張程翔丁 寧尹 峰邵喬樂(lè)張江豐鄭可軻
(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,浙江省 杭州市 310014)
隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的提出,國(guó)家積極加快以風(fēng)電、太陽(yáng)能為主的可再生能源發(fā)展,規(guī)劃2030年裝機(jī)總量達(dá)到12億k W。習(xí)總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委第九次會(huì)議指出,要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系,建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),為能源電力領(lǐng)域的“十四五”開(kāi)局指明了方向。然而,集中式、分布式新能源的大規(guī)模接入,多省需求響應(yīng)負(fù)荷的廣泛邀約[1-2],導(dǎo)致能源電力產(chǎn)消結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革,傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段已難以維持新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,電網(wǎng)亟需填補(bǔ)自身調(diào)節(jié)能力缺口。
目前,抽水蓄能電站仍然是國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)依賴的主要儲(chǔ)能,但其物理選址與可調(diào)能力存在一定的局限性[3-4],近年來(lái)開(kāi)發(fā)增量趨于緩和。而新型儲(chǔ)能作為除抽水蓄能外的儲(chǔ)能技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,靈活調(diào)節(jié)能力強(qiáng),可在應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)的“三高”特性方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用,是我國(guó)邁入能源轉(zhuǎn)型“快車道”的關(guān)鍵資源。自“十三五”以來(lái),國(guó)家、地方頻頻出臺(tái)相關(guān)政策[5-9],不斷加大新型儲(chǔ)能及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的扶持力度,鼓勵(lì)相關(guān)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。亦有不少文獻(xiàn)對(duì)于新型儲(chǔ)能的特性與技術(shù)展開(kāi)了分析研究,但就其在新型電力系統(tǒng)下的商業(yè)場(chǎng)景與運(yùn)營(yíng)模式尚未有清晰的定論。
本文對(duì)新型儲(chǔ)能的品類進(jìn)行梳理,詳細(xì)闡述其在電力系統(tǒng)中的5種最具前景的應(yīng)用場(chǎng)合,研究?jī)?chǔ)能運(yùn)營(yíng)商作為市場(chǎng)獨(dú)立主體時(shí)的盈利方式,并結(jié)合當(dāng)前形勢(shì),對(duì)儲(chǔ)能共享共建的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行探討,最終給出新型儲(chǔ)能在未來(lái)的發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)研究。
截至2020年底,國(guó)內(nèi)以電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能為主的新型電力儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)為3.27 GW,預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將超30 GW[10],年均復(fù)合增長(zhǎng)率在50%以上。明確的規(guī)模與增速要求,將引導(dǎo)社會(huì)資本流入百花齊放的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè),助推萬(wàn)億市場(chǎng)的快速到來(lái)。儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模見(jiàn)圖1。
電化學(xué)儲(chǔ)能經(jīng)過(guò)近十幾年的蓬勃發(fā)展,已成為最重要的新型儲(chǔ)能技術(shù)。截至2020年,國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量較2019年增長(zhǎng)1.56 GW,同比增長(zhǎng)91.2%,占儲(chǔ)能總量的9.2%[3]。其中,又以能量密度高、功率密度高、效率高的鋰離子電池發(fā)展最為迅速,其不受地理位置的限制,電池成本逐年下行,已形成相對(duì)完備的上下游產(chǎn)業(yè)鏈,即將迎來(lái)大規(guī)模商業(yè)化階段。
機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展由來(lái)已久,傳統(tǒng)的抽水蓄能在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。目前,國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)對(duì)另外2 類同樣具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的新型儲(chǔ)能——壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,亦提出了明確的發(fā)展目標(biāo)[6]。
壓縮空氣儲(chǔ)能被視作抽水蓄能的最佳替代品,相較于后者選址條件更寬松,對(duì)生態(tài)環(huán)境影響更小,其利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將高壓空氣存入儲(chǔ)氣罐,并在需要時(shí)釋放,推動(dòng)渦輪膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)使發(fā)電機(jī)輸出功率。歷經(jīng)幾十年的技術(shù)革新,壓縮空氣儲(chǔ)能種類從補(bǔ)燃型衍生出有外部熱源的非補(bǔ)燃型、無(wú)外部熱源的絕熱型,結(jié)合熱能回收、光伏儲(chǔ)熱、余熱利用等技術(shù),可大幅提高自身能效,并在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、綜合能源利用等方面均有建樹(shù)。當(dāng)前,國(guó)際首臺(tái)百兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能已在張家口順利并網(wǎng),系統(tǒng)效率超70%,而隨著政策傾斜與技術(shù)發(fā)展,容量大、壽命長(zhǎng)、蓄能久的壓縮空氣儲(chǔ)能也將邁入商業(yè)化初期[11]。
飛輪儲(chǔ)能利用電力電子裝置控制飛輪電機(jī)繞定軸旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換,通過(guò)并聯(lián)技術(shù)可大規(guī)模上網(wǎng)。飛輪儲(chǔ)能瞬時(shí)功率大,具有毫秒級(jí)響應(yīng)速度與分鐘級(jí)持續(xù)時(shí)間,相較于其他儲(chǔ)能而言,更適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、改善電能質(zhì)量等場(chǎng)景。不少學(xué)者已提出在火電廠投建飛輪儲(chǔ)能輔助調(diào)頻,將飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用于電氣化鐵路以降低牽引變負(fù)序電流與電壓不平衡度等研究[12-13]。近十年來(lái)相關(guān)研究成果大幅增長(zhǎng)[14],高強(qiáng)度復(fù)合材料、懸浮軸承等創(chuàng)新技術(shù),為加快飛輪儲(chǔ)能規(guī)?;痉厄?yàn)證打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
國(guó)內(nèi)多省已在“十四五”規(guī)劃中對(duì)氫能作出明確的定位與計(jì)劃,并積極引進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)[15]。這不僅意味著氫能正得到越來(lái)越多的關(guān)注和認(rèn)可,還標(biāo)志著氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃已步入國(guó)家頂層設(shè)計(jì)?,F(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)仍然主要依賴化石燃料和工業(yè)副產(chǎn)氣制氫,但隨著能耗雙控向碳排雙控轉(zhuǎn)變,新能源大規(guī)模并網(wǎng),具備零碳優(yōu)勢(shì)與氫電耦合特質(zhì)的“綠電制氫”技術(shù)引起了業(yè)界矚目。
利用新能源棄風(fēng)棄光電量或峰時(shí)電量電解水制氫,并通過(guò)物理儲(chǔ)氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、跨季節(jié)存儲(chǔ),配合氫燃料電池并網(wǎng)發(fā)電,構(gòu)成氫電耦合的儲(chǔ)能系統(tǒng),為電網(wǎng)提供一種應(yīng)對(duì)新能源裝機(jī)驟增的跨季調(diào)峰手段。然而,受限于工藝技術(shù),“電-氫-電”的整體利用效率僅為35%~55%[16],難以媲美其他儲(chǔ)能。因此,開(kāi)辟氫能的一體化產(chǎn)消體系、提升資源利用率是氫能技術(shù)走向商業(yè)應(yīng)用的前提。
除利用燃料電池長(zhǎng)周期轉(zhuǎn)移風(fēng)光電量,氫能還可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,以滿足各種終端用能、供暖制冷的需求,實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到消費(fèi)的能源體系全面脫碳,是“碳達(dá)峰、碳中和”的重要媒介和應(yīng)用手段。氫能的應(yīng)用正從電力延伸至交通、建筑、工業(yè)等高耗能領(lǐng)域,逐步替代化石燃料,如圖2 所示。此外,在某海島氫能示范工程中,有專家在氫電轉(zhuǎn)換過(guò)程間,加入余熱回收系統(tǒng),通過(guò)板式換熱器、混合式冷凝器對(duì)“綠電制氫-儲(chǔ)氫加工-電池發(fā)電”3大主環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余熱和尾氣再利用,直接為周邊居民區(qū)、工業(yè)區(qū)提供暖氣與熱水。經(jīng)測(cè)算,該工程能源綜合利用效率可提升至72%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氫能利用模式,具備一定的規(guī)?;瘧?yīng)用潛力。
圖2 氫能產(chǎn)消網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Production and consumption network of hydrogen energy
隨著新型電力系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)程的加快,電力系統(tǒng)不確定性與峰谷差問(wèn)題日益突出,調(diào)節(jié)能力日趨匱乏。作為一種靈活資源,在電源側(cè)與用戶側(cè)布局新型儲(chǔ)能技術(shù)并研究其商業(yè)化應(yīng)用,可有效應(yīng)對(duì)源荷隨機(jī)波動(dòng)給電網(wǎng)帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
2.1.1 新能源按比配儲(chǔ)
截至2020 年底,我國(guó)光伏、風(fēng)機(jī)累計(jì)裝機(jī)為253、281 GW,分別占全球市場(chǎng)的33%和38%[17],連續(xù)五年位居世界第一。國(guó)內(nèi)21個(gè)省區(qū)新能源發(fā)電已成為省內(nèi)前兩大電源,青海省新能源裝機(jī)占比已超過(guò)60%。目前,新能源并網(wǎng)的主要矛盾已從棄風(fēng)棄光嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題,轉(zhuǎn)向大規(guī)模并網(wǎng)帶來(lái)的安全性問(wèn)題。已有標(biāo)準(zhǔn)要求35 k V 及以上電壓等級(jí)的電源需具備調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓能力[18],提高新能源場(chǎng)站自身調(diào)節(jié)能力的需求迫在眉睫。
儲(chǔ)能響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)能力強(qiáng),是應(yīng)對(duì)可再生能源隨機(jī)性與波動(dòng)性的理想選擇。隨著中標(biāo)價(jià)格突破規(guī)?;瘧?yīng)用拐點(diǎn),多地展開(kāi)了“新能源+儲(chǔ)能”運(yùn)營(yíng)模式的探索,超過(guò)19個(gè)省份倡導(dǎo)新建或已有的新能源項(xiàng)目配置儲(chǔ)能。新疆、青海、山東等多個(gè)地方政策明確要求新增風(fēng)電、光伏項(xiàng)目按新能源裝機(jī)比例5%~20%、配置容量時(shí)長(zhǎng)1~2 h儲(chǔ)能系統(tǒng)。
通過(guò)按比配儲(chǔ),新能源場(chǎng)站既提升了自身可調(diào)能力,契合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,又可輔助調(diào)度運(yùn)行,豐富了電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段。但目前新上項(xiàng)目多受政策補(bǔ)貼激勵(lì)或強(qiáng)制執(zhí)行影響,難以形成長(zhǎng)期效應(yīng)。綜上,需探索“新能源+儲(chǔ)能”更廣泛的商業(yè)模式,在支撐電網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)爭(zhēng)取收益最大化,力求以市場(chǎng)化手段驅(qū)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。
1) 發(fā)電偏差替代。受限于可再生能源的中短期功率預(yù)測(cè)技術(shù),當(dāng)環(huán)境資源突變或電力電子設(shè)備不穩(wěn)定時(shí),風(fēng)機(jī)、光伏的計(jì)劃曲線與實(shí)際曲線將產(chǎn)生較大偏差。通過(guò)調(diào)控站內(nèi)儲(chǔ)能的動(dòng)作行為,多時(shí)間尺度的跟蹤風(fēng)、光計(jì)劃曲線,確保場(chǎng)站實(shí)際輸出功率連續(xù)穩(wěn)定并盡可能匹配申報(bào)計(jì)劃,從而規(guī)避由中短期功率預(yù)測(cè)偏差導(dǎo)致的考核懲罰。
2) 輔助服務(wù)盈利。按比配儲(chǔ)的新能源場(chǎng)站,在滿足自身需求之余,可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù),并從電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中掙取可觀的收益[37]。場(chǎng)站儲(chǔ)能依據(jù)負(fù)荷曲線實(shí)施谷充峰放,一方面回收?qǐng)稣镜臈夛L(fēng)棄光,并從峰谷差價(jià)中獲利,另一方面降低地方電網(wǎng)峰谷差,為處在新能源高滲透率區(qū)域的送端電網(wǎng)緩解輸電線路通道阻塞,實(shí)現(xiàn)新能源的大范圍、長(zhǎng)距離穩(wěn)定消納;通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)控,使原本只能向下調(diào)節(jié)的新能源場(chǎng)站具備雙向一次調(diào)頻能力,并提升了調(diào)頻性能;利用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行無(wú)功、電壓的快速調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功就地補(bǔ)償,改善新能源并網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)情況。
3) 增加綠電收益。國(guó)內(nèi)綠色交易市場(chǎng)正在建立健全,新能源場(chǎng)站按比配儲(chǔ)后,可替代基準(zhǔn)線情景下該區(qū)域電網(wǎng)的同等火電發(fā)電量,降低碳排量。通過(guò)綠電交易與綠證碳交易市場(chǎng)的有效銜接,新能源配儲(chǔ)企業(yè)可出售綠證或核減碳排量給指標(biāo)緊缺的其他能源企業(yè),從中收獲附加利益與競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
2.1.2 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻
隨著能耗雙控向碳排雙控的轉(zhuǎn)化,火力機(jī)組受新能源發(fā)電壓制及節(jié)能減碳的影響,其生存空間被進(jìn)一步壓縮,未來(lái)將更多地承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。但以浙江的火電為例,部分超臨界機(jī)組受蓄熱限制,多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組有熱壓要求,致使火電機(jī)組固有調(diào)頻能力較弱。此外,省內(nèi)大部分百萬(wàn)機(jī)組的深調(diào)運(yùn)行結(jié)果表明,機(jī)組負(fù)荷越低、蓄熱量越小,自身綜合調(diào)頻指數(shù)越不理想。因此,亟待技術(shù)革新的火電行業(yè),提高自身的調(diào)峰調(diào)頻能力已刻不容緩。
飛輪儲(chǔ)能或電化學(xué)儲(chǔ)能快速精確的響應(yīng)特性,能完美匹配調(diào)度下達(dá)的自動(dòng)發(fā)電控制(automatic gain control,AGC)指令需求,顯著提升機(jī)組調(diào)頻性能[19],廣東、山西等省已開(kāi)展一系列電廠儲(chǔ)能輔助調(diào)頻示范。故“火儲(chǔ)聯(lián)合”是一種提升電廠調(diào)頻性能與輔助服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段,也是將來(lái)火電機(jī)組靈活性改造的重要方向。
以文獻(xiàn)[20]“90%AGC 指令覆蓋法”選擇儲(chǔ)能容量,接于廠用電中壓母線。當(dāng)調(diào)度下發(fā)AGC 指令時(shí),機(jī)組保持原有控制方式不變,以分鐘級(jí)響應(yīng)速率追蹤AGC 曲線,而儲(chǔ)能則同時(shí)采集遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit,RTU)指令與分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)中機(jī)組出力參數(shù),利用毫秒級(jí)響應(yīng)速率彌補(bǔ)AGC 指令與機(jī)組出力的偏差。待機(jī)組出力逐漸接近指令值時(shí),儲(chǔ)能降低功率并在機(jī)組反調(diào)時(shí)充電,以維持儲(chǔ)能系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)平衡,保證火儲(chǔ)聯(lián)合功率與調(diào)度指令的一致性。調(diào)節(jié)過(guò)程如圖3所示,可見(jiàn)儲(chǔ)能參與輔助調(diào)頻后,機(jī)組的調(diào)節(jié)速率K1與調(diào)節(jié)精度K3得到顯著提升,由式(1)易得,機(jī)組綜合調(diào)頻指數(shù)K也將得到較大程度改善。
圖3 火儲(chǔ)聯(lián)合參與AGC調(diào)頻示意圖Fig.3 Diagram of thermal power equipped with energy storage in frequency modulation
K值的提高,在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制中,意味著更高的服務(wù)中標(biāo)可能性,更多的調(diào)頻收入。因此,火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的投建運(yùn)營(yíng),能有效增加火電廠調(diào)頻補(bǔ)貼、減免調(diào)頻不合格的考核,提升直接經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)多個(gè)示范工程的經(jīng)濟(jì)性測(cè)算,電廠僅需2~5年便可收回投資成本乃至盈利[20-22]。此外,縱觀廠、網(wǎng)全局,火儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行還具有3大間接效益:一是改善機(jī)組運(yùn)行條件,降低頻繁爬坡操作導(dǎo)致的機(jī)械損耗;二是精確機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍,校正區(qū)域控制誤差,減少全網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量;三是在二次調(diào)頻過(guò)程中,合理制定儲(chǔ)能充放電計(jì)劃,降低全廠煤耗與碳排放量,符合國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的遠(yuǎn)景期望。
目前越來(lái)越多的省級(jí)電網(wǎng)著手制定電力輔助服務(wù)方案,電廠與儲(chǔ)能供應(yīng)商通過(guò)合同能源管理等模式,在電力供給側(cè)“火儲(chǔ)聯(lián)合”系統(tǒng)并參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù),具有廣闊的商業(yè)前景與實(shí)際意義。
2.2.1 基站冗余儲(chǔ)能喚醒
自5G 技術(shù)正式商用以來(lái),各運(yùn)營(yíng)商不斷擴(kuò)大5G 基站的建設(shè)投入,截至2021年8月,國(guó)內(nèi)已建成5G基站103.7萬(wàn)個(gè),預(yù)計(jì)2030年將超1 500萬(wàn)個(gè)[23]。
5G 基站通常由有源天線單元(active antenna unit,AAU)、基帶處理單元(base band unite,BBU)、照明、空調(diào)與儲(chǔ)能系統(tǒng)組成,結(jié)構(gòu)如圖4 所示,其中AAU 與BBU 負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、調(diào)制解調(diào)與發(fā)射,屬于直流負(fù)載,占基站總負(fù)荷的90%以上,其能耗與通信流量呈正相關(guān),可通過(guò)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制激發(fā)自身負(fù)荷的可調(diào)潛力。此外,自2018年以來(lái),基站運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一采購(gòu)動(dòng)力鋰電池替換老舊鉛酸電池[24],并配置2~4 h的儲(chǔ)能容量作為基站后備電源,為通訊設(shè)備提供失電時(shí)的緊急支撐,保障通信服務(wù)。但在實(shí)際運(yùn)行中,基站備電容量往往過(guò)剩,儲(chǔ)能長(zhǎng)期處于待機(jī)浮充狀態(tài),無(wú)法發(fā)揮鋰電池高倍率充放電的性能優(yōu)勢(shì)。隨著電力需求響應(yīng)的深入推進(jìn),集聚數(shù)額龐大、權(quán)屬單一的5G 基站群參與電網(wǎng)日前、實(shí)時(shí)需求響應(yīng)成為一種可行的商業(yè)模式:通過(guò)云邊協(xié)同技術(shù),管理區(qū)域基站的設(shè)備能耗與儲(chǔ)能運(yùn)行策略,為電網(wǎng)提供削峰填谷能力的同時(shí)獲取服務(wù)津貼。
圖4 5G 基站結(jié)構(gòu)Fig.4 5G base station structure
基站儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行能耗,預(yù)留規(guī)定的儲(chǔ)能備電時(shí)長(zhǎng),剩余容量便可主動(dòng)參與市場(chǎng)盈利。但5G 基站分布廣泛、服務(wù)群體特性鮮明,即使是配置相同,其服役時(shí)的能耗水平也大相徑庭。因此,精準(zhǔn)定義各個(gè)5G 基站儲(chǔ)能的可調(diào)能力是提升其需求響應(yīng)盈利能力的基礎(chǔ)。
1) 不同區(qū)域配電網(wǎng)的供電可靠性有所不同。城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村配電網(wǎng)的年平均停電時(shí)間與故障恢復(fù)速度有長(zhǎng)短快慢之分,則位于不同區(qū)域的基站所需儲(chǔ)能備電容量也應(yīng)有所區(qū)別。但就浙江省內(nèi)調(diào)研結(jié)果表明,目前通信運(yùn)營(yíng)商在基建時(shí)僅考慮了站內(nèi)設(shè)備的最大負(fù)荷,導(dǎo)致站內(nèi)儲(chǔ)能大量冗余。因此,通過(guò)構(gòu)建基站受電可靠性分析模型,準(zhǔn)確評(píng)估不同配電網(wǎng)下基站的備電需求極限,即配電網(wǎng)供電可靠性越高,故障停電概率越低,需用作備電的儲(chǔ)能容量越少,反之則備電容量越大。由此研判各基站儲(chǔ)能預(yù)留備電容量之余可參與需求響應(yīng)的能力。
2) 不同時(shí)段基站的通信流量也截然不同。利用通信需求預(yù)測(cè)技術(shù),在流量低谷時(shí)采取通道關(guān)斷、亞幀關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠等手段控制站內(nèi)通訊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),在保障通信服務(wù)的基礎(chǔ)上,降低設(shè)備能耗。如位于住宅、商圈等區(qū)域的宏基站,因白天用戶數(shù)量銳減,其在電力負(fù)荷高峰時(shí)段的功耗反而較低,可利用能耗管控技術(shù)優(yōu)化用電成本。此外,下調(diào)的基線電量還減少了基站的備電極限,從而釋放了基站儲(chǔ)能的可調(diào)空間。
通過(guò)受電可靠性分析與設(shè)備能耗管理技術(shù),可從最大容量與時(shí)變?nèi)萘績(jī)煞矫?提升不同區(qū)域配電網(wǎng)下、不同時(shí)段基站儲(chǔ)能的可調(diào)容量,利用“需求指令邀約+基站能量管理”的運(yùn)營(yíng)模式喚醒海量用戶側(cè)沉睡資源,參與電力需求響應(yīng)服務(wù)盈利,為5G 基站降本增效、填補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰能力缺口提供了一種堅(jiān)實(shí)有效的手段。
2.2.2 電動(dòng)汽車技術(shù)應(yīng)用
截至2021年上半年,我國(guó)新能源汽車保有量為603萬(wàn)輛,新增數(shù)同比增長(zhǎng)234.92%,是全球最大的新能源汽車市場(chǎng),其中純電動(dòng)汽車占81.86%。據(jù)國(guó)際可再生能源署對(duì)2050年能源場(chǎng)景的研究,屆時(shí)全球電動(dòng)汽車數(shù)量將超10億輛,超汽車總量的半數(shù)以上[25]。電車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展,推動(dòng)著電力與交通的能量交互,而作為“移動(dòng)型”儲(chǔ)能設(shè)備,車載動(dòng)力電池同樣是優(yōu)質(zhì)的用戶側(cè)靈活資源。目前對(duì)于電動(dòng)汽車的研究主要集中于充電站的選址定容規(guī)劃與車網(wǎng)互動(dòng)(vehicle to grid,V2G)技術(shù)。
充電站的選址定容需兼顧交通流場(chǎng)景和配電網(wǎng)阻塞管理。合理規(guī)劃布局充電站地點(diǎn),優(yōu)化調(diào)度電動(dòng)汽車充電時(shí)間與功率,一方面能夠轉(zhuǎn)移過(guò)量充電用戶,縮短車輛排隊(duì)時(shí)間,降低用戶時(shí)間成本,另一方面,可以均衡分布大量涌入的充電負(fù)荷,避免配電網(wǎng)在高峰時(shí)段出現(xiàn)局部過(guò)載,是在電動(dòng)汽車保有量飛速增長(zhǎng)時(shí)期,電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。
V2G 技術(shù)是通過(guò)改造通信、計(jì)量裝置,將充電樁升級(jí)為雙向變流器,則插入充電槍的電動(dòng)汽車即成為用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)了能量的雙向管理。據(jù)統(tǒng)計(jì),以目的地充電作為日常通勤方式的私人電車,平均90%的時(shí)間處于駐車狀態(tài),涵蓋了負(fù)荷曲線的“雙峰”時(shí)段。故車輛只需連接目的地充電樁即可獲取旋轉(zhuǎn)備用補(bǔ)償,其次,結(jié)合市場(chǎng)價(jià)格引導(dǎo)與激勵(lì)機(jī)制,在滿足用戶出行習(xí)慣的前提下優(yōu)化充電行為,轉(zhuǎn)移充電負(fù)荷填谷,或調(diào)控車載電池反送配電網(wǎng),緊急支撐尖峰供電成為可行的商業(yè)模式。我國(guó)華北地區(qū)已將V2G 充電樁資源納入調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)并進(jìn)行結(jié)算[26],反映了電動(dòng)汽車輔助調(diào)峰的可行性與市場(chǎng)需求。同時(shí),為電動(dòng)公共汽車/出租車提供服務(wù)的大型充電站成為天然的電動(dòng)汽車聚合商,其大規(guī)模聚集車載動(dòng)力電池,調(diào)節(jié)能力更強(qiáng),對(duì)于調(diào)用頻率高、持續(xù)時(shí)間短的調(diào)頻服務(wù)而言是現(xiàn)成的可用資源。借鑒電廠AGC 技術(shù),讓大型充電站接受調(diào)度的實(shí)時(shí)指令并參與二次調(diào)頻,能豐富新型電力系統(tǒng)下電網(wǎng)的調(diào)頻品類。
綜上,多種電動(dòng)汽車應(yīng)用場(chǎng)景不僅為電網(wǎng)提供了電力輔助服務(wù),亦給車主創(chuàng)造了額外收益。但作為價(jià)格與行為敏感型資源,電動(dòng)汽車用戶參與交易的意愿較大程度受制于電力市場(chǎng)成熟度與電池技術(shù)的發(fā)展[27-29]。只有更多樣的交易形式與可持續(xù)的補(bǔ)貼機(jī)制,方可吸引更多的用戶響應(yīng)市場(chǎng)需求;只有更高的電池能量密度與更快更安全的充電技術(shù),才能調(diào)動(dòng)用戶參與電網(wǎng)雙向調(diào)節(jié)的積極性。此外,電力輔助服務(wù)對(duì)參與市場(chǎng)主體有最小準(zhǔn)入門檻限制,分散電動(dòng)汽車用戶若要參與輔助服務(wù)市場(chǎng),必須依賴聚合商聚沙成塔的運(yùn)營(yíng)模式,這將促進(jìn)負(fù)荷聚合商通訊信息處理技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度算法與計(jì)量采集技術(shù)的快速發(fā)展,形成利益驅(qū)動(dòng)的正向循環(huán)。
2.2.3 虛擬電廠應(yīng)用
虛擬電廠(virtual power plant,VPP)利用先進(jìn)的傳感、計(jì)量、通信技術(shù)打破資源的地理限制與異構(gòu)壁壘,對(duì)內(nèi)虛擬聚合分布式能源,對(duì)外呈現(xiàn)可調(diào)可控的“電廠”特性[30-31],是廣域分散資源聚合互聯(lián)的終極組態(tài)[32]。
隨著國(guó)內(nèi)整縣光伏的迅速推進(jìn),需求響應(yīng)市場(chǎng)的逐步健全,分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷以指數(shù)趨勢(shì)野蠻增長(zhǎng),大量不確定資源的接入給配電網(wǎng)電壓與頻率穩(wěn)定造成了嚴(yán)峻考驗(yàn)。分布式資源地理位置分散、技術(shù)特性多樣,難以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),單獨(dú)調(diào)控成本昂貴,而僅依靠源、荷兩類資源互補(bǔ)又存在較大的隨機(jī)性,因此儲(chǔ)能對(duì)于資源的聚合互動(dòng)調(diào)控仍是至關(guān)重要的設(shè)備。合理聚合用戶側(cè)分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能等分散資源,打造兼具能源“產(chǎn)消一體”特性,多尺度時(shí)空互補(bǔ)、靈活可調(diào)的虛擬電廠符合當(dāng)下及未來(lái)的國(guó)情與政策需求[33-34]。
不同地域、不同類型的虛擬電廠內(nèi)部資源響應(yīng)能力與規(guī)模水平參差不齊,導(dǎo)致其接受直接調(diào)控時(shí)難以滿足嚴(yán)苛的調(diào)度要求。而虛擬電廠之間缺乏信息交互與能源共享機(jī)制,極易造成資源浪費(fèi),且無(wú)法最大化虛擬電廠集群的整體效益。因此,引入聚合商代理機(jī)制與分層分區(qū)動(dòng)態(tài)聚合架構(gòu),形成超大城市級(jí)或省級(jí)虛擬電廠,將廣域的、不同電壓等級(jí)的分散資源、虛擬電廠再次聚合,構(gòu)建立體化運(yùn)營(yíng)體系。其次,利用“云邊協(xié)同”調(diào)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)更廣范圍、更大體量的資源聚合與最優(yōu)化集群管控,虛擬電廠分層分區(qū)立體化運(yùn)營(yíng)體系如圖5所示。
當(dāng)虛擬電廠聚合商B 接收平臺(tái)層智能分解的需求指令后,將以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)或總成本最小等優(yōu)化目標(biāo)選擇性聚合邊緣層虛擬電廠1至n。各虛擬電廠利用邊緣計(jì)算優(yōu)化內(nèi)部源、荷、儲(chǔ)資源能量流,包括分散的5G 基站與數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車充電樁(站)、工商業(yè)分布式儲(chǔ)能等,以響應(yīng)聚合層發(fā)布的電力市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)或調(diào)用指令。或是通過(guò)平行交易、向上交易將富余資源出售給能量匱乏的其他平級(jí)虛擬電廠和上層聚合商。虛擬電廠聚合商代理與分層分區(qū)立體化運(yùn)營(yíng)體系一方面整合更廣范圍的分布式資源,聚集虛擬電廠集群優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步提升云端調(diào)控能力,緩解電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力;另一方面,立體化運(yùn)營(yíng)體系為虛擬電廠及其聚合商之間提供了聚合互動(dòng)與可信交易的平臺(tái),調(diào)動(dòng)聚合商與底層資源參與市場(chǎng)的積極性,充分利用內(nèi)部富裕資源,統(tǒng)籌優(yōu)化虛擬電廠集群的整體經(jīng)濟(jì)效益。
共享經(jīng)濟(jì)的成功為儲(chǔ)能的商業(yè)運(yùn)營(yíng)打開(kāi)了新的格局,相關(guān)政策也多次提出要打造儲(chǔ)能共建共享的新業(yè)態(tài)[5-6],支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展。共享儲(chǔ)能是由第三方或廠商負(fù)責(zé)投建、運(yùn)維,并作為供租方將儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量以商品形式租賃給目標(biāo)用戶的一種商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式,秉承“誰(shuí)受益、誰(shuí)付費(fèi)”的原則向承租方收取租金。用戶在服務(wù)時(shí)限內(nèi)享有儲(chǔ)能充放電權(quán)利,以滿足自身供能需求,無(wú)需自主建設(shè)儲(chǔ)能電站,大幅降低了原始資金投入。
為應(yīng)對(duì)新能源大規(guī)模建設(shè)布局,青海省于2019年4月率先開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次共享儲(chǔ)能調(diào)峰輔助服務(wù)試點(diǎn)運(yùn)行。魯能海西多能互補(bǔ)示范工程的自建自用儲(chǔ)能系統(tǒng),在滿足自身使用需求之余,借助電網(wǎng)通道將剩余容量租用給同區(qū)的其他2座50 MW 光伏電站,提供“棄光消納,峰時(shí)放電”的充放服務(wù)。此次共享不僅提升了對(duì)側(cè)新能源場(chǎng)站發(fā)電量,緩解了地方電網(wǎng)的調(diào)峰壓力,還協(xié)助儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)租賃費(fèi)與場(chǎng)站增發(fā)電量利潤(rùn)分?jǐn)偟膭?chuàng)收模式,拓寬了自建自用儲(chǔ)能的盈利渠道,是三方共贏的運(yùn)營(yíng)模式。截至2021年7 月底,青海共享儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)成交2 648筆,新能源場(chǎng)站增發(fā)電量7 286萬(wàn)k W·h[35],證明共享儲(chǔ)能具有市場(chǎng)可行性,也為儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展與商業(yè)化開(kāi)辟了新的思路。
青海案例是為新能源服務(wù)的共享儲(chǔ)能,具有鮮明的區(qū)域特色,有一定的可復(fù)制性,但隨著國(guó)家補(bǔ)貼退坡,新能源實(shí)行平價(jià)上網(wǎng),共享儲(chǔ)能應(yīng)探索更清晰的商業(yè)模式,在遠(yuǎn)景年也具備盈利途徑。
1) 隨著越來(lái)越多的地區(qū)明確新能源場(chǎng)站按比配儲(chǔ)要求,共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商作為供租方,以低于用戶自建儲(chǔ)能單價(jià)的租賃費(fèi),吸引更多目標(biāo)群體購(gòu)買共享服務(wù),為新能源場(chǎng)站省去配儲(chǔ)成本,為電網(wǎng)爭(zhēng)取主變、線路的增容擴(kuò)建時(shí)間,為工商業(yè)用戶降低容量電費(fèi)與電量電費(fèi),產(chǎn)生社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)利好。
2) 共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)籌規(guī)劃多承租方充、放電需求的互補(bǔ)性,使共享儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)容量顯著低于所有用戶購(gòu)買的服務(wù)容量總和,由此降低建設(shè)成本。另外,通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)研判用戶未來(lái)的租賃行為,優(yōu)化排布儲(chǔ)能先后使用權(quán),保證容量的最優(yōu)化利用,且運(yùn)營(yíng)商在多數(shù)場(chǎng)景下可不必實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶充電需求,而是通過(guò)平移充電量至谷電時(shí)段,進(jìn)一步降低運(yùn)行電費(fèi)成本。
3) 運(yùn)營(yíng)商可同時(shí)為多位承租方提供單一的或組合式服務(wù),進(jìn)而提升共享儲(chǔ)能單位容量的使用價(jià)值。如消納場(chǎng)站棄風(fēng)棄光的同時(shí)為電網(wǎng)提供無(wú)功電壓支撐、響應(yīng)調(diào)峰指令的同時(shí)改善工商業(yè)用戶電能質(zhì)量等等。相較于自建自用電站而言,共享儲(chǔ)能不僅可承接來(lái)自于不同承租方的需求,還有效提高了設(shè)備利用率,進(jìn)一步增加運(yùn)營(yíng)收入。
因此,共享儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用有助于源網(wǎng)荷儲(chǔ)的全局效益,圍繞上述的優(yōu)化定容降低成本總額、多維調(diào)用增加營(yíng)業(yè)利潤(rùn)兩個(gè)方面,提升運(yùn)營(yíng)商的投資回報(bào)率,吸引更多企業(yè)進(jìn)入共享賽道。同時(shí),鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)通過(guò)自建或購(gòu)買調(diào)峰儲(chǔ)能能力以增加新能源裝機(jī)并網(wǎng)規(guī)模[7],倡導(dǎo)完善峰谷電價(jià)[8]等利好政策的出臺(tái),為共享儲(chǔ)能提供了更廣袤的舞臺(tái)。即便是投身市場(chǎng)交易、參與虛擬電廠等多種新興業(yè)態(tài),共享儲(chǔ)能依然可以為用戶提優(yōu)質(zhì)、低價(jià)的技術(shù)服務(wù),形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)全交互、多方互利互惠的共贏格局,是未來(lái)儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的重點(diǎn)。
為助推以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè),保障電網(wǎng)電力電量平衡與安全穩(wěn)定低碳運(yùn)行,研究新型儲(chǔ)能的技術(shù)應(yīng)用與商業(yè)模式至關(guān)重要。本文概述了以電化學(xué)儲(chǔ)能為典型代表的新型儲(chǔ)能類型,聚焦電源側(cè)與用戶側(cè)新型儲(chǔ)能的多種應(yīng)用場(chǎng)景,研究其參與輔助服務(wù)市場(chǎng)、需求響應(yīng)服務(wù)的盈利途徑以及共享形態(tài)下更清晰的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。然而,新型儲(chǔ)能若要大規(guī)模高效應(yīng)用,在未來(lái)仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決,在此做簡(jiǎn)要探討與展望。
1) 關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,提高儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)、儲(chǔ)能變流器(power conversion system,PCS)等單體設(shè)備的制造工藝、運(yùn)行能力、安全性能;加速降低儲(chǔ)能的系統(tǒng)成本,進(jìn)一步縮短投資回報(bào)率,通過(guò)可持續(xù)的政策手段,調(diào)動(dòng)第三方企業(yè)投身市場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的積極性,形成良性的市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。
2) 通訊、傳感、測(cè)控設(shè)備的技術(shù)革新。在推動(dòng)新型電力系統(tǒng)布局中,電力與通信領(lǐng)域愈發(fā)緊密融合。負(fù)荷聚合、虛擬電廠、共享儲(chǔ)能等新業(yè)態(tài)能否迅速步入市場(chǎng)化階段,依賴成熟的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與通訊控制體系,因此必須解決復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的通信時(shí)延與在線辨識(shí)難題。
3) 電力市場(chǎng)交易制度的健全完善。通過(guò)市場(chǎng)盈利是我國(guó)儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的基本方向,以商業(yè)價(jià)值驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商主動(dòng)響應(yīng)需求和參與電網(wǎng)調(diào)控是重要途徑。在國(guó)家層面已明確儲(chǔ)能獨(dú)立主體身份的背景下,各省市縣應(yīng)盡快研究確立電力輔助服務(wù)與需求響應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)價(jià)格,使新型儲(chǔ)能可全面參與電量、容量、輔助服務(wù)等市場(chǎng)交易。