白 樺 王正用 李 晨 許 寅

面向電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)及用戶側(cè)的儲能容量配置方法研究

白 樺1王正用1李 晨2許 寅2

（1. 浙江華云電力工程設(shè)計咨詢有限公司，杭州 310000； 2. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

電網(wǎng)中普遍存在負(fù)荷率過高，電網(wǎng)峰谷差較大的情況。隨著風(fēng)電、光伏等新能源的不斷接入，其出力的波動性使得電網(wǎng)調(diào)峰問題更加嚴(yán)峻。儲能因其具有響應(yīng)快速、雙向調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，在緩解重負(fù)載、削峰填谷、平抑新能源波動、提高供電可靠性等方面可發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文針對電網(wǎng)側(cè)，提出了用于變電站降載及削峰填谷的儲能容量配置方法；針對新能源側(cè)，提出了用于平抑新能源出力波動的儲能容量配置方法；針對用戶側(cè)，提出了用于提高供電可靠性的儲能容量配置方法。最后，以某地區(qū)電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)進行了示例分析。

儲能技術(shù)；儲能容量；電網(wǎng)側(cè)；新能源側(cè)；用戶側(cè)

0 引言

電網(wǎng)中普遍存在變電站重過載、輸電通道受限、局部地區(qū)依賴電廠調(diào)峰等問題。隨著城市電網(wǎng)的快速建設(shè)，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差率不斷增大。一般輸配電設(shè)備的規(guī)劃建設(shè)以負(fù)荷峰值為基準(zhǔn)，但峰值負(fù)荷的持續(xù)時間較短，導(dǎo)致電力設(shè)施的利用率較低[1]。此外，隨著新能源的占比不斷增大，其出力的波動性對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響不可忽視[2-3]。季節(jié)性和時段性的負(fù)荷波動可能引起供電能力不足、電能質(zhì)量較差、供電可靠性低。

儲能具有快速充放電、建設(shè)便利等特點，對于緩解電網(wǎng)負(fù)荷高峰期設(shè)備重過載、削峰填谷、平抑新能源出力波動性、提高用戶供電可靠性等有積極作用。儲能是未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要構(gòu)成部分，隨著儲能技術(shù)成本的降低，其應(yīng)用將更加廣泛[4]。配置合理容量的儲能設(shè)備，不僅有助于儲能輔助調(diào)節(jié)作用的充分發(fā)揮，還可以提高電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟性。因此研究儲能容量配置，對于電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)具有重要意義。

如何配置儲能系統(tǒng)的容量是目前儲能建設(shè)領(lǐng)域中的研究熱點之一。文獻(xiàn)[5]提出了針對電網(wǎng)側(cè)的儲能近期及遠(yuǎn)期的規(guī)模配置方法，規(guī)定了配置原則。文獻(xiàn)[6]提出了用于削峰填谷的儲能容量配置方法，并進行了一定的經(jīng)濟性分析。文獻(xiàn)[7]提出了光伏電站側(cè)儲能容量配置方法，考慮了光伏并網(wǎng)的系統(tǒng)功率平衡和功率波動極限。文獻(xiàn)[8]對風(fēng)電場的儲能容量配置范圍進行了一定的分析，綜合考慮了各種影響因素。文獻(xiàn)[9]針對儲能用于平抑風(fēng)電出力的波動，提出了基于正態(tài)分布的儲能容量配置方法。文獻(xiàn)[10]提出了考慮經(jīng)濟效益的風(fēng)電場側(cè)儲能容量選取方法。文獻(xiàn)[11]提出了用戶側(cè)儲能容量配置方法，構(gòu)建了詳細(xì)的儲能優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[12]考慮儲能建設(shè)成本及收益，提出了用戶側(cè)儲能容量分析方法。

本文將從電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)、用戶側(cè)3個方面，分析儲能的應(yīng)用方向，提出相應(yīng)的電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)、用戶側(cè)儲能系統(tǒng)容量配置方法。

1 儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用方向

儲能可應(yīng)用在不同的需求場景，其所起的主要作用及帶給電網(wǎng)的價值也不盡相同[13]。本節(jié)將分別從電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、用戶側(cè)3個方面，分析儲能系統(tǒng)的應(yīng)用給電網(wǎng)帶來的主要作用及效益。

1.1 電網(wǎng)側(cè)儲能應(yīng)用方向

1）用于延緩電網(wǎng)升級

對于建設(shè)較為完善的城市電網(wǎng)，其升級擴建的成本較高。在負(fù)載率較大處安裝適當(dāng)容量的儲能設(shè)備，可以降低負(fù)載率，從而延緩電網(wǎng)升級，減少資金的投入[14]。

2）用于減少輸電阻塞

在用電高峰時期，輸配電系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)輸電阻塞的情況?？紤]在輸電阻塞段的潮流下游地區(qū)安裝儲能設(shè)施，以減少對輸配電系統(tǒng)的用電需求，一定程度上緩解輸電阻塞問題[15]。

3）用于提供調(diào)峰輔助服務(wù)

儲能以其可快速充放電的優(yōu)勢，可參與電網(wǎng)調(diào)峰。在用電低谷時期，儲能存儲多余的電能，在用電高峰時則輸出電能，減少電網(wǎng)峰谷差值。

1.2 電源側(cè)儲能應(yīng)用方向

1）用于平抑新能源發(fā)電波動

利用儲能設(shè)備靈活的充放電能力，實現(xiàn)平滑風(fēng)電、光伏等新能源出力曲線的效果，減少其出力波動性對電網(wǎng)的負(fù)面影響，促進風(fēng)電、光伏的消納。

2）用于提升新能源發(fā)電的市場競爭力

電網(wǎng)中常出現(xiàn)棄風(fēng)棄光的情況。配置儲能設(shè)備能夠提升新能源在電力市場中的競爭力，提高新能源的經(jīng)濟效益以及投資者的開發(fā)積極性[16]。

1.3 用戶側(cè)儲能應(yīng)用方向

1）用于提高供電可靠性

重要用電設(shè)施對供電可靠性的要求標(biāo)準(zhǔn)較高，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障而停止向負(fù)荷供電，將會造成一定的經(jīng)濟損失。重要負(fù)荷附近的儲能設(shè)備，可作為備用電源或不間斷電源，減少因電力供應(yīng)不足而帶來的停電損失[17]。

2）用于低儲高發(fā)套利

一般在用電低谷時期，電價較低，儲能為充電狀態(tài)；在用電高峰時期，電價較高，儲能為發(fā)電狀態(tài)，電網(wǎng)公司可利用電價差實現(xiàn)套利。

2 電網(wǎng)側(cè)儲能容量配置方法

本文中，電網(wǎng)側(cè)儲能主要考慮降低變電站負(fù)載率、削峰填谷以降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差率，提出用于變電站降載以及削峰填谷的儲能容量配置方法。

2.1 用于變電站降載的儲能容量配置方法

由于變電站的建設(shè)時間較早，設(shè)備選型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不高，大多數(shù)變電站都存在以下問題：

1）變電站的負(fù)載率較高。若變電站的最大負(fù)載率超過90%，則會嚴(yán)重威脅變電站的安全運行[18]。

2）負(fù)荷峰谷差大。部分變電站存在負(fù)荷峰谷差較大的情況，導(dǎo)致其設(shè)備整體的利用率較低。

配置變電站處儲能設(shè)備的功率需考慮三種因素：①保證重要負(fù)荷的運行；②變壓器不能存在過載運行的情況；③能夠?qū)⒆冸娬鞠鞣逯疗渲剌d功率以下。儲能功率的選取如下

基于上述儲能功率選取值，配置儲能的容量還需考慮：①變電站的重載時間；②重要負(fù)荷運行一個周期所需時間。儲能容量的選取如下

2.2 用于削峰填谷的儲能容量配置方法

削峰填谷問題是電網(wǎng)運行的基本問題之一。大多數(shù)火電機組的調(diào)節(jié)能力不足。水電機組具有運行方式靈活、迅速起停的特點，且其調(diào)節(jié)范圍可接近100%，但是其建設(shè)地點的選取完全依賴地理條件。儲能因其響應(yīng)快速且其建設(shè)不受地理條件限制的特點，能夠滿足電網(wǎng)大規(guī)模的削峰填谷需求。

用于削峰填谷的儲能的功率應(yīng)取電網(wǎng)調(diào)峰的功率最大限值。儲能功率的選取如下

在最近一次增持后，中國平安取代貝萊德集團成為匯豐控股的第一大股東，持股約14.19億股，持股比例為7.01%。以匯豐控股11月5日收市價每股65.5港元計算，這批股份市值約為929億港元。平安方面表示，對匯豐控股的這筆投資屬于保險資金的財務(wù)性投資。

基于以上的儲能功率確定值，儲能的容量選取如式（4）—式（6）所示。

3 新能源側(cè)儲能容量配置方法

新能源固有的間歇性特質(zhì)，使其出力無法被精準(zhǔn)預(yù)測，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行。儲能具有快速雙向調(diào)節(jié)出力的能力，可以平抑新能源出力的波動，使其出力平滑[19]。本文中，新能源側(cè)配置儲能設(shè)備主要考慮平抑新能源出力的波動性。

關(guān)于風(fēng)電場輸出功率變化率，對于不同規(guī)格裝機容量的風(fēng)電場，對其每10min、1min的最大變化量均制定了標(biāo)準(zhǔn)，其中最大功率變化推薦參數(shù)[7]見表1。對于光伏發(fā)電站輸出功率變化率的要求，依據(jù)GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，光伏發(fā)電站有功功率的每分鐘變化速率應(yīng)不超過其裝機容量的10%[20]。

表1 風(fēng)電場最大功率變化推薦值 單位: MW

3.1 用于平抑新能源波動的儲能容量配置方法

新能源側(cè)儲能的容量配置與新能源的發(fā)電數(shù)據(jù)密切相關(guān)?；谛履茉闯隽?shù)據(jù)及并網(wǎng)有功功率變化速率的要求，可得到儲能功率變化范圍曲線，即

3.2 區(qū)域內(nèi)新能源側(cè)儲能容量配置估計方法

對于區(qū)域內(nèi)新能源側(cè)儲能容量配置的計算，考慮到區(qū)域內(nèi)新能源數(shù)量繁多，可采用樣本估計整體的方法對區(qū)域內(nèi)新能源側(cè)儲能容量配置進行估算。

對于區(qū)域內(nèi)新能源側(cè)儲能容量配置的估算，可按照以下步驟進行實施：

1）統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)各新能源的類型（風(fēng)電、光伏）及裝機容量大小，分析典型新能源出力數(shù)據(jù)，包括功率變化率及功率變化率最大值，得到對應(yīng)的儲能所需功率變化曲線。

2）利用樣本估計整體的方法，對整個區(qū)域內(nèi)的新能源側(cè)儲能容量配置需求進行估算。

4 用戶側(cè)儲能容量配置方法

本文中，用戶側(cè)儲能主要考慮提高供電可靠性，提出用于提高供電可靠性的儲能容量配置方法。

4.1 用于提高供電可靠性的儲能容量配置方法

用戶停電事件的發(fā)生屬于概率事件，用戶側(cè)儲能容量需求可按照其期望值分析。依據(jù)以往停電事件發(fā)生的經(jīng)驗，得到市電的可靠度。每次停電對于用戶造成的電量不足的期望值為

儲能容量期望值可根據(jù)投入儲能前后的故障停電率之差進行確定，即

4.2 區(qū)域內(nèi)用戶側(cè)儲能容量配置估計方法

為了獲得區(qū)域內(nèi)用戶側(cè)儲能的整體容量配置方案，可采取適當(dāng)?shù)臉颖竟烙嫹椒▽^(qū)域內(nèi)的用戶側(cè)儲能容量配置進行估算。

對于區(qū)域內(nèi)的用戶負(fù)荷進行估算，僅僅進行數(shù)量上的估算，不具有實際參考價值。對于不同類型用戶，其負(fù)荷特性不同，對于故障停電率的要求也不同。通常，工業(yè)負(fù)荷比較平穩(wěn)，商業(yè)負(fù)荷具有規(guī)律性，居民負(fù)荷波動性較大。因此，對于區(qū)域內(nèi)用戶側(cè)儲能的容量配置，可按照以下步驟進行實施：

1）對區(qū)域內(nèi)的用戶類型進行分類，根據(jù)各個類別用戶中的典型用戶負(fù)荷曲線，分析其負(fù)荷特性，包括負(fù)荷峰值、峰值時段、負(fù)荷谷值、谷值時段、負(fù)荷平均值、負(fù)荷峰谷差等。

2）統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)各類用戶負(fù)荷的總電量，分析各類用戶負(fù)荷用電量的占比。依據(jù)各類用戶負(fù)荷的重要程度，規(guī)定其對供電可靠性的要求。

3）利用樣本估計整體的方法，對整個區(qū)域內(nèi)的用戶側(cè)儲能容量配置需求進行估計。采用對不同類型用戶負(fù)荷分別估計，最后疊加為整體儲能容量配置需求的計算方法。

5 示例分析

本節(jié)將選取某地區(qū)電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)，分別對本文所提出的電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)、用戶側(cè)儲能容量配置方法進行示例分析。

5.1 電網(wǎng)側(cè)儲能容量配置示例

以某地區(qū)中的220kV變電站為例（其日負(fù)荷曲線如圖1所示），用于變電站降載的儲能容量配置的具體分析結(jié)果如下所述。

圖1 某220kV變電站日負(fù)荷曲線

某220kV變電站的額定容量為360MW，由日負(fù)荷曲線可以看出，日最大負(fù)載為296.72MW，日最小負(fù)載為127.48MW，日平均負(fù)載為219.83MW，容載比為1.21。根據(jù)電網(wǎng)變電站負(fù)載率不超過65%的要求，變電站負(fù)載率超過65%的時段為9:00—21:00。變電站的重載功率按照65%計算為234MW。由本文所述用于變電站降載的儲能容量配置方法可知，需要配置的儲能功率為62.72MW。為保證儲能容量配置方案的可行性，以最大功率以及變電站重載時間作為儲能容量需求的依據(jù)。變電站重載持續(xù)時間大致為13h，因此需配置儲能容量為815.36MW·h。

某110kV變電站的額定容量為100MW，其日負(fù)荷曲線如圖2所示。由圖2可以看出，負(fù)荷峰值為37.05MW，谷值為12.12MW，計算得出峰谷差率為67.3%。由電網(wǎng)期望負(fù)荷峰谷差不超過25%的要求，依據(jù)本文所提的用于削峰填谷的儲能容量配置方法，計算得出削峰填谷儲能功率需求為8.95MW。統(tǒng)計計算各個時段為滿足削峰填谷需要儲能充電、放電的功率值，累計求得所需儲能容量配置值為108.25MW·h。

圖2 某110kV變電站日負(fù)荷曲線

5.2 新能源側(cè)儲能容量配置示例

選取某風(fēng)電站數(shù)據(jù)（裝機容量為22.5MW）進行分析。此風(fēng)電站的某一典型日出力曲線如圖3所示，其中數(shù)據(jù)采樣時間間隔為5min。

圖3 某風(fēng)電站的某日出力曲線

由風(fēng)電出力曲線可以看出，風(fēng)電出力具有間歇性的特點，出力波動性較大，出力變化并沒有明顯的規(guī)律。為避免風(fēng)電出力出現(xiàn)波動變化水平較大的情況，應(yīng)在風(fēng)電站附近配備相應(yīng)容量水平的儲能，利用其雙向快速調(diào)節(jié)的特性，平抑風(fēng)電出力的波動性，從而進一步促進風(fēng)電的消納。

以上述典型風(fēng)電站的出力曲線為例，依據(jù)本文所提出的新能源側(cè)儲能需求計算方法，計算各個時間間隔儲能功率需求。為確保盡可能平抑風(fēng)電出力的波動性，在進行儲能容量規(guī)劃時提高了標(biāo)準(zhǔn)，對于裝機量30MW以下的風(fēng)電出力最大變化功率限制設(shè)定為不超過3MW/5min。依據(jù)出力最大功率變化限制設(shè)定值，得到各個數(shù)據(jù)點間時段的儲能需求功率，典型風(fēng)電站側(cè)儲能需求功率曲線如圖4所示。

根據(jù)儲能功率需求曲線，得到儲能設(shè)備需持續(xù)出力時間。經(jīng)計算，典型風(fēng)電站應(yīng)配備的儲能系統(tǒng)容量至少為0.096 89MW·h。典型風(fēng)電站儲能功率值選取一天中最大需求值1.047MW。顯然實際規(guī)劃儲能容量時還應(yīng)考慮儲能效率等其他因素的影響，因此實際規(guī)劃儲能容量值應(yīng)大于上述理論計算值。

圖4 一天內(nèi)風(fēng)電站側(cè)儲能功率需求曲線

5.3 用戶側(cè)儲能容量配置示例

選取某商業(yè)用電負(fù)荷進行分析。對于工業(yè)用電負(fù)荷、商業(yè)用電負(fù)荷等重要負(fù)荷，在其工作時段必須保證其用電可靠性。計算用戶側(cè)儲能容量配置時，選取其負(fù)荷曲線最大值/負(fù)荷高峰期的平均值作為儲能功率以及容量配置的依據(jù)。某商業(yè)用戶的日負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 某商業(yè)用電的日負(fù)荷曲線

由圖5可以看出，一天內(nèi)的用電峰值出現(xiàn)在營業(yè)時間段，為747kW，日負(fù)荷最小值為35.7kW。商業(yè)用電負(fù)荷日用電時間以營業(yè)時間（10:00—20:00）為準(zhǔn)，共10h，假定商業(yè)場合全年365天均進行營業(yè)。商業(yè)負(fù)荷在夏季時節(jié)7月份的平均負(fù)荷為218.46kW。假設(shè)區(qū)域內(nèi)可靠性要求為99.999%，經(jīng)計算，商業(yè)用電負(fù)荷側(cè)所需儲能系統(tǒng)容量配置為0.204 5kW·h。鑒于用戶側(cè)儲能設(shè)備一般安裝在用戶附近，可考慮選用技術(shù)水平較高，可循環(huán)利用次數(shù)較多的儲能技術(shù)。同樣實際規(guī)劃儲能容量時還應(yīng)考慮儲能效率等其他因素影響，儲能容量規(guī)劃值應(yīng)大于理論計算值。

5.4 方法優(yōu)勢

傳統(tǒng)的儲能容量配置計算方法，主要依據(jù)電網(wǎng)中的發(fā)電機組的裝機容量、風(fēng)電光伏的裝機容量以及負(fù)荷的額定容量等進行分析計算。由于其計算方法的準(zhǔn)確度比較低，未根據(jù)電網(wǎng)實際儲能需求進行分析，會造成儲能設(shè)備利用率低或者甚至無法達(dá)到預(yù)期規(guī)劃目標(biāo)。

本文提出的儲能容量配置方法，針對儲能在電網(wǎng)不同側(cè)的不同作用，分別考慮電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)以及用戶側(cè)儲能容量配置。首先，明確儲能配置的主要目標(biāo)，提出相應(yīng)的配置方法；然后，利用電網(wǎng)實際的觀測數(shù)據(jù)，有針對性地計算儲能需求量，從而能夠更加合理地規(guī)劃電網(wǎng)儲能建設(shè)規(guī)模。

6 結(jié)論

利用儲能的建設(shè)便利、雙向快速調(diào)節(jié)等特點，可解決電網(wǎng)中變電站重過載、負(fù)荷峰谷差較大、風(fēng)電、光伏等新能源出力波動大和用戶供電可靠性低等問題，進而滿足電網(wǎng)對變電站負(fù)載率、峰谷差、不同供區(qū)用戶可靠性等要求。針對上述需求，本文分別提出了電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)以及用戶側(cè)不同作用下的儲能系統(tǒng)的容量配置方法，為城市電網(wǎng)未來的儲能系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)提供較為合理的容量選取建議。

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Research on capacity allocation method of energy storage for grid side, new energy side and user side

BAI Hua1WANG Zhengyong1LI Chen2XU Yin2

(1. Zhejiang Huayun Electric Power Design Consulting Co., Ltd, Hangzhou 310000； 2. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Grids have generally suffered from excessively high grid load rates and large differences in peak-to-valley grids. With the continuous access of new energy sources such as wind power and photovoltaic, the volatility of its output has made the problem of peak shaving of the power grid more severe. Energy storage can play a key role in mitigating heavy loads, cutting peaks and filling valleys, promoting new energy consumption, and improving power supply reliability due to its advantages of rapid response and two-way regulation. This paper proposes a storage capacity configuration method for substation load reduction and peak shaving for the power grid side; for the new energy side, a storage capacity configuration method for suppressing fluctuations in new energy; for the user side, this paper proposes Energy storage capacity configuration method for improving power supply reliability. Finally, the actual data of a certain area grid is used to analyze.

energy storage technology; energy storage capacity; power grid side; new energy side; user side

2020-07-03

2020-07-16

白 樺（1980—），男，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究、工程設(shè)計等工作。