黃新，羅敏，江輝

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

0 前言

根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的全國(guó)用戶供電可靠性數(shù)據(jù)[1]，2016 年我國(guó)城市平均停電時(shí)間為5.20 時(shí)/戶，農(nóng)村平均停電時(shí)間為21.23 時(shí)/戶，其中故障平均停電時(shí)間分別為1.74 小時(shí)和7.98 小時(shí)，預(yù)安排平均停電時(shí)間為3.46 小時(shí)和13.5 小時(shí)。預(yù)安排停電時(shí)間高于故障停電時(shí)間；農(nóng)村停電時(shí)間遠(yuǎn)高于城市停電時(shí)間。

預(yù)安排停電是指預(yù)先已作出安排，或在6小時(shí)前得到調(diào)度批準(zhǔn)（或按供電合同要求的時(shí)間）并通知主要用戶的停電。包括計(jì)劃停電、臨時(shí)停電和限電。不同于故障停電的突發(fā)和不可預(yù)測(cè)性，預(yù)安排停電可以有針對(duì)性的做出負(fù)荷調(diào)整、轉(zhuǎn)移等措施，最大限度的縮小停電范圍。但從平均停電時(shí)間看，預(yù)安排停電時(shí)間仍遠(yuǎn)高于故障停電時(shí)間。這一方面是受到近幾年我國(guó)對(duì)配電網(wǎng)的大規(guī)模升級(jí)改造工作的影響，施工停電增加；另一方面是因?yàn)槌行某菂^(qū)外，大部分的配電網(wǎng)仍為輻射型供電，不具備通過(guò)聯(lián)絡(luò)線轉(zhuǎn)供電的條件，前端線路施工造成后端線路配合停電，擴(kuò)大了停電范圍。

因此，如果能縮短預(yù)安排停電時(shí)間將能有效縮短用戶平均停電時(shí)間。但由于輻射型線路本身不具備轉(zhuǎn)供電的條件，現(xiàn)階段都只能采用后端線路陪停的方式施工，極大影響了供電可靠性，如何給線路施工段后端的線路供電就成了亟待解決的問(wèn)題?？紤]到分段施工的短時(shí)性和隨機(jī)性，可采取使用應(yīng)急電源車對(duì)線路施工段后端的線路進(jìn)行臨時(shí)供電的方式來(lái)縮小停電范圍，提高可靠性。

目前應(yīng)急電源車有柴油發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器等[2]，主要應(yīng)用在380 V 低壓配電網(wǎng)的重要場(chǎng)所的保供電和應(yīng)急供電。柴油車發(fā)電車前期投入較低，使用成本高，可較長(zhǎng)時(shí)間供電；鋰電池儲(chǔ)能前期投入高，使用成本低，自身?yè)p耗低，可在低谷時(shí)段充電，在需要的場(chǎng)合放電，持續(xù)時(shí)間在小時(shí)級(jí)；鉛酸電池前期成本低，也可在低谷時(shí)間充電，但使用壽命較短，能量密度低，移動(dòng)應(yīng)用時(shí)容量較低；飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能前期投入高，使用成本低，但能量密度不夠，只在秒級(jí)或分鐘級(jí)場(chǎng)合應(yīng)用，一般配合其他供電方式使用。

表1 各類型儲(chǔ)能方式與柴油發(fā)電對(duì)比

綜合來(lái)看，柴油發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能除了在保供電場(chǎng)合提供應(yīng)急電源的功能以外，具備在配電網(wǎng)作業(yè)或故障時(shí)承擔(dān)臨時(shí)供電的能力。柴油發(fā)電成本主要受柴油價(jià)格影響，基本沒(méi)有下降空間。電池成本隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能量密度逐步上升，電池成本不斷下降，將電池儲(chǔ)能用于應(yīng)急供電，提高供電可靠性具有較好的前景[3]。但380 V 供電系統(tǒng)范圍小，用戶少，要將應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大就必須提高10 kV 電壓等級(jí)以擴(kuò)大供電范圍。以現(xiàn)有的技術(shù)水平，要在重負(fù)荷地區(qū)實(shí)現(xiàn)全線的臨時(shí)供電仍不能實(shí)現(xiàn)，但在負(fù)荷較輕的區(qū)域，移動(dòng)儲(chǔ)能的容量已能滿足需求。

1 移動(dòng)儲(chǔ)能在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2017 年我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)裝機(jī)如圖1 所示，抽水蓄能占98%以上，年增長(zhǎng)率6.7%；其次為化學(xué)儲(chǔ)能占1.3%，但增長(zhǎng)率高達(dá)45%?；瘜W(xué)儲(chǔ)能中以鋰離子電池和鉛酸電池占比較高，鉛酸電池技術(shù)成熟，成本較低，應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，占比36%；鋰離子電池得益于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，占比58%，且呈急速上升的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2025 年前復(fù)合增長(zhǎng)率都將保持在40%以上[4]。

圖1 2017年中國(guó)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)分布圖

1.2 鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)

鋰電池技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展，循環(huán)壽命、充放電性能大幅提升，而電池成本也降低至1.6 元/Wh[5]。隨著電動(dòng)汽車規(guī)模不斷擴(kuò)大，鋰離子電池成本還有下降的空間。與電網(wǎng)規(guī)模相比，電池儲(chǔ)能的能量密度仍顯不夠，不能大范圍臨時(shí)供電，但已具備小范圍臨時(shí)代供的能力，隨著電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池容量不斷提高，單價(jià)下降，移動(dòng)儲(chǔ)能的供電能力會(huì)不斷提高。

1.3 電池儲(chǔ)能應(yīng)急供電的原理

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖2 所示，由儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS) 和配電網(wǎng)絡(luò)組成，充電時(shí)由配電網(wǎng)絡(luò)提供電源向電池充電，工作時(shí)電池放電供給配電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載。PCS 起到橋梁的作用，將能量在交流和直流之間相互轉(zhuǎn)換，電池起到蓄水池的作用，將多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)在缺少電能時(shí)放出。將上面的系統(tǒng)安裝在汽車上就形成了移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)急供電車，可提前將電池充滿電，然后在需要的地方將電池中的電能放出提供應(yīng)急供電。優(yōu)點(diǎn)是效率高、使用成本低，缺點(diǎn)是供電能力受電池容量影響，現(xiàn)階段電池能量密度總體不高的情況下，不能長(zhǎng)時(shí)間供電。

圖2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

2 可行性分析

2.1 移動(dòng)儲(chǔ)能容量需求

圖3、圖4 是2017 年麗江地區(qū)10 kV 線路的平均負(fù)荷情況。線路負(fù)荷總體較輕，線路間負(fù)荷差異大，輕負(fù)荷線路較多，平均負(fù)荷小于250 kW 的線路占了33%，250 kW-500 kW 的線路占了16%，500 kW-1000 kW 的線路占了18%，如果具備500 kW 的移動(dòng)供電能力，即能解決49%線路的全線臨時(shí)供電問(wèn)題，而如果具備1000 kW 的移動(dòng)供電能力，將能解決67%的全線臨時(shí)供電。

圖3 2017年麗江地區(qū)10 kV線路平均負(fù)荷情況

圖4 10 kV線路負(fù)荷分布情況

2.2 移動(dòng)儲(chǔ)能數(shù)量需求

統(tǒng)計(jì)本地區(qū)2017 年全年的10 kV 線路停電作業(yè)，如圖5 所示，2017 年全年停電作業(yè)數(shù)量1540 項(xiàng)。剔除其中電源搭接、線路末端、支線作業(yè)等不具備或不需要代供的作業(yè)，全年可代供作業(yè)共計(jì)437 項(xiàng)，占作業(yè)總數(shù)的28.4%，可代供作業(yè)頻次分布見(jiàn)下圖。由圖6 可見(jiàn)，每天可代供的停電作業(yè)數(shù)量基本都在4 次以下，1-2次作業(yè)的天數(shù)占比71.5%。加上該作業(yè)計(jì)劃未考慮移動(dòng)儲(chǔ)能的代供條件，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可將部分計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，故配置2 套移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能滿足絕大部分的代供需求。

圖5 2017年全年10 kV停電作業(yè)分布圖

圖6 2017年具備應(yīng)急供電條件的作業(yè)數(shù)量分布

2.3 理論效果分析

輻射型線路因?yàn)橹挥袉坞娫?，后端線路和分支線路存在陪停的現(xiàn)象。為提高供電可靠性，輻射式接線一般采用分段的方式來(lái)減少后端線路工作對(duì)前端線路的影響[6-7]，而前端線路的工作則不可避免的會(huì)影響到后端線路的供電。越接近電源點(diǎn)，影響的范圍越大。

考慮輻射型供電線路在不同負(fù)荷潮流、不同故障點(diǎn)時(shí)移動(dòng)儲(chǔ)能對(duì)供電可靠性時(shí)的影響，假設(shè)線路負(fù)荷均勻分布。移動(dòng)儲(chǔ)能的對(duì)線路供電可靠性的影響見(jiàn)圖7。當(dāng)移動(dòng)儲(chǔ)能的容量達(dá)到或接近線路負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能的代供效果較好；當(dāng)儲(chǔ)能容量與線路負(fù)荷差別較大時(shí)，代供效果較差。

圖7 不同容量?jī)?chǔ)能對(duì)線路供電可靠性的影響

以2 輛移動(dòng)儲(chǔ)能車和該地區(qū)2017 年停電作業(yè)線路的實(shí)際功率為基礎(chǔ)，考慮停電作業(yè)按現(xiàn)有分布和按優(yōu)化分布兩種情況，分析不同容量的移動(dòng)儲(chǔ)能對(duì)供電可靠性的影響。

AIHC-1'為考慮移動(dòng)儲(chǔ)能后的客戶平均停電時(shí)間；

TS為每次停電持續(xù)時(shí)間；

nS為每次停電客戶數(shù)；

TR為使用移動(dòng)儲(chǔ)能后每次可減少的停電時(shí)間；

nR為使用移動(dòng)儲(chǔ)能后每次可減少的停電客戶數(shù)；

m2為可代供線路在停電作業(yè)線路中的占比（配置2 輛移動(dòng)儲(chǔ)能車時(shí)）。

不同容量移動(dòng)儲(chǔ)能對(duì)用戶停電時(shí)間的影響如圖8 所示。移動(dòng)儲(chǔ)能可明顯縮短用戶停電時(shí)間，尤其是優(yōu)化停電作業(yè)分布后，能最大程度的發(fā)揮儲(chǔ)能的作用，縮短客戶停電時(shí)間，提供供電可靠性。

圖8 不同容量移動(dòng)儲(chǔ)能在作業(yè)優(yōu)化前后的效果對(duì)比

2.4 移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

考慮設(shè)備成本、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備可用率、能量效率等因素，分別計(jì)算柴油發(fā)電和電池儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)[8]。

IC0為初始投資成本；

OCn為第n 年的運(yùn)行成本；

MCn為第n 年的運(yùn)行成本；

Enout為第n 年儲(chǔ)能電站放電量；

η為能量效率；

i為貼現(xiàn)率；

p為充電電價(jià)；

N為設(shè)備使用壽命。

通過(guò)平準(zhǔn)化度電成本計(jì)算，柴油發(fā)電初期成本較低，但使用成本較高；電池儲(chǔ)能起始階段度電成本較高，為柴油發(fā)電的2 倍以上，主要是因?yàn)殡姵貎?chǔ)能設(shè)備成本較高。規(guī)模化應(yīng)用后使用成本大大高于電池儲(chǔ)能。通過(guò)平準(zhǔn)化度電成本計(jì)算，電池儲(chǔ)能成本將在8 年時(shí)與柴油發(fā)電成本相當(dāng)，后期成本將略低于柴油發(fā)電，見(jiàn)圖9。但兩者的度電成本都在2 元以上，仍遠(yuǎn)高于平均售電電價(jià)，需供電企業(yè)提供資金支持。

圖9 電池儲(chǔ)能與柴油發(fā)電度電成本對(duì)比

隨著電動(dòng)汽車和電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池成本不斷下降，其他配套設(shè)備成本隨著行業(yè)的發(fā)展和需求量的增加，也有較大的降價(jià)空間，電池儲(chǔ)能的度電成本較柴油發(fā)電將更有優(yōu)勢(shì)。結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際停電時(shí)間和移動(dòng)儲(chǔ)能的成本投入，可得圖10?？梢?jiàn)在500 kW-1000 kW 的移動(dòng)儲(chǔ)能能力后，減少的用戶平均停電時(shí)間與投入之間達(dá)到最優(yōu)。

圖10 不同容量電池儲(chǔ)能的成本與效益對(duì)比

3 移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

現(xiàn)階段電池的能量密度仍不能滿足大功率應(yīng)用場(chǎng)合的需求，受制于電池的體積、重量，40 英尺集裝箱的電池容量一般不高于1000 kWh，考慮放電電流不宜過(guò)大影響電池壽命，PCS 功率不宜大于1000 kW，故還不能應(yīng)用在重負(fù)荷的線路。特殊情況下可通過(guò)分段的方式，采用多套移動(dòng)儲(chǔ)能供電。同時(shí)可考慮PCS 設(shè)備與儲(chǔ)能電池車分別布置，PCS 車應(yīng)具備同時(shí)接入兩臺(tái)電池車或在兩臺(tái)電池車之間進(jìn)行切換的能力，這樣能大大提高移動(dòng)儲(chǔ)能的供電能力。

在移動(dòng)儲(chǔ)能的電壓等級(jí)提高到10 kV 后，必須配置完善的繼電保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障切除、接地選線等功能，配套的電流、電壓互感器、斷路器也必須同步升級(jí)，這會(huì)增加設(shè)備成本。為盡量縮短停電時(shí)間，移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)具備不停電接入、退出供電網(wǎng)絡(luò)的能力，這會(huì)對(duì)配網(wǎng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生影響，現(xiàn)在這方面的研究還不多，也沒(méi)有足夠的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)判斷其影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)平準(zhǔn)化度電成本分析，鋰電池移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高供電可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景中優(yōu)于柴油發(fā)電車。

2）現(xiàn)階段鋰離子電池容量相對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷來(lái)說(shuō)仍偏小，只適用負(fù)荷較輕的地區(qū)以及局部的應(yīng)急供電場(chǎng)合，具備一定的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景必將不斷增加，應(yīng)積極探索，積累經(jīng)驗(yàn)。

3）移動(dòng)儲(chǔ)能的成本仍較高，在2 元/kWh以上，能否應(yīng)用仍取決于供電企業(yè)對(duì)提高供電可靠性的意愿。但我國(guó)電池產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，成本下降較快；同時(shí)如果形成產(chǎn)業(yè)，相關(guān)配套設(shè)備的成本也能有較大幅度的下降，前景較為廣闊。