 武汉市 430074）

0 引言

随着储能技术的快速发展，储能电站建设和运行带来的效益成为人们关注的热点[1-2]。储能电站的综合评价模型可用于测算储能电站的投资与收益，科学地指导储能电站的规划建造。

目前国内外对储能电站的效益评价研究较多，但标准的量化评价方法仍然较少。文献[3]提出采用经济效益指数作为规模储能装置经济效益的判据，给出了经济效益指数的计算公式和经济效益的判断依据，但是未考虑储能电站社会效益。文献[4]建立了压缩空气储能系统的经济性计算模型，并考虑有无补贴的2 种计算条件，进行了技术经济性分析，但计算模型不适用于其他类型的储能电站。文献[5]建立了基于钠硫电池的储能电站动态性能分析与评价模型，但是未对储能电站的经济性进行评价。文献[6]建立了电网侧和用户侧的经济效益模型，最后通过实际算例进行经济性评估，但是未考虑储能电站带给电源侧的经济效益。文献[7]建立了考虑电池充放电深度及寿命的储能电站初始投资、运行维护成本计算模型，并建立了包括发电侧、电网侧、用户侧以及政府补贴的储能电站收益计算模型，但是未考虑储能电站带来的社会效益。

综上所述，针对储能电站评价模型的研究主要集中在储能电站的成本模型和经济效益模型，但是大多数研究忽略了储能电站长期运行带来的社会效益。本文综合考虑投资成本、经济效益和社会效益，建立了基于储能电站全寿命周期的综合效益评价模型，并通过对比4 种规模储能电站的综合效益确定最优的规模，为储能电站建设规模的选取提供一种直观的综合评价方法。

1 储能电站的综合效益评价模型

本文综合考虑储能电站的成本、经济效益和社会效益，通过计算储能电站全寿命周期的净现值评价储能电站总效益，具体表达式为

式中：D为储能电站全寿命周期的经济效益，元；E为储能电站全寿命周期的社会效益折算值，元；C为储能电站全寿命周期的成本，元。各参数表达式如下：

式中：Dj为储能电站第j年的经济效益，元；Ej为储能电站第j年的社会效益折算值，元；ε为折现率；T为储能电站的全寿命运行周期，年；C1、C2、C3、C4、C5和C6分别为储能电站全寿命周期的建设成本、储能电池租赁成本、人工成本、运行维护成本、处置成本和其他成本，元。

2 成本模型

2.1 建设成本

储能电站全寿命周期的建设成本根据成本占比的大小，可分为储能电池成本和非电池成本。储能电池成本可分为功率成本和能量成本[8]，可依据不同投资运营模式决定是否纳入建设成本；非电池成本包括工程土建(含土地费用)、能量转换装置成套设备采购、能量控制系统成套设备，根据项目规模大小可按储能电池成本取比例系数。储能电站建设成本可以表示为：

式中：M1为功率成本，元，M2为能量成本，元；P为储能电站设计功率，kW；S为储能电站设计放电能量，kW·h；g1为储能电站单位功率价格，元/kW；g2为储能电站单位容量价格，元/(kW·h)；β1、β2为租赁系数，当储能电站储能电池采用租赁模式时，β1=β2=0，当储能电站储能电池采用自购模式时，β1=β2=1；α为非储能电池成本与储能电池成本比例，一般为20%～25%[9]。

2.2 储能电池租赁成本

租赁模式将储能电池租赁成本分摊到全寿命周期内，同时有效减少储能电站的一次建设成本。储能电池租赁成本主要包括租赁手续费和租赁费用两部分，可以表示为

式中：δ为租赁手续费系数，表示租赁手续费占租赁总额的比例，一般为0.5%～1%；χ为租赁年费系数，表示年租赁费占租赁总额的比例，一般为2%～4%。

2.3 人工成本

在一定范围内，固定的人工成本与储存电量的大小没有关系，其费用总额具有不变性，其占储能电站建设成本的比例是不变的。考虑到系统在运行中会发生一定的耗损，产生的系统寿命耗损属于可变的维护成本，与储能系统的使用年限有关[10]。储能电站人工成本可以表示为

式中ϕj为第j年人工成本占储能电站建设成本的比例。

2.4 运行维护成本

储能电站的运行维护成本是为了维持储能电站处于良好的待机状态所需要的费用。该成本包括储能系统设备更换费用、清洗费用、电站管理和检修费用等。储能电站运行维护成本可以表示为

式中φj为第j年运行维护成本占储能电站建设成本的比例，随着储能电池使用年限的增加，φj会逐步增加，并且大小与储能电池循环次数和储能电池类型有关。

2.5 处置成本

储能电站各部分元件寿命耗尽时，需要对其进行无害化处理，所投入的资金就是处置成本。该成本主要分为两方面：环保费用支出和设备残值。通常来讲，储能电池回收所付出的成本就是环保费用支出，而初始投资成本和回收系数(与使用频率、年限有关)将决定非储能电池设备残值的大小。储能电站处置成本可以表示为

式中：γ1为储能电池功率回收系数；γ2为储能电池能量回收系数，与储能电池类型有关；γ3为非储能电池设备回收系数，一般为5%～15%。

2.6 其他成本

储能电站成本还包括财务成本、保险费等其他成本。财务成本主要是储能电站长期贷款所产生的利息费用，保险费取决于保险费率和保险金额。储能电站其他成本可以表示为

式中：M为储能电站贷款本金，元；μ为贷款月利率；λj为第j年保险费率；Kj为储能电站第j年保险金额，元。

3 收益模型

储能电站的效益按照性质，可分为经济效益和社会效益两大类。经济效益大多数情况下可以用货币金额来评估衡量；社会效益一般难以直接量化，通常可以采用等效替代、成本等效折算进行评估。

3.1 经济效益

储能电站主要通过充放电和各种辅助服务获得经济收益。充电费用主要取决于销售电价和销售电量，可以表示为

式中：Jj为第j年的大工业用户销售目录电价，元/(kW·h)；WC,j为储能电站第j年用户侧充电量，kW·h。

储能电站辅助服务收益根据不同的服务对象，可分为新能源侧放电收益、电网侧放电收益、用户侧放电收益和辅助调峰调频放电收益[11]，计算公式如下：

式中：ω1,j、ω2,j、ω3,j和ω4,j分别为第j年新能源侧放电量、电网侧放电量、用户侧放电量和辅助调峰调频放电量占储能电站第j年总放电量的比例；WD,j为储能电站第j年总放电量，kW·h；m1为新能源上网电价，元/(kW·h)；m2为输配电价，元/(kW·h)；m3为双边协议电价，元/(kW·h)；m4为调频辅助服务电价，元/(kW·h)；ψ1为储能电站和新能源企业的分成比例，一般为70%[12]；ψ2为储能电站向电网公司收取的服务费率。

综上所述，储能电站第j年的总充放电和辅助服务收益可以表示为

3.2 社会效益

储能电站除去直观的经济效益外，还带来了很多无法直接量化的社会效益，主要包括减小峰谷差和提高新能源发电消纳量。

1）减小峰谷差

储能电站可在负荷高峰时放电，负荷低谷时充电，可在负荷和电源之间灵活转换，使发电与用电解耦，减小峰谷差[13-14]，其社会收益可表示为

式中：PAV，j为第j年平均负荷；PMAX，j为第j年峰值负荷。

2）提高新能源发电消纳量

储能电站可在新能源发电量过剩时充电，扩大电网对新能源消纳，降低对化石能源发电的依赖性，促进“双碳目标”的实现[15-18]。储能电站提高新能源发电消纳量的社会收益可以表示为

式中：WB,j为储能电站第j年新能源侧充电量；σ为备用功率占比，一般取10%。

综上所述，储能电站第j年的社会效益折算值为

式中v1和v2分别为减小峰谷差和提升新能源发电站利用能力折算成经济效益的折算系数。

4 案例分析

本文选取A 组(60 MW/120 MW·h)、B 组(120 MW/120 MW·h)、C 组(120 MW/60 MW·h)和D 组(120 MW/240 MW·h) 4 种规模的储能系统，采用“电池本体租赁，其他设备采购”的投资建设方式进行经济测算。模型中全寿命运行周期T取为25 年，租赁系数β1和租赁系数β2均为1，折现率ε为5%，储能电池功率回收系数γ1为0，储能电池能量回收系数γ2为8%，非储能电池设备回收系数γ3为15%，储能电站单位功率价格g1为2 747 元/kW，储能电站单位容量价格g2为645元/(kW·h)。

本文采用MATLAB软件对综合效益评价模型进行编程，通过改变输入数据分别求取4 组储能系统的效益，计算结果统计如表1 和图1、2所示。

图1 储能电站成本评价结果Fig.1 Cost evaluation results of energy storage power station

图2 储能电站效益评价结果Fig.2 Benefit evaluation results of energy storage power station

表1 储能电站效益评价结果Tab.1 Benefit evaluation results of energy storage power station 万元

根据评价结果可知，在储能电站的总成本中，占比最高的为建设成本C1，占比高达总成本的90%，此部分成本为一次性投入，随着运营周期的延长，此部分成本占比将逐渐下降。此外，租赁成本C2占比高达总成本的7%，此部分成本随运营周期的延长而增加，为长期运营的主要支出。在不同规模下，B 组(120 MW/120 MW·h)总效益最高，因此应该选取此规模作为建设规模。

在B组(120 MW/120 MW·h)综合评价结果中，全寿命周期的成本C为43 868.6 万元，全寿命周期的经济效益D为35 423.3 万元，全寿命周期的社会效益折算值E为29 148.2 万元。社会效益中，“减小峰谷差”的效益折算值为18 429.6万元，此部分效益是因为储能电站可平抑负荷曲线，降低负荷均方差，改善了主变、馈线的总体负荷特性，有效减轻负荷波动对电力系统的冲击；此外，扩大新能源消纳的效益折算值为10 718.6 万元，此部分效益是因为储能电站可充当新能源电站的备用容量，减少新能源电站备用容量不足造成的利用率损失。仅考虑储能电站全寿命周期的成本C和储能电站全寿命周期的经济效益D时，储能电站全寿命周期将亏损8 845.3万元。但在考虑储能电站全寿命周期的社会效益折算值E后，储能电站全寿命周期将营利20 702.8 万元，这说明综合考虑储能电站经济效益和社会效益可以更准确地评价储能电站带来的效益。

5 结论

开展了储能电站综合评价模型的研究，以4组不同规模的储能电站为实例进行计算，计算结果表明：

1）仅考虑储能电站全寿命周期的成本和经济效益时，储能电站一般处于亏损状态，难以正确评价储能电站的实际效益。

2）所提出的综合评价模型综合考虑了储能电站全寿命周期的成本、经济效益和社会效益，可以更准确地评价储能电站带来的效益，有助于科学地指导储能电站建设规模的选取。