韓曉娟，艾瑤瑤，李相俊

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儲能在電網(wǎng)中的應用價值及其商業(yè)模式

韓曉娟1，艾瑤瑤1，李相俊2

（1．華北電力大學控制與計算機工程學院，北京市 昌平區(qū) 102206；2．新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院)，北京市 海淀區(qū) 100192）

隨著風電、光伏滲透率逐漸增大，其并網(wǎng)給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來了諸多挑戰(zhàn)。儲能技術可以有效平抑新能源功率波動，增強新能源發(fā)電可控性，提高新能源的并網(wǎng)接入能力，因此在電網(wǎng)中配置儲能的相關研究與技術受到越來越多的關注。以儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的功能為切入點，針對儲能系統(tǒng)在調(diào)頻、調(diào)峰、備用容量和延緩輸配電擴容升級等4種場景中的應用價值進行研究和歸納，討論了儲能相關商業(yè)模式的發(fā)展前景和未來待研究的關鍵科學問題。

儲能系統(tǒng)；調(diào)頻；調(diào)峰；備用容量；應用價值；商業(yè)模式

0 引言

中國正在大力發(fā)展可再生能源，由于風電、光伏發(fā)電出力的波動性和隨機性特征，增加了調(diào)峰調(diào)頻壓力，導致了電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降等問題[1]。將儲能應用到輸配電領域，參與調(diào)頻、電壓支撐、調(diào)峰、備用容量無功支持、緩解線路阻塞、延緩輸配電擴容升級和作為變電站直流電源，可以很好地緩解新能源并網(wǎng)帶來的一系列問題。

儲能參與調(diào)頻能夠提高電能頻率質(zhì)量，提高電網(wǎng)運行安全水平[2]。當前提高我國電網(wǎng)的靈活性除了要增加調(diào)頻能力以外，更迫切要求提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，尤其是進入冬季以后北方地區(qū)電網(wǎng)普遍出現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，導致嚴重的棄風棄光現(xiàn)象。在協(xié)助新能源并網(wǎng)方面，儲能是必要的調(diào)峰手段，在電網(wǎng)側(cè)接入儲能系統(tǒng)可以改變需求響應，實現(xiàn)削峰填谷，將更多的可再生能源接入電網(wǎng)[3-4]。“三北”地區(qū)的新能源并網(wǎng)問題愈發(fā)嚴重，僅靠政策要求無法實現(xiàn)完全上網(wǎng)[5]?？紤]到目前我國的儲能設備容量有限，大規(guī)模儲能電池參與調(diào)峰仍有一定局限性。

隨著電力結(jié)構(gòu)不斷重組完善，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性問題也日益突出。分布式儲能裝置接入系統(tǒng)時，能夠作為備用容量，并能獨立進行有功和無功的輸出，實現(xiàn)供需平衡，具有提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，消除負荷晝夜峰谷差，減少備用容量以提高電力設備的利用率，降低供電成本，促進風能、太陽能等可再生能源的應用等優(yōu)點[6-8]。

以儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)功能為切入點，分別對接入儲能系統(tǒng)，儲能在調(diào)頻、調(diào)峰、備用容量和延緩輸配電擴容升級等4種調(diào)節(jié)場景中的應用價值進行研究和歸納，對近年來儲能相關商業(yè)模式發(fā)展進行了研究分析，并探討了未來待研究的關鍵科學問題。

1 儲能在電網(wǎng)中的應用價值

大規(guī)模先進儲能技術是未來高比例可再生能源發(fā)展的重要保障，尤其在電力領域，電儲能技術已逐漸在電力系統(tǒng)移峰填谷、可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、電力調(diào)頻等輔助服務、分布式能源及微電網(wǎng)等方面體現(xiàn)出多重應用價值[9-10]。

儲能在電網(wǎng)中應用，主要安裝在輸配電側(cè)，在調(diào)頻、電壓支撐、調(diào)峰、備用容量無功支持、緩解線路阻塞和延緩輸配電擴容升級領域中發(fā)揮重要價值。下面主要從調(diào)頻、調(diào)峰、備用容量無功支持及延緩輸配電擴容升級等4個應用場景進行闡述。

1.1 儲能調(diào)頻

為緩解間歇式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的負面影響，將在參與電網(wǎng)調(diào)頻方面具有快速響應特性優(yōu)勢的儲能作為新的輔助調(diào)頻手段。在新能源功率輸出平抑、計劃出力跟蹤等應用場景下，儲能配置在新能源發(fā)電側(cè)；在電網(wǎng)頻率調(diào)整、網(wǎng)絡潮流優(yōu)化等應用場景下，儲能配置在輸電側(cè)；在分布式、移動式儲能等應用場景下，儲能配置在配電側(cè)[11]。目前電網(wǎng)調(diào)頻相關研究主要集中在控制策略、優(yōu)化模型和容量配置方面。

1.1.1 儲能參與調(diào)頻的控制策略研究

儲能配置在發(fā)電側(cè)輔助調(diào)頻主要針對電力系統(tǒng)調(diào)頻過程中火電機組響應速度慢、不適合參與短周期調(diào)頻的問題，通過優(yōu)化電池儲能控制器參數(shù)，使儲能更好地參與調(diào)頻以及幫助更多新能源發(fā)電并網(wǎng)[12]。儲能配置在輸電側(cè)輔助電網(wǎng)進行頻率調(diào)節(jié)主要考慮系統(tǒng)輸出功率、穩(wěn)態(tài)頻率偏差、區(qū)域電網(wǎng)幅頻特性、儲能電池荷電狀態(tài)以及儲能參與調(diào)頻的時域評價指標來優(yōu)化控制策略，幫助更多的風電并入電網(wǎng)，改善電網(wǎng)抗干擾能力，提高儲能電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)指標優(yōu)勢[13-14]。

1.1.2 儲能參與調(diào)頻的容量配置方法研究

目前主要從儲能參與快速調(diào)頻特性、儲能充放電策略、儲能配置類型和儲能經(jīng)濟性等方面展開研究[15]。

在發(fā)電側(cè)，通過改善電廠調(diào)頻性能的儲能充放電策略，達到調(diào)頻效果，改善電網(wǎng)穩(wěn)定性[16]。但現(xiàn)有研究很少結(jié)合最新調(diào)頻政策分配儲能出力。在配電側(cè)，針對儲能參與的調(diào)頻特性及頻率控制特性進行研究，分析關鍵參量對電池儲能一次調(diào)頻特性的影響[17-20]；在儲能參與調(diào)頻特性研究的基礎上，從儲能電池參與一次調(diào)頻技術經(jīng)濟性角度、動作時機與深度實現(xiàn)儲能容量配置[21-22]；不同類型儲能對一次調(diào)頻的效果不同，鋰離子電池因其快速反應的特點，較多地用于傳統(tǒng)發(fā)電機組提供一次調(diào)頻服務方案[23]，而超級電容器普遍作為一次調(diào)頻輔助設備[24]，輔助提高調(diào)頻效果。在經(jīng)濟性方面，儲能參與調(diào)頻的頻繁動作對其壽命產(chǎn)生影響，需將此項指標納入儲能成本計算中。

1.1.3 儲能參與調(diào)頻的優(yōu)化運行策略研究

傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)頻主要為火電機組，但其響應時滯長，且其調(diào)頻性能和調(diào)頻質(zhì)量均不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及提高電能質(zhì)量的要求。抽水蓄能技術雖在電力系統(tǒng)中可參與調(diào)頻，但其調(diào)頻性能受地域及季節(jié)制約。在潮流單一電網(wǎng)中，水電一次調(diào)頻快速響應將可能引起系統(tǒng)潮流越限失穩(wěn)[25-26]。因此，目前參與調(diào)頻運行優(yōu)化策略研究使用的儲能多選用電池儲能。

新能源與儲能混合運行是對并網(wǎng)過程進行頻率調(diào)節(jié)的形式之一[27-28]，對應運行策略的不同主要體現(xiàn)在優(yōu)化模型元素的差異，即目標函數(shù)、決策變量、約束條件和求解方法的不同。優(yōu)化模型的目標函數(shù)有風儲電站的總收益、調(diào)頻性能指標和儲能電量平衡度；決策變量包括儲能輸出功率、儲能對AGC指令與機組出力實時偏差量的補償度；約束條件有風儲聯(lián)合體功率約束、儲能電量約束和儲能調(diào)頻性能表現(xiàn)約束以及儲能功率和電量約束；求解方法主要有混合整數(shù)線性規(guī)劃和多目標粒子群算法[29-30]。

1.2 儲能調(diào)峰

高比例可再生能源發(fā)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來了較大壓力，應用儲能輔助調(diào)峰可有效解決系統(tǒng)調(diào)峰問題，但現(xiàn)階段儲能的高成本限制了其規(guī)?；瘧?。電網(wǎng)調(diào)峰的研究多集中在儲能控制方案和選型及容量配置[31]方面。

1.2.1 儲能參與調(diào)峰的控制方案研究

對配置儲能調(diào)峰控制方案的制定從負荷區(qū)間控制、調(diào)峰常規(guī)手段、并網(wǎng)點電壓補償、考慮死區(qū)控制以及電流控制等方面進行。

發(fā)電側(cè)儲能調(diào)峰將儲能與正常調(diào)峰、深度調(diào)峰、投油調(diào)峰和啟停調(diào)峰等常規(guī)手段優(yōu)化組合調(diào)峰，降低儲能調(diào)峰的容量需求[32]。針對調(diào)峰電力系統(tǒng)反調(diào)峰特性造成的風電輸出能力，在低負荷情況下，設計的包括死區(qū)控制在內(nèi)的儲能系統(tǒng)的控制策略，在大規(guī)模風電并網(wǎng)后，能在有效降低火電機組啟動時間的同時，大大提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益[33]。

配電網(wǎng)儲能調(diào)峰大多集中在改善電能質(zhì)量、平抑波動以及提高滲透率方面，對削峰填谷等的控制策略研究較少。文獻[34]在負荷預測的基礎上，從儲能電站放電量均衡的角度，以邊際負荷值來確定電站充放電運行狀態(tài)的控制方案，并結(jié)合儲能電站電量預測值對電站實時運行控制進行調(diào)整，達到有效并連續(xù)地對系統(tǒng)進行控制的目的。在新型的含儲能裝置的兩級式并網(wǎng)逆變器基礎上，基于并網(wǎng)點電壓補償制定調(diào)峰控制策略，可提升光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率，有效解決調(diào)峰和穩(wěn)定并網(wǎng)運行問題[35]。文獻[36]考慮了SOC滿足系統(tǒng)運行約束，高充放電效率和顯著能量密度鋰離子電池參與電流控制方案，提高有功功率越限調(diào)節(jié)能力。

1.2.2 儲能參與調(diào)峰的容量配置研究

在調(diào)峰儲能選型方面，微型和中型超導磁儲能系統(tǒng)在協(xié)助電網(wǎng)調(diào)峰上具有較好的經(jīng)濟效 益[37]。在單類型儲能調(diào)峰研究的基礎上，采用混合儲能系統(tǒng)進行調(diào)峰可降低儲能系統(tǒng)的投資成本[38]。輸電側(cè)配置儲能的場景下，利用大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)負荷“削峰填谷”的功能，通過減少日負荷波動幅度，達到調(diào)峰的目的。一般結(jié)合給定負荷特性分析儲能系統(tǒng)配置容量與其改善負荷波動水平之間的關系，將儲能系統(tǒng)投資成本、經(jīng)濟效益作為約束，綜合效益最大作為目標，在求解得出松弛瓶頸的最佳儲能容量的同時達到緩解發(fā)電機組對負荷追蹤調(diào)控負擔，使電網(wǎng)具備更多向下調(diào)節(jié)容量來接納風電的優(yōu)勢[39]。

1.3 儲能調(diào)峰調(diào)頻

儲能在參與電網(wǎng)調(diào)頻的同時，對電網(wǎng)進行 峰值調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性得到更好的調(diào)節(jié)。

在熱網(wǎng)作為儲能系統(tǒng)的情況下，通過改變供熱快關閥開度，利用熱網(wǎng)蓄熱快速改變機組發(fā)電負荷。針對熱網(wǎng)蓄熱調(diào)節(jié)負荷迅速這一特點，采用速率限制非線性分解方法將機組負荷指令信號中的快變部分分解出來作為供熱前饋加在快關閥開度指令上。在原有爐跟機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中引入供熱前饋，提高供熱機組調(diào)峰調(diào)頻能力[40]。

在配電側(cè)使用電池儲能調(diào)峰調(diào)頻時，針對儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻，充分利用各調(diào)頻電源的技術優(yōu)勢，綜合區(qū)域控制誤差(area control error，ACE)信號分配模式和傳統(tǒng)的區(qū)域控制需求(area regulation requirement，ARR)信號分配模 式的優(yōu)點進行控制，不僅能提高儲能電池運行的性能，而且能較大程度地改善電網(wǎng)調(diào)頻。在中壓變電站儲能系統(tǒng)環(huán)境中，考慮來自住宅區(qū)和快速充電站的需求的小電網(wǎng)負荷。使用逆變器控制器，協(xié)助調(diào)峰調(diào)頻，在進行調(diào)峰服務的同時，有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率[41-42]。

火電機組通過改變?nèi)剂狭空{(diào)節(jié)發(fā)電負荷的過程非常緩慢，而可替代部分火電機組的儲能電池雖具有快速響應的優(yōu)勢，還需考慮本身荷電狀態(tài)管理等因素，并從機制層面深入探討如何參與調(diào)峰調(diào)頻，充分發(fā)揮出儲能電池容量及其快速響應和無爬坡速率等優(yōu)勢。

1.4 儲能備用容量及擴展容量應用

儲能備用容量方面的研究較少，除了在微電網(wǎng)孤島運行時協(xié)同柴油機、風電機組作為備用容量參與一次調(diào)頻[43]，該功能的實現(xiàn)還可通過在輸電側(cè)增加考慮壓縮空氣儲能技術系統(tǒng)中流量、功率、氣壓、溫度間的交互影響機制，反映壓縮空氣儲能電站分鐘級運行特性的旋轉(zhuǎn)備用容量約束和日內(nèi)調(diào)度約束的條件，風電、負荷和價格型需求響應在不同時間尺度下的預測誤差特性等因素建立含壓縮空氣儲能電力系統(tǒng)日前-日內(nèi)協(xié)調(diào)調(diào)度模型，從而得到壓縮空氣儲能電站的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)備用容量承擔方案[44]。

儲能用于延緩輸配電擴容升級方面的研究主要通過整合可再生能源發(fā)電、輸電網(wǎng)以及儲能的長期投資動態(tài)性與系統(tǒng)電力供求的短期波動性和空間分布特性，建立含有發(fā)電、輸電和儲能設施在內(nèi)的混合電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)擴容規(guī)劃模型，優(yōu)化大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電的并網(wǎng)運行；將專用飛輪儲能系統(tǒng)安裝在充電站進行高功率充電，可實現(xiàn)充電站電能容量的擴展，并提高系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)能力[45-46]。

壓縮空氣儲能電站具有大規(guī)模商業(yè)運行的經(jīng)驗，飛輪儲能在電能容量擴展方面應用也較為成熟。近年來電池儲能雖發(fā)展迅速，但缺乏商業(yè)化運行，不同儲能在備用容量及延緩輸配電擴展容量升級方面的應用及其商業(yè)運行研究是該領域重要發(fā)展方向之一。

2 儲能的商業(yè)模式

目前，儲能系統(tǒng)在國外已有較多的商業(yè)應用，在不同的國家儲能的應用重點各不相同。商業(yè)模式按照儲能應用的領域不同分為海島獨立型微電網(wǎng)、分布式電源/微電網(wǎng)并網(wǎng)、電動汽車充電站、電力市場中能源新產(chǎn)業(yè)以及家庭光伏系統(tǒng)中的應用。應用領域的不同導致儲能應用商業(yè)模式也不相同，盈利影響因素各異，除了與儲能商業(yè)模式相關政策有關[47-48]，還存在其他諸多因素，包括電價體系、運營主體、儲能類型、補貼方式、初始投資、運行維護和投資回收期成本等。其中，儲能系統(tǒng)在海島獨立型微電網(wǎng)應用中儲能類型、補貼方式都是商業(yè)模式的盈利決定因素；分布式電源及微電網(wǎng)項目商業(yè)模式中，需側(cè)重考慮復雜電價體系和運營主體兩點；汽車充電站商業(yè)模式，在考慮電池儲能系統(tǒng)成本和容量衰減前提下，采用固定鋰離子電池組來減輕電費和電網(wǎng)投資；電力市場中能源新產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式考慮因素包括：基礎的先進計量基礎設施服務、儲能系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，汽車和電網(wǎng)能源用戶和智慧城市；意大利家庭光伏系統(tǒng)商業(yè)模式，考慮了電力供應合同的期限、以及購買和安裝的首選渠道，尤其是電池儲能的替代品等因素對光伏儲能系統(tǒng)實用性的影響[49-53]。

儲能參與到不同應用領域中的商業(yè)模式各不相同，經(jīng)濟性價值也有所差異?；谏鐣W(wǎng)絡服務(social networking service，SNS)商業(yè)模型(圖1)，即基于互聯(lián)網(wǎng)技術構(gòu)建的多社會活動商業(yè)模型，儲能分別參與到多種商業(yè)模式中，對每個模型進行分析，得出最佳的運營模式[54]，有助于儲能投資商選擇最佳財務商業(yè)模式。儲能系統(tǒng)將多種商業(yè)模式互聯(lián)，實現(xiàn)經(jīng)濟共享，典型商業(yè)/工業(yè)園區(qū)五大用戶共享電池商業(yè)案例如圖2所示。該例中，儲能運營商可為不同類型的客戶提供不同的儲能系統(tǒng)，不同的客戶都能因此獲利[55]。

圖1 SNS商業(yè)模型

分布式發(fā)電商進行電源投資，電網(wǎng)企業(yè)負責用戶配電網(wǎng)運行、維護和售電的商業(yè)運營模式盈利水平最高，探索儲能運用到電網(wǎng)中最盈利的商業(yè)運營模式是未來需要研究的重點內(nèi)容。

圖2 商業(yè)/工業(yè)園區(qū)五大用戶共享電池商業(yè)案例結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論與展望

以儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)功能為切入點，闡述了儲能加入電網(wǎng)側(cè)在調(diào)頻、調(diào)峰、備用容量無功支持和延緩輸配電擴容升級領域的應用價值。在電網(wǎng)中加入儲能參與調(diào)頻能夠提高電能頻率質(zhì)量，提高電網(wǎng)運行安全水平。在電網(wǎng)側(cè)接入儲能能夠改變需求響應，實現(xiàn)儲能削峰填谷，使更多的可再生能源接入電網(wǎng)。在分布式儲能裝置接入系統(tǒng)時，作為備用容量，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，消除負荷晝夜峰谷差，提高電力設備利用率，降低供電成本，促進風能、太陽能等可再生能源的應用。同時討論了接入儲能系統(tǒng)后的商業(yè)模式，總結(jié)了儲能在不同商業(yè)模式中仍面臨的發(fā)展瓶頸，探討了未來待研究的關鍵科學問題。

目前電網(wǎng)側(cè)加入儲能的商業(yè)模式研究以及儲能電池參與電壓支撐以及緩解線路阻塞的應用價值和其商業(yè)模式方面展開研究甚少。雖然超導磁儲能可以滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐，但和其他儲能技術相比，超導磁儲能仍很昂貴，且在世界范圍內(nèi)有許多超導磁儲能工程正處于進行或者研制階段，因此對加入電網(wǎng)側(cè)進行電壓支撐的儲能類型進行研究是一大熱點。

儲能系統(tǒng)通常安裝在輸電網(wǎng)阻塞下游，無擁堵時儲存電能，阻塞時釋放電能滿足本地需求，緩解輸電線路阻塞，但目前相關深入研究較少?？筛鶕?jù)大電網(wǎng)引入儲能的相關需求，開展大規(guī)模儲能柔性負荷等響應資源的協(xié)同調(diào)控策略。

市場中不同儲能博弈規(guī)劃經(jīng)濟模型是未來研究的另一熱點。隨著調(diào)峰、調(diào)頻等市場逐步向儲能系統(tǒng)放開，儲能的類型多樣化，儲能的收益逐漸增加，成本逐漸下降。在此背景下，儲能投資主體也將呈現(xiàn)多元化趨勢。考慮到不同類型儲能如何分配使用，各主體如何運營或者如何聯(lián)合運營獲得各自或者整體利益最優(yōu)，博弈各方所掌握的某些信息的不對稱性和不公開性，研究儲能和盈利主體不完全信息博弈規(guī)劃模型及高效完備的博弈均衡求解算法是未來需關注的內(nèi)容。

儲能安裝在電網(wǎng)側(cè)的商業(yè)模式研究尚少。儲能加入電網(wǎng)的商業(yè)化受市場開放程度、補貼與激勵及計量定價方式等影響。電儲能跟蹤精準快速而容量有限，尤其對于獨立儲能運營商，僅靠服務容量或電量價格補償力度較小且難以反映實際調(diào)節(jié)貢獻，服務計量方法也需對應不同電源的調(diào)節(jié)質(zhì)量與經(jīng)濟特性增強適用性，同時可根據(jù)服務對象的多元化合理制定相匹配的市場化運營方式及相應商業(yè)模式。

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(責任編輯 車德競)

Application Value of Energy Storage Systems in the PowerGrid and Its Commercial Modes

HAN Xiaojuan1, AI Yaoyao1, LI Xiangjun2

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. State Key Laboratory of Control and Operation of Renewable Energy and Storage Systems (China Electrical Power Research Institute), Haidian District, Beijing 100192, China)

The increasing penetration rate of wind power and photovoltaic challenges the stable operation of the grid. Energy storage technology can effectively control the fluctuation of renewable energy generation, enhance the controllability of renewable energy power generation and improve the accessing capability of renewable energy sources connected to the grid. Therefore, the related research and technology of energy storage systems in the grid are getting more and more attention. In this paper, taking energy storage systems to access the grid as a starting point, the application value of energy storage systems in four scenarios such as frequency regulation, peak regulation, backup capacity, delay transmission and distribution expansion were studied and summarized. The development prospects of the commercial modes related to energy storage systems and the key scientific issues to be studied in the future were discussed.

energy storage system; frequency regulation; peak regulation; backup capacity; application value; commercial modes

2017-12-01。

韓曉娟(1970)，女，博士，教授，研究方向為儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制及經(jīng)濟性評估，wmhxj@163.com；艾瑤瑤(1993)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電與儲能技術，a yyshine@163.com。

國家電網(wǎng)公司科技項目(2017-ZX0069)。

Project Supported by the State Grid Corporation (2017-ZX0069).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.013