高 峰，黃曉東，戎曉波，田啟明，沈 奕，張永平

(1.IBM中國研究院，北京100193；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510630)

儲能電站綜合效益評價體系設(shè)計(jì)研究

高 峰1，黃曉東2，戎曉波2，田啟明1，沈 奕1，張永平1

(1.IBM中國研究院，北京100193；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510630)

儲能是智能電網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵部分。儲能電站及整個儲能體系的優(yōu)化規(guī)劃和運(yùn)行，需要對儲能進(jìn)行更深入量化的綜合效益分析與評估，而分析和評估的基礎(chǔ)在于清晰完整的儲能綜合效益體系。在深入分析國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，形成了一個清晰全面的多維度的儲能功能作用與效益綜合體系?；谠擉w系，可實(shí)現(xiàn)儲能效益的量化評估，為儲能的部署和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

儲能系統(tǒng)；儲能效益；效益體系

當(dāng)前，為應(yīng)對氣候變化，提高能源供應(yīng)安全及利用效率，在新能源、新材料、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保等高新技術(shù)的推動下，智能電網(wǎng)已逐漸成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢[1-3]。集中式儲能和分布式儲能是未來智能電網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵部分，對實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要作用[1]。

為了更好地指導(dǎo)和規(guī)劃儲能電站及整個儲能體系的建設(shè)，以及更加有效合理地優(yōu)化儲能運(yùn)行，迫切需要對儲能進(jìn)行更深入量化的綜合效益分析與評估，提高儲能規(guī)劃及運(yùn)營水平。而準(zhǔn)確合理的儲能效益分析和評估的基礎(chǔ)在于清晰完整的儲能綜合效益體系。

以抽水蓄能為代表的集中式儲能具有幾十年的歷史，其效益體系的設(shè)計(jì)研究已經(jīng)比較深入[4]。隨著電池儲能、超級電容等新型分布式儲能形式的迅速發(fā)展，國外已經(jīng)開始研究其效益體系設(shè)計(jì)，并初步形成集中式與分布式儲能的總體效益體系[5-6]。

為了彌補(bǔ)國外儲能效益體系不足，填補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)研究的空白，本文將在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上建立儲能電站在智能電網(wǎng)環(huán)境下的全方位多維度的綜合效益體系，將儲能電站在整個電力能源價值鏈的功能、作用以及效益進(jìn)行深入分析，為包括發(fā)電公司、電網(wǎng)公司以及用電客戶的儲能設(shè)備所有者和收益者提供明確的效益體系。基于該體系，可實(shí)現(xiàn)儲能效益的量化評估，為儲能的優(yōu)化部署和運(yùn)行實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 現(xiàn)有儲能效益體系

以抽水蓄能為代表的集中式儲能具有幾十年的歷史，其容量大、壽命長、技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍最廣，因此其效益體系的研究已經(jīng)比較深入[4]。隨著具備快速高效充放電性能的電池儲能、超級電容等儲能技術(shù)的高速發(fā)展，分布式儲能形式正在成為集中式儲能的有效補(bǔ)充，世界各國已經(jīng)進(jìn)行了很多相關(guān)的試點(diǎn)建設(shè)[7-9]，如我國南方電網(wǎng)公司建設(shè)的10 MW深圳寶清鋰電池儲能電站[10]。在這種情況下，綜合考慮集中式儲能和分布式儲能的效益體系成為儲能研究的重要關(guān)注點(diǎn)[5-6]。

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室總結(jié)的儲能效益綜合體系如表1所示[5]。其將17個儲能應(yīng)用分為5大類，包括供電、輔助服務(wù)、電網(wǎng)、用電客戶和可再生能源接入。該儲能效益體系不僅包括對儲能在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的應(yīng)用，同時也包括了儲能在智能電網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用。美國電力科學(xué)研究院歸納總結(jié)的儲能綜合效益體系更加完整[6]，如圖1所示。該體系總結(jié)了11個儲能的應(yīng)用，并按照不同維度進(jìn)行了劃分和總結(jié)，覆蓋了儲能的應(yīng)用對象、儲能的效益類別、儲能放電時間和儲能大小等。

這兩個體系存在一些需要改進(jìn)的地方。比如分布式儲能作為一種儲能形式，其在用戶側(cè)可以幫助用戶提高電能質(zhì)量以及進(jìn)行能量管理，因此其不應(yīng)被劃為儲能應(yīng)用。

2 儲能綜合效益體系

在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文試圖建立儲能在智能電網(wǎng)環(huán)境下的清晰的綜合效益體系，并希望整個效益體系不拘泥于具體的儲能技術(shù)與儲能成本。

表1 SNL儲能效益體系[5]

圖1 EPRI儲能效益體系[6]

2.1 儲能功能

儲能，顧名思義，就是能量的存儲。換句話說，儲能設(shè)備本身不能產(chǎn)生能量，它的主要功能就是將能量存儲起來并在適當(dāng)?shù)臅r候釋放。能量存儲和釋放的時機(jī)和目標(biāo)不同，則帶來了儲能不同的應(yīng)用和效益。舉例來說，儲能在電網(wǎng)負(fù)荷較小或非峰時充電，并在負(fù)荷較大或峰時放電，對整個電網(wǎng)來說，效果相當(dāng)于最大負(fù)荷減小了。從而對于發(fā)電側(cè)來說，其裝機(jī)容量可以減少；對于輸配電側(cè)來說則可以延緩電網(wǎng)的升級改造。

另外，儲能設(shè)備除了能量存儲的設(shè)備如電池、水庫等本身外，還需要附加的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，如電池儲能設(shè)備中的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)和抽水蓄能中的發(fā)電機(jī)。這些設(shè)備除了能量轉(zhuǎn)換的主要功能外，還具有一些附加的功能，主要為無功控制，從而使得儲能設(shè)備具有調(diào)節(jié)無功與電壓的能力。在抽水蓄能系統(tǒng)中，無功是由發(fā)電機(jī)提供的，與占主要投資的水庫無關(guān)，該功能的成本和效益均可只對發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，因此儲能的附加功能不在本文深入分析。

表2給出了按照放電時間歸類的五大儲能功能。備用電源功能是在電網(wǎng)故障或者供電功率不足時利用之前存儲的電能提供備用電力的功能，其所需要的放電時間依賴于具體情況而不同，充電時間則沒有要求，一般是放電結(jié)束后即開始充電。

表2 儲能功能

削峰功能是儲能在用電高峰時通過釋放儲存的電能使得儲能上游電力系統(tǒng)最大功率減少的功能。由于峰值通常持續(xù)幾個小時，削峰功能相應(yīng)的一般需要幾個小時的放電時間，對充電時間沒有要求，一般采用谷時充電的方式。功率調(diào)度功能是按照一定的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行充放電控制的功能。其充放電時間依賴于優(yōu)化目標(biāo)，同機(jī)組排程類似，主要是以小時為單位。如果采用更精細(xì)的控制，充放電時間可以到數(shù)分鐘的量級。功率跟蹤功能是指儲能通過快速充放電來跟蹤出力或負(fù)荷變化的功能。其充放電時間的要求為分鐘甚至數(shù)秒的量級。抑制閃動功能是儲能可以避免電網(wǎng)中出現(xiàn)的閃動或其他電能質(zhì)量事件影響到用電設(shè)備的功能。其放電時間最短，是秒級甚至毫秒級。

2.2 儲能作用

基于上述五大功能，儲能在智能電網(wǎng)中發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要的作用，可總結(jié)出如表3所示的14個主要作用。

表3 儲能作用

這14個作用按電能維度可以分為三大類：功率作用、電量作用和容量作用。功率作用需要通常幾秒到幾分鐘這樣相對較短的時間內(nèi)的大功率輸出。電量作用則需要相對大的電能存儲，通常儲能系統(tǒng)的放電時間從幾分鐘至幾小時不等。容量作用簡單來說就是由于采用了儲能設(shè)備而因此延緩或減少了其他設(shè)備的需求。

按時間維度還可以分為靜態(tài)作用、動態(tài)作用和瞬態(tài)作用。瞬態(tài)作用可以理解為同電力系統(tǒng)暫態(tài)相關(guān)的作用，它通過儲能超短時間的功率控制來體現(xiàn)，所需的充放電時間在秒級甚至毫秒級，因此需要響應(yīng)時間很快的儲能技術(shù)，如超級電容等。動態(tài)作用和靜態(tài)作用與傳統(tǒng)抽水蓄能效益分析里的概念類似。

2.3 儲能效益

儲能的作用與效益如表4所示。以幫助發(fā)電廠黑啟動來說，發(fā)電的快速恢復(fù)可以使得電網(wǎng)盡早恢復(fù)，從而電力客戶可以盡快恢復(fù)用電。發(fā)電廠可以多發(fā)電，電力公司可以多售電，電力客戶可以多用電生產(chǎn)生活，所以受益方涵蓋了能源鏈各方。保障獨(dú)立電網(wǎng)、微電網(wǎng)運(yùn)行為電力公司和電力客戶帶來了提高電網(wǎng)供電可靠性的效益。保證(重要)用戶供電為電力客戶帶來了直接的減少停電損失的效益，而為供電公司間接地減少由于停電造成少售電的損失。

表4 儲能作用與效益

儲能安裝在配電側(cè)可以實(shí)現(xiàn)就地削峰，從而最大化延緩發(fā)電裝機(jī)與延緩輸配電升級改造的作用。其帶來的降低投資成本的效益也分別由發(fā)電廠和電力公司獲得。另外，由于新裝發(fā)電機(jī)容量大于負(fù)荷的增長，發(fā)電機(jī)無法滿發(fā)，造成效率的降低，從而帶來更多的排放，因此延緩發(fā)電裝機(jī)還可以給社會帶來節(jié)能減排的效益。

節(jié)省輸電接入和擁塞費(fèi)用直接給在電力市場環(huán)境下不擁有輸電資產(chǎn)的供電公司帶來了降低成本的效益。電力批發(fā)市場套利給儲能的所有者，包括發(fā)電廠和電力公司，帶來直接的增加收入效益。分時電價用戶電費(fèi)節(jié)省給擁有儲能的電力客戶帶來降低成本的效益。

降低線損給電力公司帶來直接的降低成本的效益，另外由于線損是比用電量多出來的發(fā)電量，在用電不變的情況下線損的減少直接可以使發(fā)電量降低，從而減少發(fā)電機(jī)組的排放，給社會帶來節(jié)能減排的效益。

輸配電支撐、減少擁塞作用避免了線路重載或者過載，提高了電網(wǎng)的可靠性，直接獲益方是電力公司。

促進(jìn)可再生能源接入使得風(fēng)電廠、太陽能電廠等可再生能源發(fā)電廠多發(fā)電，帶來直接的收入增加。對于電力公司來說，更加平滑的可再生能源出力避免了電網(wǎng)中發(fā)電功率的急劇變化，使得電網(wǎng)穩(wěn)定性得到提高。對于電力客戶來說，通過安裝自有的小型分布式發(fā)電并結(jié)合儲能的促進(jìn)可再生能源接入的作用，使得從電網(wǎng)購電量下降，從而降低成本?？稍偕茉吹母喔行У睦?，減少了燃料發(fā)電，給社會帶來節(jié)能減排的效益。

負(fù)荷跟蹤作用直接減少了對調(diào)峰發(fā)電機(jī)的需求，減少了發(fā)電機(jī)組啟停爬坡等低效率運(yùn)行狀態(tài)，使得發(fā)電機(jī)組可以以額定功率最大效率運(yùn)行，從而降低發(fā)電廠運(yùn)行成本，還給社會帶來節(jié)能減排的效益。

調(diào)頻、提供旋轉(zhuǎn)備用使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性得以提升，另外同負(fù)荷跟蹤作用類似，由于發(fā)電機(jī)無需留出一部分熱備用容量，從而為發(fā)電廠降低了成本，發(fā)電機(jī)效率的提升也為社會帶來節(jié)能減排的效益。

提升電能質(zhì)量，避免影響用電設(shè)備可以為用電客戶減少由于閃動等電能質(zhì)量問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失。對于電力公司來說，該作用是提高了其供電的安全性。

儲能效益可以總結(jié)為三類，包括經(jīng)濟(jì)效益、電網(wǎng)運(yùn)行效益和社會效益，如表5所示。經(jīng)濟(jì)效益大多數(shù)情況下可以用貨幣金額來評估衡量。電網(wǎng)運(yùn)行效益很難直接用金錢來衡量，通?？梢圆捎玫刃娲⒊杀竞怂愕姆椒ㄟM(jìn)行評估。社會效益無法用金錢來衡量，可以采用減少的碳排放進(jìn)行評估，未來如果碳交易機(jī)制成熟后則可以通過交易來獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益。

表5 儲能效益分類

2.4 儲能綜合效益體系

通過分析儲能的五大功能，然后得到儲能的14個主要作用，并總結(jié)出儲能的三大類效益，從而形成一個如表6所示的綜合的多維度的儲能功能作用與效益體系。

表6 儲能效益綜合體系

3 結(jié)語

本文通過分析儲能的五大功能，14個主要作用，并總結(jié)出儲能的三大類效益，形成了一個清晰全面的多維度的儲能功能作用與效益綜合體系。我們希望在國內(nèi)外科研技術(shù)人員的共同努力下，該綜合效益體系可以不斷補(bǔ)充和完善。儲能效益綜合體系可以為儲能電站的效益分析提供理論和框架指導(dǎo)，并使得儲能效益的評估更加科學(xué)合理，相關(guān)成果將在后續(xù)文章中展示。通過儲能綜合效益體系，將為儲能的規(guī)劃建設(shè)以及運(yùn)營管理提供科學(xué)的依據(jù)，提高儲能規(guī)劃及運(yùn)營水平。

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Design of holistic benefit system of energy storage

Energy Storage(ES)was a key part of smart grid.Deeper analysis and evaluation of holistic benefit of ES were required by optimized planning and operation of ES substations and systems.Based on the analysis of related research,a multi-dimension system of ES functions,applications and benefits were formed.Quantitative evaluation of ES could be achieved,and scientific support could be provided for ES deployment and operation.

energy storage system;energy storage benefit;system of benefit

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0638-04

2015-02-11

高峰(1977—)，男，河北省人，博士，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、電網(wǎng)生產(chǎn)與運(yùn)行的分析與優(yōu)化。