钠硫电池储能系统的电价机制研究
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孙波 1，廖强强 1，陆宇东 2，周国定 1，陈飞杰 2，葛红花 1
（1．上海电力学院 经济与管理学院，上海市 杨浦区 200090； 2．国网上海市电力公司，上海市 虹口区 200080）
Research on Electricity Pricing Mechanism of NaS Battery Based Energy Storage System
表示能源转化效率，钠硫电池储能系统的年放电收
益为 pdE ，年充电成本为 pcE /h 。 设 N 为储能系统的投资回报期，i 为资金的时间
价值比率(贴现率、投资回报率、资金成本等)，C 表
示钠硫储能系统的总成本，即每年的建设成本，
充电成本和运行成本之和，则 C
=
(1 + i)N - 1 i(1 + i)N
1 钠硫储能系统的成本收益模型
1.1 符号说明
首先建立钠硫电池储能系统充放电的成本收
益模型，用 PNAS 表示储能系统的输出功率(单位为 kW)，ENAS 表示储能容量(单位为 kW×h)，c0 表示单 位能量建设成本(单位为元/kW×h)，则总建设成本为 c0ENAS 。钠硫电池储能系统每年的运行成本包括运 行、维护费用以及系统因使用而需要支付的管理等
(
pc E h
+
ac0ENAS) + c0ENAS 。设 B 表示钠硫储能系统的总收
益，即投资回报期内容量收益和电度收益之和，则
B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
(1 + i(1
i) +
N
i)
-
N
1
(
pd E
+
p1PNAS )
。设
G
表示钠硫电池
储能系统的净利润，则有
G=B-C =
(1 + i) i(1 +
N
i)
-
N
1
(
pd
E
+
p1PNAS
峰用电负荷在 3 MW 左右，低谷用电负荷在 1 MW
左右，电网供电容量只有 2 MW，高峰时段所缺的
1 MW 容量由钠硫电池储能系统通过削峰填谷提供。
本文以该钠硫电池储能系统为例，通过经济性分析
研究相应的电价机制。表 1 列出了该钠硫电池储能
系统的主要参数。
表 1 钠硫电池储能系统主要参数 Tab. 1 Parameters of the NaS battery energy
ABSTRACT: A cost-benefit analysis model of NaS battery based energy storage system was established to study the electricity pricing mechanism during load shifting of power grid. The energy storage pricing strategies under three electricity pricing mechanisms, namely the capacity pricing mechanism, the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism, were discussed. Research results show that the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism are more suitable for the NaS battery based energy storage system than the energy pricing mechanism. Along with the reduction of specific energy construction cost for NaS battery based energy storage system from 3 000 RMB/kWh to 1 000 RMB/kWh, the discharge price of NaS battery based energy storage system, which is set by the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism, could be controlled to about 1 RMB/kWh, thus it may possess the elementary capability to compete with the Shanghai industrial and commercial electricity price in peak periods.
KEY WORDS: NaS battery based energy storage system; capacity price; energy price; two-part electricity price
摘要：采用成本收益模型研究了钠硫电池储能系统在电网削 峰填谷作用中的电价机制。从单一容量电价、单一电度电价、 两部制电价 3 种电价机制讨论了固定投资回报期下的储能 电价策略。研究结果表明，对于能量型的钠硫电池储能系统， 采用单一容量电价机制来制定储能电价不太合适，而采用单一 电度电价和两部制电价机制则更为合适。随着钠硫电池储能系 统单位能量建设成本从 3 000 元/kW·h 降至 1 000 元/kW·h， 采用单一电度电价和两部制电价机制制定的放电电价可控 制在 1 元/kW·h 左右，初步具备了与上海工商业高峰时段电 度电价竞争的优势。
相比于其他的储能电池，钠硫电池拥有能量密 度高、占地面积小、充放电效率高、循环寿命长、 连续放电时间长等特征，是一种特别适合于削峰填 谷的储能电池[5-9]。从世界范围来看，到目前为止， 有近 250 座钠硫电池储能系统在全球运行，其中大 部分建在日本，2/3 用于负荷调峰[10]。当然，钠硫 电池也存在一定的缺点：它是一种高温运行设备， 需要维持 300℃左右的温度；所使用的电解质为 β氧化铝陶瓷，这种物质目前全球只有日本 NGK 公司 可批量生产[11]。2005 年起，上海硅酸盐研究所与上 海市电力公司合作，开展大容量钠硫电池的研究[12]。 钠硫储能电池已被列为国家和上海市重点发展方 向，成立的上海电气钠硫储能技术有限公司计划 2013 年贯通具备 5~10 MW 生产能力的产品中试线， 2014 年贯通 50 MW 生产线形成规模化生产能力。
式(2)中能量的单位均为 kW×h。
表 2 统计了在 946 d 运行期间的每日充放电能
量等数据，其中能源转换效率包括了逆变器和整流
器所造成的损失。总的能源转换效率达到 77.9%，
与抽水蓄能电站的换能效率相当。
不妨取钠硫电池储能系统的建设成本 c0 =3000 元/kW×h[16-17]，假设年运行成本取 α=2%，时间价值
本文拟对钠硫电池储能系统的电价机制进行 研究。首先建立钠硫电池储能系统的成本收益模型， 并分析现有的两部制电价机制下钠硫电池储能系 统的经济性；再分别在单一容量电价、单一电度电 价、两部制电价机制下考察钠硫电池储能系统的放 电电价，最后计算储能电池成本降低对储能放电电 价的影响。其中单一容量电价是指仅按照用电负荷 容量计费的电价，单一电度电价是指仅按照用电电 量计费的电价，两部制电价机制是指分别按容量和 电量两部分来计费的电价制度。
在钠硫电池储能系统的研究中，关于电价机制 的研究尚未受到特别关注，现有文献也相对较少， 其主要关注点集中在钠硫电池储能系统的应用和 实现。文献[11]介绍了储能技术在电力系统中的应
第 38 卷 第 8 期
电网技术
2109
用，钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且具 广阔发展前景的大容量电力储能电池。文献[13]建 立了包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化 模型，分析讨论了多种因素对系统经济运行优化结 果的影响。文献[14]介绍了美国 2006 年投入商业运 行的第一套基于钠硫电池的 1.2 MW 分布式储能系 统，为我国设计安装运行大规模电力储能系统提供 参考和借鉴。
SUN Bo1, LIAO Qiangqiang1, LU Yudong2, ZHOU Guoding1, CHEN Feijie2, GE Honghua1
(1. College of Economics and Management, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China; 2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Hongkou District, Shanghai 200080, China)
-
pc E h
- ac0ENAS )
-
c0 ENAS
(1)
令 G=0，求解投资回收周期 N0，则有
ì ïï
N0
=
log1+i
1 1- M
í ïM ïî
=
pd E +
c0 ENAS p1PNAS - pc E / h
- a c0 ENAS
1.2 现有两部制电价下钠硫电池储能系统投资回
报期的计算
从 2002 年 8 月起，一座 1 MW/8 MW×h 的钠硫 电池储能系统在日本 Meisei 大学运行[15]。该大学高
比率 i=0.08。下文分别在日本、美国、中国 3 个两
部电价机制下计算该钠硫电池储能系统的回报期。
以日本东京的最高容量电价 260 日元/(kW·月)、
充电电价 6.16 日元/kW×h(低谷电价)、放电电价
表 2 2003-07-27—2006-03-04 期间运行的日平均能量数据 Tab. 2 Daily average operation data during 2003-07-27—2006-03-04
storage system
额定输出 三相额定 储能容量/ 电池
电池
功率/MW 电压/kV MW×h
单元
模块
每个单元有 5 个模块，
1
6.6
AC 8 300 kW×4
每个模块有 384 个单体
钠硫电池储能系统的能源转换效率h由式(2)[15]
计算得到：
h=放电能量/[充电能量+加热所需能量] (2)
关键词：钠硫电池储能系统；容量电价；电度电价；两部制 电价 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.08.014
0 引言
储能技术是指将电能通过某种装置转换成其 他便于存储的能量并高效存储起来，在需要时可以 将所存储的能量方便地转换成所需形式能量的一 种技术。电池储能系统主要是利用电池正负极的氧 化还原反应进行充放电[1]。电力系统的应用背景决 定了储能系统应具有容量大、效率高、使用寿命长、 造价相对低廉等特点。近些年出现的钠硫电池储能 技术能较好地满足电力系统大规模储能的需求[2-4]。
第 38 卷 第 8 期 2014 年 8 月
文章编号：1000-3673（2014）08-2108-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 912 文献标志码：A
Vol. 38 No. 8 Aug. 2014
学科代码：790·625
钠硫电池储能系统的电价机制研究
费用等。设 α 表示年运行成本与总建设成本的比值，
则钠硫电池储能系统的年运行成本为ac0ENAS 。 设 p1 表示储能系统供电的年容量电价(单位为
元/kW)，则年容量收益为 p1PNAS 。设 E 表示储能系 统每年的放电量(单位为 kW×h)，pd 表示放电电价(单 位为元/kW×h)，pc 表示充电电价(单位为元/kW×h)，η
基金项目：国家自然科学基金青年项目(71103120)；上海市科委项 目(12692104500)；上海市教委科研创新项目(13YZ107，13YS092)；国 家电网公司科技项目(52091113502K)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China Youth Project (71103120); Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC(52091113502K).
（1．上海电力学院 经济与管理学院，上海市 杨浦区 200090； 2．国网上海市电力公司，上海市 虹口区 200080）
Research on Electricity Pricing Mechanism of NaS Battery Based Energy Storage System
表示能源转化效率，钠硫电池储能系统的年放电收
益为 pdE ，年充电成本为 pcE /h 。 设 N 为储能系统的投资回报期，i 为资金的时间
价值比率(贴现率、投资回报率、资金成本等)，C 表
示钠硫储能系统的总成本，即每年的建设成本，
充电成本和运行成本之和，则 C
=
(1 + i)N - 1 i(1 + i)N
1 钠硫储能系统的成本收益模型
1.1 符号说明
首先建立钠硫电池储能系统充放电的成本收
益模型，用 PNAS 表示储能系统的输出功率(单位为 kW)，ENAS 表示储能容量(单位为 kW×h)，c0 表示单 位能量建设成本(单位为元/kW×h)，则总建设成本为 c0ENAS 。钠硫电池储能系统每年的运行成本包括运 行、维护费用以及系统因使用而需要支付的管理等
(
pc E h
+
ac0ENAS) + c0ENAS 。设 B 表示钠硫储能系统的总收
益，即投资回报期内容量收益和电度收益之和，则
B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
(1 + i(1
i) +
N
i)
-
N
1
(
pd E
+
p1PNAS )
。设
G
表示钠硫电池
储能系统的净利润，则有
G=B-C =
(1 + i) i(1 +
N
i)
-
N
1
(
pd
E
+
p1PNAS
峰用电负荷在 3 MW 左右，低谷用电负荷在 1 MW
左右，电网供电容量只有 2 MW，高峰时段所缺的
1 MW 容量由钠硫电池储能系统通过削峰填谷提供。
本文以该钠硫电池储能系统为例，通过经济性分析
研究相应的电价机制。表 1 列出了该钠硫电池储能
系统的主要参数。
表 1 钠硫电池储能系统主要参数 Tab. 1 Parameters of the NaS battery energy
ABSTRACT: A cost-benefit analysis model of NaS battery based energy storage system was established to study the electricity pricing mechanism during load shifting of power grid. The energy storage pricing strategies under three electricity pricing mechanisms, namely the capacity pricing mechanism, the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism, were discussed. Research results show that the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism are more suitable for the NaS battery based energy storage system than the energy pricing mechanism. Along with the reduction of specific energy construction cost for NaS battery based energy storage system from 3 000 RMB/kWh to 1 000 RMB/kWh, the discharge price of NaS battery based energy storage system, which is set by the energy pricing mechanism and the two-part electricity pricing mechanism, could be controlled to about 1 RMB/kWh, thus it may possess the elementary capability to compete with the Shanghai industrial and commercial electricity price in peak periods.
KEY WORDS: NaS battery based energy storage system; capacity price; energy price; two-part electricity price
摘要：采用成本收益模型研究了钠硫电池储能系统在电网削 峰填谷作用中的电价机制。从单一容量电价、单一电度电价、 两部制电价 3 种电价机制讨论了固定投资回报期下的储能 电价策略。研究结果表明，对于能量型的钠硫电池储能系统， 采用单一容量电价机制来制定储能电价不太合适，而采用单一 电度电价和两部制电价机制则更为合适。随着钠硫电池储能系 统单位能量建设成本从 3 000 元/kW·h 降至 1 000 元/kW·h， 采用单一电度电价和两部制电价机制制定的放电电价可控 制在 1 元/kW·h 左右，初步具备了与上海工商业高峰时段电 度电价竞争的优势。
相比于其他的储能电池，钠硫电池拥有能量密 度高、占地面积小、充放电效率高、循环寿命长、 连续放电时间长等特征，是一种特别适合于削峰填 谷的储能电池[5-9]。从世界范围来看，到目前为止， 有近 250 座钠硫电池储能系统在全球运行，其中大 部分建在日本，2/3 用于负荷调峰[10]。当然，钠硫 电池也存在一定的缺点：它是一种高温运行设备， 需要维持 300℃左右的温度；所使用的电解质为 β氧化铝陶瓷，这种物质目前全球只有日本 NGK 公司 可批量生产[11]。2005 年起，上海硅酸盐研究所与上 海市电力公司合作，开展大容量钠硫电池的研究[12]。 钠硫储能电池已被列为国家和上海市重点发展方 向，成立的上海电气钠硫储能技术有限公司计划 2013 年贯通具备 5~10 MW 生产能力的产品中试线， 2014 年贯通 50 MW 生产线形成规模化生产能力。
式(2)中能量的单位均为 kW×h。
表 2 统计了在 946 d 运行期间的每日充放电能
量等数据，其中能源转换效率包括了逆变器和整流
器所造成的损失。总的能源转换效率达到 77.9%，
与抽水蓄能电站的换能效率相当。
不妨取钠硫电池储能系统的建设成本 c0 =3000 元/kW×h[16-17]，假设年运行成本取 α=2%，时间价值
本文拟对钠硫电池储能系统的电价机制进行 研究。首先建立钠硫电池储能系统的成本收益模型， 并分析现有的两部制电价机制下钠硫电池储能系 统的经济性；再分别在单一容量电价、单一电度电 价、两部制电价机制下考察钠硫电池储能系统的放 电电价，最后计算储能电池成本降低对储能放电电 价的影响。其中单一容量电价是指仅按照用电负荷 容量计费的电价，单一电度电价是指仅按照用电电 量计费的电价，两部制电价机制是指分别按容量和 电量两部分来计费的电价制度。
在钠硫电池储能系统的研究中，关于电价机制 的研究尚未受到特别关注，现有文献也相对较少， 其主要关注点集中在钠硫电池储能系统的应用和 实现。文献[11]介绍了储能技术在电力系统中的应
第 38 卷 第 8 期
电网技术
2109
用，钠硫和液流电池则被视为新兴的、高效的且具 广阔发展前景的大容量电力储能电池。文献[13]建 立了包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化 模型，分析讨论了多种因素对系统经济运行优化结 果的影响。文献[14]介绍了美国 2006 年投入商业运 行的第一套基于钠硫电池的 1.2 MW 分布式储能系 统，为我国设计安装运行大规模电力储能系统提供 参考和借鉴。
SUN Bo1, LIAO Qiangqiang1, LU Yudong2, ZHOU Guoding1, CHEN Feijie2, GE Honghua1
(1. College of Economics and Management, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China; 2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Hongkou District, Shanghai 200080, China)
-
pc E h
- ac0ENAS )
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令 G=0，求解投资回收周期 N0，则有
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c0 ENAS p1PNAS - pc E / h
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1.2 现有两部制电价下钠硫电池储能系统投资回
报期的计算
从 2002 年 8 月起，一座 1 MW/8 MW×h 的钠硫 电池储能系统在日本 Meisei 大学运行[15]。该大学高
比率 i=0.08。下文分别在日本、美国、中国 3 个两
部电价机制下计算该钠硫电池储能系统的回报期。
以日本东京的最高容量电价 260 日元/(kW·月)、
充电电价 6.16 日元/kW×h(低谷电价)、放电电价
表 2 2003-07-27—2006-03-04 期间运行的日平均能量数据 Tab. 2 Daily average operation data during 2003-07-27—2006-03-04
storage system
额定输出 三相额定 储能容量/ 电池
电池
功率/MW 电压/kV MW×h
单元
模块
每个单元有 5 个模块，
1
6.6
AC 8 300 kW×4
每个模块有 384 个单体
钠硫电池储能系统的能源转换效率h由式(2)[15]
计算得到：
h=放电能量/[充电能量+加热所需能量] (2)
关键词：钠硫电池储能系统；容量电价；电度电价；两部制 电价 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.08.014
0 引言
储能技术是指将电能通过某种装置转换成其 他便于存储的能量并高效存储起来，在需要时可以 将所存储的能量方便地转换成所需形式能量的一 种技术。电池储能系统主要是利用电池正负极的氧 化还原反应进行充放电[1]。电力系统的应用背景决 定了储能系统应具有容量大、效率高、使用寿命长、 造价相对低廉等特点。近些年出现的钠硫电池储能 技术能较好地满足电力系统大规模储能的需求[2-4]。
第 38 卷 第 8 期 2014 年 8 月
文章编号：1000-3673（2014）08-2108-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 912 文献标志码：A
Vol. 38 No. 8 Aug. 2014
学科代码：790·625
钠硫电池储能系统的电价机制研究
费用等。设 α 表示年运行成本与总建设成本的比值，
则钠硫电池储能系统的年运行成本为ac0ENAS 。 设 p1 表示储能系统供电的年容量电价(单位为
元/kW)，则年容量收益为 p1PNAS 。设 E 表示储能系 统每年的放电量(单位为 kW×h)，pd 表示放电电价(单 位为元/kW×h)，pc 表示充电电价(单位为元/kW×h)，η
基金项目：国家自然科学基金青年项目(71103120)；上海市科委项 目(12692104500)；上海市教委科研创新项目(13YZ107，13YS092)；国 家电网公司科技项目(52091113502K)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China Youth Project (71103120); Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC(52091113502K).