发电侧备用电池储能系统的技术经济分析

廖强强，陆宇东，王栋，陈飞杰，周国定，曹君贤，葛红花，仲隽伟

(1.上海电力能源转换工程技术研究中心(上海电力学院)，上海市200090; 2.上海市电力公司市区供电公司，上海市200080)

发电侧备用电池储能系统的技术经济分析

廖强强1，陆宇东2，王栋1，陈飞杰2，周国定1，曹君贤2，葛红花1，仲隽伟2

(1.上海电力能源转换工程技术研究中心(上海电力学院)，上海市200090; 2.上海市电力公司市区供电公司，上海市200080)

储能电池具有ms级的响应速度，能够快速平衡随时变化的负荷波动，可以作为火电厂的容量备用电源。但是，电池储能系统高昂的成本是阻碍其商业应用的重要原因之一。以锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池为例，采用成本收益分析方法，研究了其作为火电厂容量备用电源的技术经济性能。研究结果表明:尽管这3种储能电池的功率成本和能量成本较高，若将其作为火电厂容量备用电源，在其寿命周期内仍然可以获得较好的经济效益，收回成本年限远小于其寿命周期。通过电池储能系统的容量备用，可以提高火电厂的发电负荷率，降低发电煤耗，不但降低发电成本，而且减少燃煤电厂的CO2和污染物排放，从而起到节能减排的作用。

储能电池;备用电源;技术经济分析;环境效益

0 引言

考虑到发电机组运行时可能出现出力不够的情况，每个发电厂都留有一定的负荷备用容量，随时可以增加出力至额定容量，用以平衡瞬间负荷波动与负荷预计误差。这部分负荷备用属于旋转备用，又叫发电侧备用。因此，储能系统作为发电厂的备用，就是将发电厂预留的一定的负荷备用容量(大部分时间是不发电的，只是在瞬间负荷波动时可以增加出力)转移到储能系统身上，从而实现发电厂的满负荷发电。负荷备用容量一般按火电厂最大发电负荷的2%～5%配置，这部分发电负荷处于备用状态，因而火电机组不能以最大负荷运行。由于储能电池具有ms级的响应速度，可以快速平衡随时变化的负荷波动。为了实现火电机组的最大负荷运行，一些国家开始采用电池储能系统，配置在火电厂附近，火电厂的负荷备用容量由储能系统承担，从而最大限度地解放了火电厂的发电能力。加拿大Corvus公司为我国某火电公司生产了1套容量为2 200 kW·h的三元材料的锂离子电池储能系统，作为火电厂的备用电源［1］。随着电池储能技术的快速发展，一些新型储能电池如锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池等开始作为火电厂的容量备用电源。

储能系统的技术经济性研究是当前的研究热点。修晓青等研究了储能技术用于电网负荷削峰填谷的控制策略，并建立了评价储能系统投资经济性的数学模型［2］。刘恺等提出一种针对含大规模风电的电力系统储能和备用的灵敏度定价方法［3］。虞胜东等从减少规划电站容量和减少电费支出的角度，通过经济性分析论证了智能电网体系下在用户侧加装储能装置的优越性［4］。Nottrott等认为，锂离子电池在需求侧应用成本应控制在400～500美元/(kW·h)以下经济上才可行［5］。Rahul Walawalkar等认为，钠硫电池应用于纽约市的能量套现服务是可以盈利的［6］。然而，关于电池储能系统在发电侧备用的技术经济性研究却鲜有报道。本文探讨锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池作为火电厂的容量备用电源的经济效益和环境效益。

1 电池储能系统备用电源的技术经济性

1.1 锂离子电池

智利是将锂离子电池储能系统用作火电厂备用电源较早的国家。2009年，在智利北部阿塔卡马沙漠的Los Andes变电站为火电厂安装了1套12 MW/ 4 MW·h的锂离子电池储能系统，作为火电厂或输电线路事故的备用电源，以维持电网的稳定性。该套系统能够瞬时提供12 MW持续20 min的出力，给系统操作员解决问题或启动其他备用电源预留时间。另外，在智利北部太平洋沿岸的Angamos火电厂(2×260 MW)，安装了1套20 MW/5 MW·h的高效锂离子电池储能系统，由大约100万个锂离子电池单元组成，这些电池被分为10组，每组容量2 MW，于2012年5月开始商业运行。该储能系统可以提供先进的备用能力，使火电厂能够在1年当中的任何时候多发20 MW的电力，将Angamos电厂的发电能力提高了4%，或者1年增加了130 GW·h的发电量［7］。

以Angamos火电厂的20 MW/5 MW·h的锂离子电池储能系统为例，计算该储能系统在发电侧备用的技术经济性。关于锂离子电池储能系统的投资成本，各个国家、不同时期的锂离子电池价格差别较大，为了便于比较和探讨，采用美国西佛吉尼亚州Laurel山区的风电-储能电池项目中锂离子电池储能系统的价格来测算智利Angamos火电厂采用锂离子电池储能系统所获取的效益。由A123系统公司提供锂离子电池的美国西佛吉尼亚州Laurel山区的风电-储能电池项目中配备的锂离子电池储能系统容量为32 MW/8 MW· h，其储能项目预算为2 880万美元［8］，折合功率成本为900美元/kW，能量成本为3 600美元/(kW·h)。智利Angamos火电厂锂离子电池系统的容量为20 MW/5 MW·h，美国西佛吉尼亚州Laurel风储项目中锂离子电池系统的容量为32 MW/8 MW·h，功率/能量比均为4，电池容量也接近，且都来自A123系统公司，因此用Laurel项目中锂离子电池价格测算是可参考的。假设Angamos电厂20 MW锂离子电池储能系统投资成本为1.8×107美元，由于采用储能系统代替电厂旋转备用容量，解放出来的20 MW容量每年可发电130 GW·h［7］。据智利能源部估计，距离首都圣地亚哥最近的上网点近5年来平均实时电价为0.167美元/(kW·h)［9］，则多发出来的130 GW·h电量收益为2.171×107美元。对于Angamos电厂，采用20 MW锂离子电池储能系统作为火电厂的备用容量，作为备用电源该锂离子电池储能系统需要0.83年就可以收回成本，即1年多发出来的电量所产生的经济收益不但可以收回储能系统的投入成本，还有盈余。当然，储能系统充电时也会有耗电成本，但储能系统作为发电厂的备用容量，大部分的时间处于电荷充满状态，并不放电，是闲置的，只有负荷不平衡时为增加出力才放电，因此作为备用功能的储能系统的耗电成本相对于发电厂满负荷发电效益来说，可以忽略不计。一般，锂离子电池储能系统的使用寿命在10年以上，甚至三星SDI公司供应德国可再生能源电力公用事业公司WEMAG AG的5 MW/5 MW·h锂离子电池储能组提供了20年的保证［10］。所以，从技术经济角度看，锂离子电池储能系统可以作为火电厂备用电源应用，这是提高火电厂负荷率的一个行之有效的方法。

1.2 钠硫电池

2011年6月，日本东北电力公司宣布为秋田县2台600 MW的能代火力发电站建设日本最大规模的钠硫电池储能系统，目标是提高供电能力，由40台2 MW的钠硫电池组成，总输出功率达80 MW，蓄电总量可以供约5万户家庭使用1天。按每户家庭每天10 kW·h用电量计算，蓄电总量为500 MW·h，可连续放电6.25 h。

以日本Futamata风电场配备的34MW/ 244.8 MW·h(7.2 h连续额定功率放电)的钠硫电池储能系统为例，研究钠硫电池储能系统的功率成本。该项目造价约为100亿日元［11］，功率成本约为2 941美元/kW，能量成本约为408.5美元/(kW· h)。对于80 MW的钠硫电池储能系统，其投资成本为2.35×108美元。火电厂年发电小时数按6 500 h计，解放出来的80 MW火电厂容量每年可多发电5.2×108kW·h。据2007年日本住友商事公布的调查数据显示，日本东京的平均电价为0.177 3美元/ (kW·h)［11-12］，则每年多发电量的收益为9.22× 107美元，该钠硫电池储能系统需要2.55年收回成本。由于钠硫电池的循环寿命较长，放电深度为100%时的循环寿命为2 500次，90%时为4 500次，65%时为6 500次，基本上可以保证15年的使用寿命［13］，由此可见钠硫电池储能系统作为发电侧备用电源也具有很高的经济性。不同电池储能系统的技术经济性比较如表1所示。由表1可看出，不论是等里离子电池、馀硫电池还是

1.3 全钒液流电池

2011年，美国某燃煤电厂配备了1套1 MW/ 8 MW·h的全钒液流电池储能系统，该储能项目投资额为9 462 623美元［14］，折算后功率成本为9 462.6美元/kW，能量成本为1 182.8美元/(kW· h)。成本构成中，电解液占比27%，离子交换膜占比6%，电堆占比9%，换流器占比9%，加工系统占比11%，工程建设占比17%，土木建筑占比7%，项目管理占比11%，其他占比3%［15］。该套系统占地约1 115 m2，设计寿命为30年，由Ashlawn能源公司制造，系统的功能主要有负载跟踪、削峰填谷、旋转备用等。

根据美国能源信息中心2010年1月发布的报告，美国平均电价为0.13美元/(kW·h)［16］。火电厂年发电小时数按6 500 h计，解放出来的1 MW容量每年可多发电6.5×106kW·h，则多发电收益为8.45×105美元。作为备用容量该全钒液流电池储能系统需11.2年收回成本，投资周期较长，但由于其循环寿命很长，基本上可以保证30年的使用寿命，因此全钒液流电池储能系统作为发电侧备用电源也具有较高的经济性。不同电池储能系统的技术经济性比较如表1所示。由表1可看出，不论是锂离子电池、钠硫电池还是全钒液流电池作为火电厂的容量备用电源，在其使用寿命内，都表现出较好的经济性。

2 电池储能系统备用电源的环境效益

对于火电厂而言，发电负荷率的提高将降低发电煤耗，不但降低发电成本，而且减少燃煤电厂的CO2用寿命范围内，都表现出较好的经济性。和污染物排放。图1为某300 MW亚临界火电机组发电负荷与煤耗的关系曲线，标准煤耗y与发电负荷x之间的关系可拟合为

如果300 MW亚临界火电机组分别按2%、3%、5%的装机容量来考虑备用容量，则其发电能力分别下降到294、291、285 MW。而如果采用配备的储能电池容量来代替火电厂的备用容量，则需分别配备6、9、15 MW的电池储能系统，从而实现300 MW火电机组的满负荷发电。从式(1)可以计算出发电负荷分别为294、291、285 MW时的发电煤耗分别为314.11、314.45、315.17 g/(kW·h)，比发电负荷300 MW时的煤耗(313.45 g/(kW·h))分别增加了0.66、1.00、1.72 g/(kW·h)。假定这台300 MW亚临界火电机组年发电小时数为6 500 h，发电能力为294、291、285 MW时的年发电量分别为1.91×109、1.89×109、1.85×109kW·h，则发电能力从294、291、285 MW增加到300 MW时，每年可节约标准煤分别为1 260.6、1 890、3 182 t。按每t标准煤排放CO22.6 t、SO20.024 t、NOx0.007 t，每年的节能减排量如表2。从表2可以看出，在火电机组配备电池储能系统备用电源后，不但节约能源，还可明显地减少CO2和污染物排放量。

3 结论

(1)电池储能系统作为火电厂备用电源应用，是提高火电厂发电能力的一种有效方法。锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池等一些新型储能电池已开始作为火电厂的容量备用电源使用。

(2)作为火电厂的容量备用电源，锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池在其寿命周期内都可以获得较好的经济效益。

(3)通过电池储能系统的容量备用，可以提高火电厂的发电负荷率，降低发电煤耗，不但降低发电成本，而且减少了燃煤电厂的CO2和污染物排放，从而起到节能减排的作用。

［1］覃泽文.锂电池大型化更给力［N］.中国能源报，2011-02-28 (11).

［2］修晓青，李建林，惠东.用于电网削峰填谷的储能系统容量配置及经济性评估［J］.电力建设，2013，34(2):1-5.

［3］刘恺，张昆，钟金，等.基于价格灵敏度分析的风储系统经济性评估［J］.电力系统自动化，2013，37(1):143-148.

［4］虞胜东，华寅飞，胡志勇.在智能电网体系下用户侧储能装置的经济性分析［J］.电气自动化，2013，35(2):62-64.

［5］Nottrott A，Kleissl J，WashomB.Energydispatch schedule optimizationandcostbenefitanalysisforgrid-connected，photovoltaic-battery storage systems［J］.Renewable Energy，2013，55(7):230-240.

［6］Walawalkar R，Apt J，Mancini R.Economics of electric energy storage for energy arbitrage and regulation in New York［J］.Energy Policy，2007，35(4):2558-2568.

［7］Robert Peltier.2012 plant of the year:AES coal-hybrid plant in Chile［EB/OL］.Arlington，Virginia:Power，2012［2013-05-15］. http://www.powermag.com.

［8］高工锂电网新闻中心.世界最大锂电池风电储能项目在美投运［EB/OL］.深圳，广东:高工锂电网，2011［2013-05-15］.http:// www.gg-lb.com/asdisp2-65b095fb-6108-.html.

［9］信使报.近五年智利首都圣地亚哥平均电价每兆瓦167美元［EB/OL］.北京:中华人民共和国商务部，2012［2013-05-15］. http://www.mofcom.gov.cn/aarticle/i/jyjl/l/201211/ 20121108417644.html.

［10］中国储能网新闻中心.德国安装5 MW/5 MW·h的锂离子电池组［EB/OL］.北京:中国储能网，2013［2013-05-15］.http:// www.escn.com.cn/2013/0508/849782.html.

［11］資源エネルギー庁.蓄電池技術の現状と取組について［EB/ OL］.北京:豆丁网，2011［2013-05-15］.http://www.docin. com/p-215273021.html.

［12］于宏义.国际计价基准:衣米卡［EB/OL］.北京:中国科学报社，2008［2013-05-15］.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod =space＆uid=2037＆do=blog＆id=50505.

［13］CEC Energy Storage Workshop.Overview of NAS Battery for Load Management［EB/OL］.California:TheCaliforniaEnergy Commission，2005［2013-05-15］.http://www.energy.ca.gov/ research/notices/2005-02-24_workshop/11%20Mears-NAS% 20Battery%20Feb05.pdf

［14］Electricity Advisory Committee.Energy Storage Activities in the United States Electricity Grid［EB/OL］.Washington:The Energy Department，2011［2013-05-15］.http://energy.gov/sites/prod/ files/oeprod/DocumentsandMedia/FINAL_DOE_Report-Storage_ Activities_5-1-11.pdf

［15］Jodi Startari.Painesville Municipal Electric Power Vanadium Redox Battery Demonstration Project［EB/OL］.Alberquerque，New Mexico:SandiaNationalLaboratories，2011［2013-05-15］. http://www.sandia.gov/ess/docs/pr_conferences/2011/3_Startari _Painesville_Vanadium_Redox_battery.pdf

［16］徐秀.电费弹性大多体现人文关怀［EB/OL］.南京，江苏:南京日报，2011［2013-05-15］.http://finance.jrj.com.cn/ industry/2011/11/26145211655742 .shtml.

(编辑:蒋毅恒)

Technical and Economic Analysis on Energy Storage System of Standby Battery for Thermal Power Plants

LIAO Qiangqiang1，LU Yudong2，WANG Dong1，CHEN Feijie2，ZHOU Guoding1，CAO Junxian2，GE Honghua1，ZHONG Junwei2
(1.Shanghai Engineering Research Center of Electric Power Transfer，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2.Urban Power Supply Company，Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200080，China)

Energy storage battery can be used as the standby power of thermal power plants because it has quick response in a scale of millisecond to balance instantaneous load fluctuation.However，the expensive cost of battery energy storage systems is one of negative factors for their commercial applications.Taking lithium ion battery，sodium-sulphur battery and vanadium redox flow battery as illustrations of standby power for thermal power plants，their technical and economic performances were studied by cost-benefit analysis.The results show that as the spinning reserve power sources，they can achieve remarkable economic benefits that their cost-recovering periods are far less than their life cycles，respectively，despite their high power costs and energy costs.The reserve capacity of battery energy storage systems can improve load rates of thermal power plants，decline gross coal consumption rates，decrease generating cost and the emission of carbon dioxide and pollutants，therefore have an effect of energy-saving and emission-reduction.

energy storage battery;standby power;technical and economic analysis;environmental benefits

TM 73;F 426

A

1000－7229(2014)01－0118－04

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.023［HT］

上海市科委项目(12692104500，12DZ0501800);国家电网公司科技项目(515111107X，52091113502K);上海市教委科研创新项目(13YZ107)。

2013-07-27

2013-09-02

廖强强(1971)，男，博士，教授，研究方向为电力储能和电力腐蚀控制，E-mail:liaoqq1971@aliyun.com;

陆宇东(1966)，女，本科，经济师，研究方向为电力系统;

王栋(1992)，男，本科生，研究方向为数据模拟;

陈飞杰(1969)，男，本科，研究方向为电力系统;

周国定(1938)，男，硕士，教授，研究方向为电力储能;

曹君贤(1981)，男，本科，研究方向为电力系统;

葛红花(1966)，女，博士，教授，研究方向为电力系统;

仲隽伟(1976)，男，本科，高级工程师，研究方向为电力电子。