【《风力发电混合储能经济性评价分析综述》6800字】

风力发电混合储能经济性评价分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u32190风力发电混合储能经济性评价分析综述 1196941.1储能经济性分析 1147711.1.1传统收益计算方法和评价依据 1160871.1.2实物期权 3321911.1.3实物期权定价方法 410231.3算例分析 8241991.4敏感性分析 101.1储能经济性分析1.1.1传统收益计算方法和评价依据目前电力工程项目投资中，经济性评价是判断可行性项目或方案最终是否盈利或收益多少的重要评价手段,也是电力建设项目可行性研究的主要内容。经济性评价的原则包括是否符合国家整体利益、项目否具有实施价值等，一般的经济性评价方法把是否考虑资金所具有的时间价值分为两类：第一类是静态评价方法；第二类是动态评价方法[]，前者不考虑资金的时间价值，而后者将资金的时间价值因素纳入考察范围。风电场配置储能项目有一定的复杂性，所以经济性分析指标所具有多样性的特点决定了评价方法也多样性，具体的评价指标分类如下图（4-1）所示.图4-1经济性评价指标Fig.4-1Economicevaluationindex除目前我国电力工程经济性的评价常用的指标有净收益指标法、现值指标法、投资回收期指标法，（1）净现值指标法是评价投资方案盈利能力的动态指标，是将项目的所有投资按照预期的利率水平折算到当前的投资环境下即将终值折算为现值后与成本的差值来计算收益大小。 （4-1）式中：NPV—净现值；—流入的现金；—流出的现金；T—整个项目的寿命期；—项目的基准折现率。评价标准：采用净现值计算项目收益以现金直接体现收益情况，需要将NPV与0进行比较，当NPV>0说明项目可以满足收益要求可以实施项目，当NPV<0时说明项目不满足预期收益，实施项目将带来亏损，方案不可行。优点是考虑真个项目整个生命期内的全部收益和资金的时间价值，缺点是需要提前确定一个折现率因此过于依赖折现率。（2）投资回收期指标法通常以年为单位表示，反应资金回收速度的一个指标，不涉及时间因素的称为静态回收期，这种计算方法能够更直接的反映出返本时间，而动态回收期相较于静态回收期考虑了时间的因素，更接近与实际情况。 （4-2）式中：—流入的现金；—流出的现金；—使用现金流表计算。评价标准：利用项目的投资回收期T和标准投资回收期Ts进行比较是使用投资回收期指标评价标准，当T<Ts，方案可以实施，当T>Ts，方案不可行。虽然回收期计算方便，反应资金的回收速度，但是由于具体项目有投资年限的限制所以投资回收期仅作为辅助性指标。（3）内部收益率指标法反应投资项目后实际收益能力，反映了一项投资希望达到的报酬率即净现值等于零时的折现率。 （4-3）式中：IRR—内部收益率。评价标准：内部收益率越高项目实施后获得的收益也就越多，内部收益率与基准收益率进行比较，若IRR>,项目实施能产生收益，可以实施；若IRR<,项目亏损即此项目不可执行。1.1.2实物期权目前传统的经济性评价分析方法都是以刚性的决策为前提，评价的最终结果只有放弃或者实施两种情况，所以项目执行者在实施项目过程中只能按决策者给出的原有计划实施，对于那些涉及或影响投资环境变化的因素如利率、电价、限电小时数的变化并不能采取有效的应对方法，另一方面传统的经济性评价过程中都存在过于依赖折现率和内部收益率的弊端。期权的诞生和发展是我们对未来不确定性认识的又一次进步，它对那些无法进行定量的价值如投资的决策机会、风险等不确定性因素进行了灵活的价值分析，期权理念使投资管理者在那些对项目实施过程中出现的不利条件因素时规避风险从而减小损失，在有利的投资环境下进一步扩大投资提高项目的收益。19世纪70年代Myers等人提出实物期权概念，用期权的概念对实物投资在项目中产生的未来价值进行预测计算，后来Ross等人指出在存在较大风险的投资项目中投资产生的预期收益、投资机会如：实施或者放弃的这种选择权都可以看做期权的价值形式，通过在净现值小于零条件下利用实物期权对未来不确定性的因素产生的期权值进行分析计算，而期权价值大小就会成为了制定投资决策的重要依据。例如在项目投资的初期阶段，面对多种不确定性的投资环境所发生的变化不要立即实施项目而是采用延迟投资策略，那么就可以利用收集的关于项目的各方面信息对投资项目有更深入的了解；在项目实施过程中肯定会有一些因素发生了变化影响最终的收益，那么为了应对这种不确定性可以对已经实施的项目进行扩大规模或缩小投资规模来降低损失体现投资管理的主动性和柔性。虽然目前我国储能技术发展迅猛，但是仍然存在技术不成熟、管理不规范等因素，另一方面我国对于储能作为电力系统中的角色定位还不清晰导致收益的计算方法和补贴等的不确定性，因此在储能投资时需要综合各方面信息，运用项目投资的灵活性，在投资项目的有效期内不同阶段，对下一个阶段选择启停、延迟、扩大、收缩等投资决策做出判断。实物期权的核心思想是通过评价未来各种影响收益的因素从而规避风险降低损失或者扩大收益，它使投资者能够利用这些投资机会制定投资决策同时对不确定性较大项目的评价更客观、合理避免了贴现现金流量法缺陷。1.1.3实物期权定价方法目前含有风险项目的经济评估都涉及了多方面的投资和收益，是从综合收益的角度分析投资的最终回报，因此评价方法也经历了仅考率电力层方面的传统评价方法到综合层次的期权评价方法的变化过程。电化学储能投资项目从方案论证到立项再到建设施工最后投产运行需要经历很长的时间跨度，并且整个项目具有不可逆性，在储能项目建设实施过程中影响项目收益的因素众多，满足实物期权理论的应用条件，因此储能项目内包含巨大的期权价值不容忽视，所以净现值和折现现金流方法已经不再适用于储能等长周期、大投资、具有多影响因素的项目投资评价体系，即使在传统方法的评价体系中加入了风险因素，也会由于风险系数的选择具有人为的主观性使得评价不够精确，与传统的评价方法相比较实物期权评价方法融入了更多的柔性思维，能够利用投资市场信息将未来风险进行量化计算，兼顾短期投资和长期投资的价值，提高储能项目经济评价的有效性。1.2布莱克-舒克斯期权定价模型FisherBlack和MyronScholes提出的布莱克-舒克斯期权定价模型（Black-Schole，B-S），是金融衍生工具的定价模型，二人凭借B-S模型在1997年获得经济学诺贝尔奖金，因此布莱克-舒克斯期权定价模型成为期权定价理论中的重要组成部分。模型求解过程中使用偏微分的方法分析那些随者时间变化而对期权价值产生影响的因素，基本思想是：投资过程中的实物具有的价格及其标的物价格都会受到同一种不确定因素的影响，二者由于受到市场波动所引起的价格变化都服从标准布朗运动，模型可以通过解析方法直接求解，在得到的显性解中可以对影响期权的因素进行敏感性分析，与其他的期权定价模型相比，虽然B-S期权定价模型在伊藤引理的基础上做了假设但这种假设仍然比其他期权定价模型有一定的优越性，所以由B-S模型分析得到的价格更贴近于市场价格。目前影响储能投资决策的主要因素有储能电池的单位容量成本过高、上网标杆电价越来越接近平价上网、政府在各地的补贴政策逐步取消以及风电场由于风资源导致的限电小时数等，因此在利用净现值分析储能收益的基础上融入实物期权能够更合理的预测投资过程产生的收益。表4-1我国陆上风电上网标杆电价Tab.4-1Benchmarkingtariffsforonshorewindpowerinmycountry时间时间陆上风电Ⅰ类陆上风电Ⅱ类陆上风电Ⅲ类陆上风电Ⅳ类2015年标杆电价0.490.520.560.612016-2017年标杆电价0.470.50.540.602018年标杆电价0.400.450.490.572019年指导电价0.340.390.430.522020年指导电价0.290.340.380.57分类较长的投资回收期带来的众多不确定性给储能电池应用的推广和投资带来壁垒，但是近年来电池技术不断进步促使成本逐年降低，另一方面新疆、三北地区的电网扩容使风电场的限电时间减少，面对诸多不确定因素，风电场储能投资者通过时间上延迟实施配置储能设备来增加项目收益构成了延迟型实物期权。由于储能项目的初始投资成本和上网电价均符合几何布朗运动，所以风力发电侧储能项目的价值满足几何布朗运动方程：分类 （4-4）式中：—时刻项目资产收益现值；—项目价值的瞬时期望漂移率；—由于延迟投资而使项目造成的报酬亏空率；—项目价值增长瞬时标准差，即价值的波动率；—维纳过程增量。式（4-4）描述了储能项目的价格变化是随机微分方程，经济学家布莱克、舒克斯在伊藤引理的基础上建立了无套利实物期权模型的B-S随机微分方程： （4-5）在下列假设条件下：①项目资产收益率服从对数正态分布；②在期权有效期内,无风险利率和金融资产收益是恒定的；③市场无摩擦,即不存在税收和交易成本；④该期权属于欧式期权，到期才能执行。求得不计红利的B-S随机微分方程的显性解： (4-6) (4-7) (4-8)式中：C—投资项目的期权价值；S—项目的收益现值；X—项目的投资成本；T—项目有效期/年；r—无风险利率；—项目投资回报收益的波动率；N(·)—标准正态分布的累计概率分布函数。（1）储能系统投资成本分析风电场储能系统为了减少功率转换设备投入和后期维护的便捷采用集中配置在低压侧的方式进行安装，储能系统组成结构中主要包括的硬件单元有电池组、整流逆变器组件、通信和数据采集卡；软件部分主要有电池能量管理系统，除了支撑系统稳定运行的软硬件设备之外整个系统运行过程中可能会发生的故障、检修等随之产生的运维费用也应该包含在成本之内，下面对构成初期投资的主要部分进行投资成本建模。锂电池投资成本模型储能系统中的最重要组成部分原件包括提供能量的池组件、用于AD-CD和CD-AD的功率转换设备以及能量管理系统，目前储能系统的初始投资主要系统的容量决定，所以初始投资的成本有公式。 (4-9)式中：为储能设备初始投资成本；为储能功率成本系数；为额定功率；为储能容量成本系数；Q为储能容量。储能系统的运行维护成本模型项目投入使用以后储能系统的运行维护成本主要包括储能电池日常维护、故障的消除、定期人工巡检以及场内的灯具运行、冷却设备和控制设备所需的能源。 (4-10)式中：为储能运行维护成本；为单位容量运行维护成本系数。储能系统初始投资成本计算模型储能系统的初始投资成本从项目的开始到最后项目投入运行，在长期的建设和维护过程中也应该包括初期土建费用、人工费，后期由于项目时间较长电池达到使用寿命而各种转换设备仍然可以使用时发生电池置换费用以及废弃电池处置成本等，这些费用以系数予以考虑。初始投资成本可按式（4-11）计算： （4-11）（2）储能系统收益模型本文对风电场储能系统的收益的研究方法采用综合收益法，其中主要考虑现有政策下的收益中上网电量产生的收益、储能电池残值、减少碳燃烧和环境收益三个方面，与全寿命周期计算方法仅考虑上网电价收益相比较考虑的因素更全面。上网电量收益模型储能系统的收益主要来源于由并网要求而被限制出力时段的电能储存在电池内并在负荷高峰时由于配备储能系统满足并网要求而释放出来，从而增加风电场的等效利用小时数来获利。储能系统上网电量收益可按式（4-12）、（4-13）计算： （4-12） （4-13）式中：—n年上网电量；—机组额定功率；S—上网电量收益；R—风电标杆上网电价；—锂电池的转换效率。储能电站残值随着近年来锂电池回收技术发展，风电场中的锂电池在达到使用寿命后会进行回收，其中最重要的电池正极金属材料可以拆解回收再利用，由于风电场运行周期大于电池寿命但是与电池配套的功率转换装置、电池管理设备仍然可以在下一批电池中继续使用。除电池在使用过程有少量损失外，其他装置的残值率达到20%到30%。环境效益和节煤收益风力发电过程中不排放污染物，因此节能减排所产生的环境效益表现为替代煤炭产生的相同电量所消耗的煤炭和减少污染物排放产生的收益。目前我国将风电与燃烧煤炭发电进行对照比较，节约能源方面以节约标煤量计算，参考火电行业平均的煤耗水平，即全国火电发电标准煤耗值；对风电环境效益的考量，可以从二氧化碳、氮和硫的氧化物等污染物作为风电的环境效益指标。 （4-14）式中：—使用储能减少污染的环境效益，—使用常规发电机组的供电成本；—第i项污染物的的环境价值；—污染物的排放数量。1.3算例分析为验证本文提出方法的有效性，本节以某风电场为研究对象，根据风电场的实测数据研究实物期权在风电场储能投资方面的有效性。该风电场的总装机容量为30MW，取某一天的风电功率输出数据，采样时间间隔为：点/min，其他计算数据如下：储能系统初始状态是零，在充电功率等于放电功率的前提下为保证储能能量完全被利用，充电时间不应超过12小时，储能放电时间3小时,储能电站运行时间7年。2）由于新疆地区属于第一类风资源区域，上网电价为0.29元/kW.h考虑在使用锂电池和超级电容储能放电深度和寿命之间的关系，本文采用放点深度DOD%=80%，每天充放电一次模式。3）采用锂电池预制舱户外布置方式，转换效率，循环1000~3000次，期望收益率10%，全寿命周期内每年平均运维费1.1%，无风险利率r=1.1%。利用公式（4-9）到公式（4-14）计算储能项目投资成本与收益：储能设备初始投资：运行维护成本：储能系统的残值：上网电量收益：环境收益：节煤收益：表4-2储能项目投资成本与收益Tab.4-2Energystorageprojectinvestmentcostsandbenefits费用项目费用项目储能设备投资维护成本上网电量收益储能电站残值节煤收益环境收益万元3213247.4886.65642.6761.35856.08从表中的数据分析可以看出整个项目的初期投资主要包括设备和后期的维护成本，收益来自于上网电量、设备残值、环境收益。使用动态评价方法计算净现值：使用贴现现金流量法计算净现值NPV小于零，其中初期储能设备投资较大和上网电价接近平价成为影响最终收益的主要因素，说明风电厂在安装了储能设备后在投资有效期内仍然不会获利，属于应该放弃的项目。由于近几年的储能技术的不断进步、新材料的不断出现导致储能设备单位容量价格不断下降，所以初期投资将会不断降低，通过考虑这些不确定因素影响，利用B-S模型计算不同延迟时间的期权价值，以此作为未来是否投资的依据。表4-3不同延迟时间产生的期权价值与扩展净现值Tab.4-3Optionvalueandexpandednetpresentvaluegeneratedbydifferentdelayyears延迟时间/年T=0T=1T=2T=3T=4期权价值/万元0118.4246.2363.3472.7扩展净现值/万元-310.72-192.3-61.5352.54162通过表（4-3）中数据可以看出，在目前各种条件不变的的情况下，通过延迟投资将会带来一定的期权价值。因此在投资有效期内，随着时间的延迟，期权价值将会逐渐增加，当T=3时扩展净现值由-61.53万元变成52.54万元。利用MATLAB软件中对算例进行分析，波形图如下（4-2）所示。图4-2延长时间与期权、扩展净现值关系曲线Fig.4-2Relationshipcurvebetweenextendedtimeandoptions,extendednetpresentvalue1.4敏感性分析由于在风力发电侧安装储能设备的整个项目在立项、论证评估、建设、运行的周期较长所以影响项目最终投资决策的因素除了项目的延迟时间外还有储能上网电价收益、市场波动率、贷款利率等因素影响，本文采用控制变量法就其他因素恒定时对上述三个因素变化对期权进行敏感性分析。敏感性指标DeltaDelta是分析实物期权敏感性的一个重要参数，表示未来标的物产生的收益变动对期权的影响程度，实质就是对B-S模型中的期权C求关于S的偏导数。当项目属于看跌期权时，-1<Detal<0；当项目属于看涨期权，则0<Delta<1。储能项目的敏感性指标Delta如图（4-3）所示：图4-3敏感性指标Detal曲线Fig.4-3SensitivityIndexDetalCurve图（4-3）中曲线的趋势是逐渐上升的，表示期权的增长与未来储能项目收益的增长方向一致，收益在3149.68时，Detal值为0.685，属于可投资项目。敏感性指标GammaGamma表示Delta的导数，表示S每变动一个单位时曲线Detal的变化比，看涨期权的Gamma值为正值且比较小，用于计量期权的市场价与成交价的差异。Gamma绝对值越大就越靠近期权的成交价格，绝对值越小项目执行的可能性就越小，储能的敏感性指标Gamma如图（4-4）所示：图4-4敏感性指标Gamma曲线Fig.4-4SensitivityindexGammacurve由于Delta曲线呈S型上升趋势，所以Gamma曲线呈两边低中间高，因此当其他条件不变时，在曲线的最高点Gamma值为时，储能项目在市场条件下通过延长3年后实际收益达到2905万时项目即可执行（成交）。敏感性指标ThetaT