混合储能系统在风电网应用的经济性模型与评价分析

詹仁俊

（福建水口发电集团有限公司，福建福州350004）

传统电力系统由于没有大容量快速存取电能的器件，一旦系统受到扰动引发机电功率失衡就可能对系统构成威胁，特别对可再生能源电网情况将变得更加严重。高温超导磁储能系统(High Tem⁃perature Superconducting Magnetic Energy Storage System，SMES)的响应速度快、功率密度大、储能效率高，能改善电能质量；电池储能系统（Battery En⁃ergy Storage System，BESS）具有储能密度高和使用寿命较长，可以更好地保证供电可靠性。基于超导储能和电池的混合储能系统能为可再生能源电网系统提供快速响应容量，提高系统稳定性，增大输电线路的输送极限功率，并可抑制电网频率和电压波动、改善供电品质。

混合储能系统的成本经济性是影响其实用化的一个重要因素。本文考虑超导储能系统和电池系统的研制成本与可再生能源电网弃风损失等因素，建立混合储能系统的成本经济性模型，将其应用在风电场中进行收益分析，为混合储能系统在电网应用的经济性分析提供重要参考。

1 混合储能系统风电场应用经济性模型

1.1 福建某风电场模型

福建某风电场一期工程（48 MW）建于2013年，通过一回110 kV线路接入电网。2017年风电年累计利用小时数2 880 h，上网电量为1.72亿kWh。近期拟开展二期工程（72 MW）建设，合计装机120 MW，年发电量预计为4.2亿kWh。总的风电场模型，见图1。现据该风电场的弃风状况，建立由10 MJ/37 MW超导储能和20 MWh/5 MW磷酸铁锂电池混合储能系统，并进行收益分析。

图1 福建某风电场基地拓扑图

1.2 储能系统成本模型

（1）线圈的储能量E（MJ）为：

（2）线圈成本Wsc（百万元）为：

Wsc=la×10-6

式中：l是环形磁体线圈的总长度，m；a是高温超导带材的成本，取455元/m。

（3）单位储能所需的成本Q（百万元/MJ）为：

式中：n是投资年限；RC是投资值；r是负荷增长率，在0～1之间；D是电网所需负载容量。

接入混合储能系统，当电网由于稳定问题无法消纳多余的能量时，超导储能磁体和电池系统共同作用调节功率和存储风能；反之，就释放能量给电网。在这种情况下，电力网络的新投资期限nnew计算公式为：

（4）电池储能系统的成本Wbettery（百万元）为：

式中：b是每kWh电池储能系统的成本，例如对磷酸铁锂电池储能系统，取b=0.2万元/kWh[1]；Wf是电池储能系统储能电量。

1.3 混合储能收益模型

在一个给定的负荷增长率下，电网投资期限值[2]为：

式中：nnew是采用混合储能系统后的投资期限；SC是储能系统的最大储能容量。

电网投资效益是通过计算电网设备因为延期投资而节省的支出，是通过比较电网设备年均未来投资的净现值来计算经济效益。分为电网使用和未使用混合储能系统两种情况，最终效益ΔPV评估公式[3]为：

式中：PVi和ni是不含混合储能系统的电网组成部件i的投资值和投资期限；PVnew,i和nnew,i是含混合储能系统的投资值和期限；N是电网的组件数；Asseti是部件i的资产成本；d是折扣率；AnnuityFac⁃tor是年金系数，在0～1之间。

2 经济性分析与评价

2.1 弃风

当地电网难以就地消纳时需要缩减风能，这导致被缩减掉的风能失去其价值。该风场二期工程后如不新建输电线路，预计弃风率将超过30%，弃风成本可由弃风总量乘以风力发电场电价单价求出，见表1。

表1 某风场弃风情况

2.2 新线路投资

为了避免弃风现象，传统电网改造通常加强110 kV输电线路的能力，但新建输电线路规划审批难度大，建设周期长。特别是当地电网难以消纳的，还需要通过长距离输电实现风能输送。对该风场新建线路进行分析，投资估算，见表2。

表2 某风电场电网投资

2.3 SMES投资

在风电厂安装超导磁储能系统和电池储能系统。表3为使用寿命30年的超导磁储能系统和电池储能系统在缩减风能上的所需投资，其中包含了制冷机和功率转换器的成本[4]。本案例中采用的电池为磷酸铁锂电池，具备3 000次的循环充电能力。混合系统同时具备了大功率和高储能量的特性。

表3 混合储能系统投资总结

2.4 经济性成果分析

上述两个系统均以适应该风力发电场的丰富风能而开发。根据风电场容量等效计算，其投资成本及收益，见表4。可以看出，若不采取任何措施应对弃风现象，该风力发电场的年度弃风率30%，弃风成本为1 008万美元。若建立新输电线路提高能量输送且假设其预期寿命为20年，则其年度投资成本为11.26万美元，可减小弃风率到3%。若将容量为10 MJ/37 MW的超导磁储能系统和20 MJ/5 MW磷酸铁锂电池混合储能系统接入网络，假设该系统可在30年内运行良好，则其年度成本为52.47万美元，同时减小弃风率至12%。

新建线路和装备混合储能系统都可以节省弃风损失，从而减少系统成本。从表4所列成本可知，该案例中新建线路投资成本约为混合储能系统投资成本的21.6%，从等效弃风率可见，新建线路弃风率相比混合储能系统弃风率减小了9%，在应对弃风方面比较有优势。一是由于目前超导体和锂电池的成本相对较高，案例中锂电池在30年周期内需经历3次投资，本文未考虑后两次更换成本的下降。以国家电网张北风光储输工程为例，其一期采用64 MWh/14 MW的磷酸铁锂电池（含相关变流设备），成本超过450万/MWh，而在近年成本已下降到1/3，可以预期的是储能系统成本将持续下降。二是本案例中新建输电线路条件成熟，风电在福建电网能源比重中占比不高，具备就地消纳条件，而风电的大量并网将降低火电利用小时数，目前未讨论该成本。三是储能系统可快速稳定风电场输出的电能，平滑短期波动，可节省用于稳定电压和输出频率的电力设备的成本，本文也未讨论。因此，混合储能系统在未来将具有吸引力，联合应用超导磁储能和电池储能的混合储能系统在风力发电场的应用前景非常可观。

表4 年成本和收益总结

3 结语

与建造传统输电线路相比，超导磁储能和电化学混合储能系统目前在工程造价中并不占优势，但由于其有稳定再生能源系统的能力和削峰填谷的功能，且超导材料等储能技术在技术进步同时成本正在不断降低，应用前景将十分可观。

[1]高明杰,惠东,高宗和,等.国家风光储输示范工程介绍及其典型运行模式分析[J].电力系统自动化,2013,37(1):59-64.

[2]Gu C,Zhang Y,Li F,et al.Economic analysis of interconnecting distribution substations via superconducting cables[C]//Power and Energy Society General Meeting,2012 IEEE.IEEE,2012:1-5.

[3]Gu C,Li F,Song Y.Long-Run Network Pricing to Facilitate Users′Different Security Preference[J].IEEE Transactions on Power Systems,2011,26(4):2408-2416.

[4]Qiu M,Rao S,Zhu J,et al.Energy Storage Characteristics of MJ-Class Toroidal HTS-SMES Considering Maximum Value of Perpen⁃dicular Magnetic Field[J].Energy Procedia,2017,105:4179-4184.