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储能在调频的效果显著、市场巨大，值得大家关注、探讨！
我们重点关注的光伏等清洁电力占比提高后，储能调频需求更是会提升，相关公司受益明显！
报告：
储能系列报告之二——调频：初露锋芒，唯快不破
能源化工组 2017年7月5日
调频市场被低估。对于电网来说能量供需不平衡和系统突发事件是电力系统运行的固有特性，在传统能源结构中，电网短时间内的能量不平衡是由传统机组（在我国主要是火电和水电）通过响应AGC信号来进行调节的。而随着新能源的并网，风光的波动性和随机性使得电网短时间内的能量不平衡加剧，传统能源（特别是火电）由于调频速度慢，在响应信号时具有滞后性，因此不能满足新增的需求，而储能（特别是电化学储能）由于调频速度快，容量可调，因此成为非常好的调频资源。根据California电力市场的电源特点，平均来看，储能调频效果是水电机组的1.7倍，燃气机组的2.5倍，燃煤机组的20倍以上。
储能参与AGC调频效果显著。在现有的政策及技术条件下，储能由于无法作为独立主体参与到市场中，因此目前储能参与调频市场的方式是与火电形成一个混合机组。根据华北区域的细则，理论上最好的调频效果与最差的调频效果之间可以相差近8000倍。实际应用中，投入前K2和K3的平均值分别在1.4和1.5左右，投入后上升到1.5和1.6左右，Kp值从2.98上升到3.2左右，后期通过进一步优化使得Kp值提升到接近5，体现了储能在调频方面具有非常优越的性能。
调频市场空间巨大。从PJM市场的经验以及石景山项目的调频效果来看，调频的需求大约是总装机容量的2%左右，我们得到全国存量调频规模大约在42GW左右。考虑到目前只有华北区域是依效果付费，我们仅考虑华北区域总体的极限替代也能达到近770万千瓦。目前国内外并没有对调频规模的统一测算方法，调频需求是1%~2%的峰值负荷这一结论只是海外的经验数据，实际上随着新能源的占比的不断上升，实际需求还将会更高。以加州为例，由于风光的大量接入，2016年CAISO增加了2月~6月调频需求量（一般增加到600MW，在2月底~3月初增加到800MW），总需求量是同期的近两倍，而这段时间内的调节成本同比上涨了6倍，这体现了调频巨大的经济效益。2016年加州总装机量达7902.6万千瓦，其中风电占比7.1%，太阳能占比12.5%，相比之下PJM总装机量达1.82亿千瓦，而风电只占0.6%，太阳能占比只有0.1%。反应在调频需求上加州的调频需求是峰值容量的0.9%，最高峰时可达1.7%，而加州只有0.3%~0.5%。从国内来看，自2008年以来国内装机容量平均年增长率超过8%，我们认为未来5年装机量平均增长率仍将保持这一速度，因此年新增装机量将有约1.5亿千瓦，由此我们得出年调频需求在1.5~2GW左右。
调频经济性远好于削峰填谷。因此根据清华大学电机系刘红卫的硕士毕业论文《电池储能系统与火电机组联合调频的性能及经济性分析》中石景山的项目数据，我们得到储能和火电机组联合调频的效果及经济性相关评价。石景山项目总投资2260万元，其中电池为1200万元，PCS为600万元，施工费用460万元，我们假设设备残值为5%，根据以上假设我们进行投资回收期测算，在第5年时NPV即可为正，IRR可达到11%，体现了调频项目具有非常好的投资前景。由此我们可以看出调频的经济性远超削峰填谷，而未来随着新能源在电源中占比的进一步提高，以及电力市场进一步深化，开放辅助服务市场，调频的需求也将进一步释放，因此我们认为调频将会成为一个竞争激烈的市场。此外还可以将同一储能应用到不同的场景中，通过多种场景叠加来获得更多的收益，从而进一步缩短投资回收期。
建议关注的公司：由于能量供需不平衡和系统突发事件是电力系统运行的固有特性，因此调频是系统内在的需求。随着风光等新能源接入比例逐步升高，调频的需求也将快速上升，从而为整个市场带来相应的机会。同时调频的投资回收期在5年左右，显著优于削峰填谷，我们认为调频市场正处于从用传统能源调频向储能调频过渡的时期，替代效应正在逐步显现。在投资标的方面，上市公司建议关注：科陆电子、比亚迪和南都电源。非上市公司建议关注：睿能世纪和珠海银隆。
相关行业风险：政策推进力度不及预期，辅助服务市场中政策改变可能会对储能的替代有一定的抑制作用；电网系统技术进步带来需求的减少；技术进步、成本下降不及预期导致发展缓慢。
目 录
调频，被低估的市场
新能源装机量增长，调频需求激增
电池储能是构建新电网中的关键
在AGC调频中储能的效果明显
调频效果显著，经济性优于削峰填谷
投资标的
科陆电子（002121.SZ）
比亚迪（002594.SZ）
南都电源（300068.SZ）
睿能世纪
珠海银隆
风险因素
调频，被低估的市场
新能源装机量增长，调频需求激增
在整个电网中，频率是保证机组和用户用电安全的重要约束条件，一定程度的小范围频率波动（如国内大电网为±0.2HZ）一般可以被整个电网接受，但是一旦频率波动范围过大则会造成机组切机、用户电器跳闸等意外发生，造成损失。电网的频率与发电机及用户的负荷相关，当发电机和用户的负荷相平衡时，频率稳定在60HZ（国内为50HZ），当发电机容量超过负荷容量时，频率会上升，反之亦然。
对于电网来说，发电端的供给和用电端的需求必须保持实时平衡，由于实际过程中，用户无序的使用以及发电端新能源发电的波动性特征使得电网无法保证真正的实时平衡，通过调节供需可以使得电网能在较小的范围内波动，从而达到相对平衡的状态。以发电机切机导致频率降低为例，目前三时间段框架是应用较为普遍的平衡机制：在大量机组切除后的30S内，发电厂通过机组惯性和调速器响应来控制频率偏移，自动抑制频率衰减，此时是一次调频；在30S~10min的期间内，以调频器为代表的二次调频设备介入调频，此为二次调频；第三个时间段从第5min开始，资源的经济调度通过5min实时情况提供三级控制机制，此时进行三次调频。
在三时间段框架中，一次调频是机组的基本服务，是用于调节电网中较小的波动是其维持在正常的范围内，电厂无法靠其获得收益。自动发电控制（Automatic GenerationControl, AGC）是二次频率控制的第一种形式，AGC系统通过监测自身频率变化及其与相邻区域之间的实际交换功率变化得到区域控制误差（Area Control Error, ACE）,当其偏离平衡零点时，AGC将调度信号传输给发电机，实施相应的提高/降低出力从而达到升/降频的目的。例如发电机脱网造成频率大幅下降超过一次调频的范围时，通过二次调频介入抑制频率下降，并逐步使频率回升到正常水平。
随着新能源装机容量的不断上升，旧有的电网系统已经无法适应新能源接入带来的各种变化，特别是对于风电和光伏来说，由于没有办法进行一次调频，因此随着风光在电源结构中占比的不断攀升，系统调频的压力也越来越大。风电由于电机的转子惯性很小，同时缺乏调速器在扰动后增加机组出力，因此从性质上可以将其看成是无调节的火电机组。而光伏更是没有旋转体提供惯性，尽量在理论上逆变器可以提供在从直流向交流的电力转换过程中的响应，但是这需要依赖于只能电网监控和通讯功能，因此在现有条件下也不具有一次调频能力。当系统缺乏足够的一次调频能力时，可能无法在干扰后充分抑制频率波动，导致出现运营商采取甩负荷的措施，造成发电厂和用户双输的局面。
电池储能是构建新电网中的关键
对于调频来说，传统电网中采用水电、火电和气电等机组进行调节，由于没有风光等短时间波动剧烈的电源，传统机组能较好的对电网进行调频。但是当新能源发电装机量占比逐渐上升之后，剧烈的波动需大量的传统机组来进行调频，特别是我国以煤电为主的电源结构下，火电机组的调频能力最差，因此需要建设更多的火电厂来保证电网频率，这样会造成大量的资源浪费。但是如果采用电池储能系统，则可以在降低成本的同时用较少的装机量实现更好的调频效果。
储能对传统电源的调频替代作用是非常显著的。我们假设区域电网在2min内有20MW的升功率需求，即对系统整体的爬坡能力要求为10MW/min。传统火电机组的爬坡率在2%~5%，我们假设火电机组爬坡率为2％/min，则需要一台容量为500MW的火电机组来提供调节，而采用20MW的储能系统就能够瞬间完成升功率的需求，即在该调节速率需求下，１MW储能系统提供的AGC调频能力相当于25MW火电机组的调节能力。如果系统的功率调节需求为20MW/min ，则储能的调节功率替代效果是燃煤机组的50倍。PNNL同过仿真得到类似的结论，根据California电力市场的电源特点，平均来看，储能调频效果是水电机组的1.7倍，燃气机组的2.5倍，燃煤机组的20倍以上。
由于储能在发输配售各个领域都有相关应用场景，因此其发展非常迅速，但是相关的法律法规是制约其发展的一大因素。从全球范围来看，储能产业也是处于成长之中，以美国为例，2007年890法案确认了要包括储能在内的非传统发电电源的市场主体地位，2011年的755法案解决了储能系统参与电网调频市场获得合理回报的问题，要求电网为调频服务的效果支付调频补偿费用，因此调频的实际效果和产业爆发需要政策和标准的支持。
国内由于改革起步晚，能量市场还不完备，因此辅助服务市场相关政策的制定也非常滞后。目前全国采用的依然是各区域的《发电厂并网运行管理细则》和《并网发电厂辅助服务管理细则》。山东省在2017年6月5日发布了《山东电力辅助服务市场运营规则（试行）》，文中规定了交易品种为有偿调峰和自动发电控制（AGC），采用日前组织、日内调整的交易方式。广东于7月4日发布了《广东调频辅助服务市场建设试点方案》，但是其补偿费用依然采用先行南方区域“两个细则”相关规定进行结算，因此调频的市场建立还需时日。
在AGC调频中储能的效果明显
对于三次调频来说，其主要应用与在较长时间间隔下提交和调度资源，通常也被称为实时平衡或者负荷跟踪。我们以加州为例，CAISO通过每15min指派短期启动和快速启动机组以及每5min给机组发送调度指令来进行负荷跟踪，而对于二次调频，每隔4s，AGC系统就会监视ACE偏差并给提供调频辅助服务的机组发送调度信号，因此在此我们主要讨论储能在二次调频中的应用及其效果。
AGC调节过程
我们以《华北区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》中的图为例，T0时间机组接受到AGC指令开始调节负荷，到T1时刻跨出调节死区，T2时刻是运行人员开磨煤机，到T3时刻磨煤机完全开启，负荷进一步上升，直到指令要求的水平，自T4时刻之后机组平稳运行直到T5时刻接受下一个AGC指令，同样在T6时刻跨越调节死区，整个负调节过程直到T7时刻进入P3的调节死区，此后保持平稳运行。
目前全国除山东省以外，采用的依然是各区域的《发电厂并网运行管理细则》和《并网发电厂辅助服务管理细则》，各区域发布的《细则》针对调频的补偿办法不同，其中华北电网的补偿在考虑了容量补偿和可用时间补偿以外还考虑了调节性能，一定程度上使得性能更优的储能电站可以获得更多的补偿，因此我们采用华北区域的调频进行简单分析。
根据华北区域的《细则》，指令周期Ｔ内储能系统参与AGC调频的补偿为：
中R为系统获得的AGC调频补偿；D为补偿深度，机组接受AGC信号后调节负荷，当其调节深度达到指令指定的有效范围内并保持一定时间时，其值为否则其值为0；AAGC表示AGC补偿单价，单位为元/MW；k1表示调节速率效果指标，k2表示调节精度效果指标，k3表示响应时间效果指标，三者的计算公式如下：
式中PS是系统初始出力，PE是系统的目标出力，vN是标准调节速率（MW/min）；ΔPN为调节允许的偏差量（MW）；tst为标准响应时间（s）。当k1 、k2 、k3计算值小于0.1时，取值0.1。而k1 、k2 、k3的最大值为2，即k1 、k2 、k3的积最大为8，因此理论上来说在该公式下调频效果最大可以差8000倍。
传统机组由于响应慢，不能及时跟随AGC信号，当AGC信号下发指令的功率变化方向与机组当前实际功率变化方向相反时，机组无法快速转变功率方向，因此会产生一段时间的反方向调节，这称为反调现象。相较之下，电池储能系统因为响应快，能双向调节，因此没有反调现象。但是由于国内的调频辅助服务政策中并没有把储能系统作为一个独立电源让其参与到市场中，因此储能在辅助服务市场中地位尴尬，以调频为例，目前采用的方法是储能和火电机组联合调频的模式，利用储能的快速响应和快速调节能力来提升系统总体的调频效果。
储能对传统机组的替代效应及规模
从PJM市场的经验以及石景山项目的调频效果来看，调频的需求大约是总装机容量的2%左右，我们得到全国存量调频规模大约在42GW左右。考虑到目前只有华北区域是依效果付费，我们仅考虑华北区域总体的极限替代也能达到近770万千瓦。由于目前国内并没有对调频规模的统一测算方法，调频需求是1%~2%的峰值负荷这一结论只是海外的经验数据，我们认为在国内现有政策环境下调频的实际装机需求还会更高。
海外特别是欧洲及北美地区，由于发达国家电改走在我们的前面，因此市场相对更成熟，调频市场的需求也更强烈，如2014年欧洲总装机量为14.11亿千瓦，美国2016年装机容量为11.84亿千瓦，因此实际调频市场规模预计分别可达到28.22GW、23.68GW。而从国内来看，自2008年以来国内装机容量平均年增长率超过8%，我们认为未来5年装机量平均增长率仍将保持这一速度，因此年新增装机量将有约1.5亿千瓦，由此我们得出年调频需求在1.5~2GW左右（由于无法得知年实际峰值负荷，因此以装机量近似代替）。
实际上随着新能源的占比的不断上升，实际需求还将会更高。以加州为例，由于风光的大量接入，2016年CAISO增加了2月~6月调频需求量（一般增加到600MW，在2月底~3月初增加到800MW），总需求量是同期的近两倍，而这段时间内的调节成本同比上涨了6倍，这体现了调频巨大的经济效益。2016年加州总装机量达7902.6万千瓦，其中风电占比7.1%，太阳能占比12.5%，相比之下PJM总装机量达1.82亿千瓦，而风电只占0.6%，太阳能占比只有0.1%。反应在调频需求上加州的调频需求是峰值容量的0.9%，最高峰时可达1.7%，而PJM只有0.3%~0.5%。
调频效果显著，经济性优于削峰填谷
由于目前国内对储能调频效果及经济性的测算缺乏统一标准，因此根据清华大学电机系刘红卫的硕士毕业论文《电池储能系统与火电机组联合调频的性能及经济性分析》中石景山的项目数据，我们得到储能和火电机组联合调频的效果及经济性相关评价。
首先在针对调频性能方面储能对传统机组提升效果比较显著，Kp值从2.98上升到3.2左右。分指标看储能对调节精度和响应时间的提升效果最为明显，投入前K2和K3的平均值分别在1.4和1.5左右，投入后上升到1.5和1.6左右，实际上在后期通过进一步优化使得Kp值提升到接近5，体现了储能在调频方面具有非常优越的性能。
我们将调频装置进行投入前后补偿费用的对比,在相同工况下,未投入储能装置补偿日均额为16206元,投入储能装置以后补偿日均额在46423元,投入后是投入前的2.86倍。以2012年3号机组（未投入储能装置）一年AGC补偿费用547万元测算，投入储能装置后AGC补偿费用一年可以多收入约1017.4万元。
根据6.30~7.31的数据得到月耗电量q：
q=(1929.708-1620.036)-(1583.832-1325.172)+(68-45)=74.01
因此一年的耗电量Q：
Q=q/31*365=871.29MWh
石景山项目总投资2260万元，其中电池为1200万元，PCS为600万元，施工费用460万元，我们假设设备残值为5%，根据以上假设我们进行投资回收期测算，在第5年时NPV即可为正，IRR可达到11%，体现了调频项目具有非常好的投资前景。
由此我们可以看出调频的经济性远超削峰填谷，而未来随着新能源在电源中占比的进一步提高，以及电力市场进一步深化，开放辅助服务市场，调频的需求也将进一步释放，因此我们认为调频将会成为一个竞争激烈的市场。此外还可以将同一储能应用到不同的场景中，通过多种场景叠加来获得更多的收益，从而进一步缩短投资回收期。
投资标的
由于能量供需不平衡和系统突发事件是电力系统运行的固有特性，因此调频是系统内在的需求。随着风光等新能源接入比例逐步升高，调频的需求也将快速上升，从而为整个市场带来相应的机会。同时调频的投资回收期在5年左右，显著优于削峰填谷，我们认为调频市场正处于从用传统能源调频向储能调频过渡的时期，替代效应正在逐步显现。在投资标的方面，上市公司建议关注：科陆电子、比亚迪和南都电源。非上市公司建议关注：睿能世纪和珠海银隆。
科陆电子（002121.SZ）
公司是由国家科技部认定的国家火炬计划重点高新技术企业，专业从事用电管理系统、电子式电能表、标准仪器仪表及软件产品的研发、制造及销售。公司是国内高端电能表产业的开拓者，也是中国领先的电力设备与软件制造商。公司2016年集成电路、智慧城市业务收入增加，电能表产品贡献业绩显著。配电网方面，在国家电网公司2016年三次招标活动中，公司智能电表和用电信息采集产品均有中标，金额总计5.98亿元；新能源业务方面，公司中标锡林郭勒盟新能源通电设备升级改造工程项目、榆中县和英山县光伏扶贫项目及西藏自治区“金太阳”二期太阳能户用系统项目，公司预计中标金额共计2.29亿元；在海外市场中，公司以联合体单位中标尼泊尔国家电力局新金堤-巴哈必色220/400kV输电线路总包项目，中标金额约1.35亿元人民币，展现了良好的发展态势。
相较而言，公司在储能领域发展更值得期待。公司目前研发的磷酸铁锂电池在DOD90%，0.3C的环境下循环寿命达到7000次（电池剩余容量为60%），度电成本在0.4元/kWh左右，技术优势达到行业领先水平。公司于2016年10月29日公告增资入股江西科能储能电池系统有限公司，占比49%，子公司一期计划投建4亿AH(安时)全自动高性能锂离子储能电池生产线，配套10,000吨磷酸铁锂项目及相应的隔膜、极片制造工厂，预计今年投产，公司的电池成本有望进一步下降。此外，2016年6月，国内第一个商业化运行的风光储电网融合示范项目——玉门市三十里井子风光储电网完成了系统调试，成功并入电网投入运行，下一步将结合储能进行深入试验示范与研究应用。在调频方面，公司于4月16日发布公告称的山西同达电厂储能 AGC 调频项目）已顺利建成并即将投运，项目建设规模为9MW/4.478MWh，项目投运后，将成为目前国内规模最大的储能电力调频项目。
比亚迪（002594.SZ）
公司是国内电动汽车行业龙头，2016年新能源汽车销量9.6万辆，销量蝉连全球第一，其中新能源乘用车销量近8.6万辆，纯电动大巴销量超1万辆。电池方面，公司规划2017/2018/2019年底产能分别为20/26/34GWh，同时计划到2020年电池成本降到1元/wh以下，届时成本优势将凸显，进一步巩固公司龙头地位。从产业链的角度看，公司与青海盐湖工业股份有限公司合作共同设立新公司（公司占比48%），专门从事盐湖锂资源综合利用产品的开发、加工和销售。公司将以青海盐湖佛照蓝科锂业股份有限公司为平台，启动3万吨碳酸锂项目建设。由于锂资源的稀缺性，公司在锂电池上游布局从长远来看将有助于降低公司采购成本，提升竞争优势。
公司目前在磷酸铁锂电池方面具有较好的研发水平，实验室条件下电池循环寿命可达7000~8000次。公司目前储能产品畅销欧美，目前在美国PJM调频市场公司产品份额占据50%以上，总供应容量达132MW。此外公司在坪山有20MW，40MWh的电站，主要应用场景是削峰填谷。
南都电源（300068.SZ）
公司专业从事通信电源、绿色环保储能应用产品研究、开发、制造和销售，并为后备电源、动力电源及特殊电源领域提供完整的解决方案和服务，主导产品为阀控式密封铅酸蓄电池。公司在铅蓄电池领域深耕多年，目前公司的铅炭电池以30%SoC~80%SoC范围充放电（DOD50%）循环次数可达6000次，达到行业领先水平。公司“投资+运营”的储能系统商用化模式迅速发展和落地。累计完成签约容量近1000MWh，其中在建项目容量150MWh，待建项目容量150MWh，投运项目容量近30MWh，2016年实现储能业务收入1.70亿元，目前公司储能盈利模式以削峰填谷为主，度电峰谷差利润预计可以达到0.25~0.3元，大规模的项目落地对公司业绩将产生积极影响。
同时，公司控股华铂科技，布局铅回收，从而形成完整铅炭产业链循环。近期公司完成对华铂科技剩余49%股权的收购，从而达到100%控股。随着铅回收比例的提升，公司可以以更低的成本获得铅原材料，从而在成本上占有优势。2016年12月国家出台了《再生铅行业规范条件》，要求废铅蓄电池预处理项目规模应在10万吨/年以上。随着国家对环保标准的趋严及对行业准入门槛的提高，再生铅行业未来集中度有望提升，公司有望因此受益。调频方面，公司于6月13日发布公告称公司拟增资香港全资子公司南都国际控股公司（以下简称“南都国际”)4240万欧元以进行海外投资，南都国际投资对象为全资子公司 Narada Germany GmbH，主要用于建设一期总容量为 50MW 的调频储能电站，以参与德国调频市场服务。德国目前市场容量超过800MW，如果扩展到整个欧洲互联电网，容量超过3000MW。德国一次调频市场采用每周竞价的方式参与服务，过去8年平均收益为3000欧元/MW/周，良好的市场环境促使公司投资海外，在此过程中，公司将实现对调频储能市场的深入参与及深刻理解，同时为公司在未来储能市场的全球布局打下坚实基础。
睿能世纪
公司成立于2011年，是国内电网级别储能系统的解决方案提供商。公司由国家千人计划专家、储能行业专家、电力行业专家在内的团队创建，专注于提供火电储能联合调频系统解决方案。目前公司提供的整套调频系统核心组成包括集装箱电池系统、储能逆变器、火电储能联合调频控制系统和实时监控系统。公司在2013年9月做的京能集团北京石景山电池储能联合调频2MW项目是全球首例火电储能调频项目，目前公司已在华北区域做成了3个调频项目，总调频容量为20MW。
珠海银隆
公司以新能源产业为核心，涉足新能源汽车及储能产业，包括锂电池、电动汽车总成、整车制造、智能电网储能系统的研发、生产和销售。公司在钛酸锂电池方面领先于行业，钛酸锂电池的特点在于寿命长（普遍能达到10000次以上）、功率密度高（如美国Altairnano公司的钛酸锂电池功率密度达到1760W/kg，对比铅炭电池只有500~600W/kg）、充放电倍率高，因此很适合功率型应用场景。在实验室条件下，公司电池能以10C的倍率充放电30000次，而目前实际使用中采用6C的倍率，80%的的DOD，对于功率型应用（如调频）来说，尽管其初始投资成本较高，但是由于相较于磷酸铁锂和三元电池有较高的充放电倍率，因此实际在储能系统中电池的安装量小于后两者，从而在系统安装成本上与后两者持平。未来随着辅助服务市场的开放，大倍率的电池将在功率型应用中绽放光芒。
风险因素
市场风险：由于调频的效果随着电力区域的扩大而逐步增加，实际上调频的效果是具有1+1>2的效果，在大电网的背景下，由于可以进行多种方式的调频，二次调频的需求会小于各个小电网单独需求的总和，因此调频的实际市场规模要小。此外在现有补偿机制的作用下，只有普及储能的电厂规模小才能获利，一旦大范围的电厂都装备储能，那彼此的调频效果接近，导致最后谁都无法获利。此外调频效果的最优情景并非是储能占100%，根据PJM的测算储能占比在60%~85%时效果最优，因此储能市场部分可能会有过剩风险。
政策风险：此外，政策对市场影响较大，目前辅助服务市场是政策市，未来随着电改进一步加深，电力市场建设逐步完善，市场化的辅助服务市场有望建立，从海外的经验来看，市场化的辅助服务市场对调频市场规模有一定的抑制作用。
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