中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能在典型場(chǎng)景下的應(yīng)用價(jià)值評(píng)估
黃碧斌, 胡靜, 蔣莉萍, 李瓊慧, 馮凱輝, 元博
（國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209）
摘要：中國(guó)高度重視儲(chǔ)能發(fā)展，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展的重要途徑。結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性和電力系統(tǒng)需求，提出中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用的幾點(diǎn)總體認(rèn)識(shí)。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)在能源電力規(guī)劃中統(tǒng)籌考慮，綜合衡量安全效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，優(yōu)化總量規(guī)模、分區(qū)布局和技術(shù)類(lèi)型。針對(duì)保障安全、保障輸配電功能、降低網(wǎng)損、提高新能源利用水平等典型場(chǎng)景，開(kāi)展電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能典型案例的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)性研究。研究結(jié)果表明：抽水蓄能作為系統(tǒng)級(jí)的調(diào)節(jié)手段，應(yīng)保持一定規(guī)模；電化學(xué)儲(chǔ)能作為一種電網(wǎng)元件，目前成本仍然比較高，仍須通過(guò)統(tǒng)籌規(guī)劃，提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，未來(lái)規(guī)?；l(fā)展需要依賴市場(chǎng)。
引文信息
黃碧斌, 胡靜, 蔣莉萍, 等. 中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能在典型場(chǎng)景下的應(yīng)用價(jià)值評(píng)估[J]. 中國(guó)電力, 2021, 54(7): 158-165.
HUANG Bibin, HU Jing, JIANG Liping, et al. Application value assessment of grid side energy storage under typical scenarios in china[J]. Electric Power, 2021, 54(7): 158-165.
引言
中國(guó)高度重視儲(chǔ)能發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、能源發(fā)展、可再生能源發(fā)展以及電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中均提出推動(dòng)儲(chǔ)能發(fā)展和應(yīng)用。2017年，國(guó)家發(fā)改委等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，是中國(guó)首份針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)政策文件，明確將儲(chǔ)能定位為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，將儲(chǔ)能技術(shù)列為能源與制造業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)突破對(duì)象。2019年，國(guó)家發(fā)改委等四部委聯(lián)合印發(fā)《貫徹落實(shí)<關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)>2019—2020年行動(dòng)計(jì)劃》，細(xì)化工作任務(wù)?！?020年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》提出加大儲(chǔ)能發(fā)展力度，制定實(shí)施儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。
儲(chǔ)能可以在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)壓、調(diào)峰、調(diào)頻等多種價(jià)值[1-4]，根據(jù)接入位置通常可分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲(chǔ)能[5]。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能是指直接接入公用電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常在已建變電站內(nèi)、廢棄變電站內(nèi)或?qū)Ｓ谜局返鹊貐^(qū)建設(shè)，主要承擔(dān)事故安全響應(yīng)、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、解決電網(wǎng)阻塞、增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力、延緩電網(wǎng)投資、參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、改善電能質(zhì)量等功能。
目前已有諸多學(xué)者開(kāi)展了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃研究[1,3-5]，2018年多個(gè)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行，中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展[6]。但是，2019年第二輪輸配電定價(jià)成本監(jiān)審辦法明確電儲(chǔ)能設(shè)施不得計(jì)入輸配電定價(jià)成本[7-9]，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能面臨應(yīng)用價(jià)值難以評(píng)估、成本無(wú)法收回的問(wèn)題，發(fā)展出現(xiàn)停滯。在這樣的背景下，有必要客觀評(píng)估和盡可能挖掘發(fā)揮電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的應(yīng)用價(jià)值，創(chuàng)新拓展商業(yè)模式，提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，并依此科學(xué)制定政策機(jī)制和技術(shù)措施，從而推動(dòng)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可持續(xù)發(fā)展[10]。
本文首先提出電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用的6點(diǎn)總體認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)保障安全場(chǎng)景、保障輸配電功能場(chǎng)景、降低網(wǎng)損場(chǎng)景、提高新能源利用水平場(chǎng)景，開(kāi)展電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能典型場(chǎng)景下的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)性研究，研究結(jié)論可為近中期電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)用和政策機(jī)制制定提供決策支撐。
1 對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)用的總體認(rèn)識(shí)
（1）從規(guī)劃應(yīng)用思路來(lái)看，儲(chǔ)能可用在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，而且各側(cè)、各主體之間可以進(jìn)行共享支持，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)揮作用，因此，需要將電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能作為一種可選方案，將其納入電力乃至能源規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)籌。
儲(chǔ)能接入電網(wǎng)可以發(fā)揮多種價(jià)值作用，不同類(lèi)型儲(chǔ)能的時(shí)間尺度也不一樣，并且可以與傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)、電源建設(shè)以及新興的源網(wǎng)荷互動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)相機(jī)等電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)手段進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。隨著新能源大規(guī)模發(fā)展、能源轉(zhuǎn)型持續(xù)深化和儲(chǔ)能技術(shù)不斷成熟，未來(lái)儲(chǔ)能將與電力系統(tǒng)深度融合，在規(guī)模和布局上將與系統(tǒng)各類(lèi)電源和電力流呈現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢(shì)，這就要求從能源電力發(fā)展全局出發(fā)，將電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能作為一種可選方案，統(tǒng)籌儲(chǔ)能規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)行，優(yōu)化電力系統(tǒng)整體運(yùn)行效益，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全與供電可靠[10]。
（2）從規(guī)劃應(yīng)用目標(biāo)來(lái)看，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的應(yīng)用應(yīng)從全社會(huì)的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等角度進(jìn)行綜合衡量和科學(xué)全面評(píng)估，提升電力系統(tǒng)發(fā)展的效率效益。
儲(chǔ)能應(yīng)用打破了電力發(fā)輸供用同時(shí)完成的固有屬性，可在電力系統(tǒng)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷側(cè)承擔(dān)不同的角色，能夠應(yīng)用于平抑發(fā)電及負(fù)荷波動(dòng)、提升發(fā)電機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力、為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用及需求響應(yīng)等多種服務(wù)，在增強(qiáng)電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)能力、改善電能質(zhì)量等方面均可發(fā)揮重要作用，具有較好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益[11]。此外，儲(chǔ)能應(yīng)用還將培育壯大電化學(xué)儲(chǔ)能上下游企業(yè)，促進(jìn)可再生能源消納，推進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型，具有較大的社會(huì)效益。
（3）從規(guī)劃方法來(lái)看，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)統(tǒng)籌儲(chǔ)能總量規(guī)模和分區(qū)布局的關(guān)系，在總體規(guī)模上滿足調(diào)峰、調(diào)頻，以及事故與正常備用的需要，同時(shí)在布局上結(jié)合輸配電網(wǎng)安全可靠和電能質(zhì)量需求，進(jìn)行靈活布點(diǎn)，支撐堅(jiān)強(qiáng)局部電網(wǎng)建設(shè)，統(tǒng)一發(fā)揮系統(tǒng)調(diào)節(jié)效益。
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的規(guī)劃應(yīng)用，應(yīng)堅(jiān)持從確定全局需求到滿足局部需求的思路，確定儲(chǔ)能的總?cè)萘考捌浞植?，再根?jù)儲(chǔ)能發(fā)揮的效益進(jìn)行綜合評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效益最大化。
首先是全網(wǎng)整體儲(chǔ)能需求。在全網(wǎng)系統(tǒng)層面，儲(chǔ)能需求實(shí)質(zhì)是保障源荷的實(shí)時(shí)平衡，體現(xiàn)在大規(guī)模新能源接入后電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的調(diào)峰、調(diào)頻以及特高壓直流閉鎖后的瞬時(shí)功率平衡等方面。
然后是局部電網(wǎng)儲(chǔ)能需求。由于網(wǎng)架約束對(duì)源荷實(shí)時(shí)平衡、動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐、潮流優(yōu)化、電壓調(diào)整等方面的作用，如部分?jǐn)嗝孑斔腿萘考s束等，或者部分地區(qū)新能源和分布式電源的快速發(fā)展，將影響不同地區(qū)對(duì)儲(chǔ)能的分布要求。
（4）從電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能自身來(lái)看，不同類(lèi)型儲(chǔ)能自身具有多種應(yīng)用價(jià)值，又具有相互替代作用，應(yīng)綜合考慮不同類(lèi)型儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用特性、不同應(yīng)用場(chǎng)景的時(shí)間尺度特性和需求，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。
目前抽水蓄能已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，近中期具備大規(guī)模應(yīng)用潛力的鋰離子電池、鉛碳電池和液流電池等，是現(xiàn)階段開(kāi)展規(guī)劃應(yīng)用研究重點(diǎn)考慮的儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型，但這些儲(chǔ)能類(lèi)型特性不同，各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求不同[12]。近中期抽水蓄能經(jīng)濟(jì)性更好，規(guī)劃運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，但受限于選址。電化學(xué)儲(chǔ)能可分散布置，接入電壓等級(jí)相對(duì)較低，同容量?jī)?chǔ)能可以發(fā)揮更為有效的作用。
因此，儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)突出抽水蓄能壽命長(zhǎng)、容量大、經(jīng)濟(jì)性好，以及電化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)靈活、可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)快速響應(yīng)等不同類(lèi)型儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分利用不同類(lèi)型儲(chǔ)能的功能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌優(yōu)化[13]。此外，還要考慮不同區(qū)域?qū)?chǔ)能的需求不同，比如風(fēng)光富集區(qū)、東部負(fù)荷中心、南部水電富集區(qū)等區(qū)域的地理位置、負(fù)荷等，要分別按應(yīng)用場(chǎng)景考慮，確定優(yōu)化技術(shù)類(lèi)型和推薦規(guī)模。
（5）大規(guī)模儲(chǔ)能尤其是鉛碳電池在用戶側(cè)的應(yīng)用，占地面積較大，一定程度上將影響配電設(shè)施的布局規(guī)劃，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃需要和變配電設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃布局。
以10 MW/2 h的鋰離子電池儲(chǔ)能為例，安裝于固定廠房?jī)?nèi)，考慮維護(hù)通道和安全隔離墻，以及集中式消防設(shè)施，占地約2000 m2，相當(dāng)于35 kV變電站占地面積。若是鉛碳電池，要達(dá)到同樣儲(chǔ)能效果，需要配置10 MW/4 h，占地面積預(yù)計(jì)達(dá)到8000 m2，超過(guò)110 kV變電站占地面積。若采用集裝箱配置方式，10 MW/2 h鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要10個(gè)45英尺（13.7 m）標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，安全間隔最小為3 m，共計(jì)占地1000 m2左右。若采用鉛碳電池，則須配置40個(gè)45英尺（13.7 m）標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，占地約4000 m2。
（6）電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能大規(guī)模接入會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)挑戰(zhàn)，進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)用時(shí)也需要考慮這一點(diǎn)。
負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能設(shè)施充放電在時(shí)間上有一定的隨機(jī)性，規(guī)模化接入后，將改變傳統(tǒng)負(fù)荷曲線，增加負(fù)荷預(yù)測(cè)難度，給電網(wǎng)規(guī)劃帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能設(shè)施采用電力電子裝置并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)功率的靈活調(diào)節(jié)，大規(guī)模分散接入可能會(huì)產(chǎn)生諧波超標(biāo)等電能質(zhì)量問(wèn)題[14]。
2 典型場(chǎng)景下電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的應(yīng)用價(jià)值
根據(jù)具體應(yīng)用情況和對(duì)電力系統(tǒng)的價(jià)值，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景可細(xì)分為5類(lèi)：（1）保障故障或異常運(yùn)行下的系統(tǒng)安全，（2）保障輸配電功能，（3）提供調(diào)頻等輔助服務(wù)，（4）移峰填谷，（5）提高新能源利用水平，如表1所示。
表1 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場(chǎng)景
Table 1 Typical application scenarios of grid-side energy storage in power system
值得強(qiáng)調(diào)的是，通過(guò)在配電網(wǎng)內(nèi)建設(shè)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能，直接接入公用電網(wǎng)，作為電網(wǎng)改造投資的替代方案，進(jìn)行電壓調(diào)整控制，保障分布式光伏接入后的電壓要求，應(yīng)屬于保障輸配電功能的一種形式。此外，儲(chǔ)能直接接入公用電網(wǎng)，而非新能源場(chǎng)站內(nèi)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)新能源項(xiàng)目利用率的提高發(fā)揮作用，也同樣屬于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目，譬如國(guó)家能源局批復(fù)的甘肅儲(chǔ)能試點(diǎn)項(xiàng)目。
2.1 保障安全場(chǎng)景下的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值
2.1.1 應(yīng)用價(jià)值分析
隨著特高壓電網(wǎng)和新能源的快速發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行特性發(fā)生較大變化，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不斷下降，電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨重大挑戰(zhàn)。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可以有效提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，降低故障發(fā)生后的電網(wǎng)運(yùn)行事故風(fēng)險(xiǎn)。在有功功率調(diào)節(jié)方面，能夠提高直流故障后安全穩(wěn)定水平和直流輸送能力，替代一定規(guī)?？芍袛嘭?fù)荷，參與一次調(diào)頻。在無(wú)功功率支撐方面，可通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)，減少電網(wǎng)無(wú)功設(shè)備投資。
與調(diào)相機(jī)等其他調(diào)節(jié)手段相比，儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)多時(shí)段、多功能復(fù)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的效益最大化。一方面，從設(shè)備本身的技術(shù)特性來(lái)看，儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻與調(diào)峰的功能解耦復(fù)用，調(diào)壓對(duì)儲(chǔ)能的剩余電量（SOC）沒(méi)有要求，僅受限于逆變器的控制響應(yīng)速度，調(diào)頻對(duì)SOC僅要求不能過(guò)低，而調(diào)峰對(duì)SOC的電量要求較高；另一方面，從電力系統(tǒng)需求來(lái)看，系統(tǒng)在調(diào)峰、調(diào)壓和調(diào)頻方面對(duì)儲(chǔ)能的需求時(shí)間段不同，儲(chǔ)能可在不同時(shí)段實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用。
2.1.2 實(shí)際案例分析
近年來(lái)，特高壓直流技術(shù)的快速發(fā)展在提高電網(wǎng)大范圍資源優(yōu)化配置能力的同時(shí)，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。直流閉鎖后造成大容量功率沖擊，易引發(fā)頻率越限甚至穩(wěn)定破壞，同時(shí)，負(fù)荷低谷階段大量常規(guī)機(jī)組關(guān)停，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量水平降低，頻率調(diào)節(jié)能力下降，因此系統(tǒng)頻率安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻[15]。
以錦蘇直流故障對(duì)江蘇電網(wǎng)頻率的影響和天中直流故障對(duì)河南電網(wǎng)頻率的影響作為案例進(jìn)行分析，研究電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能保障電網(wǎng)安全的應(yīng)用價(jià)值。
（1）江蘇電網(wǎng)案例基本情況。
2015年“9·19”錦蘇直流雙極閉鎖，華東電網(wǎng)損失功率490萬(wàn)kW，最低頻率跌至49.56 Hz，特高壓直流受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。以2015年“9·19”事故江蘇電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)錦蘇直流發(fā)生雙極和單極閉鎖情況下儲(chǔ)能裝置改善電網(wǎng)頻率的效果進(jìn)行計(jì)算分析。
將故障后儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率分別設(shè)置為500萬(wàn)、300萬(wàn)、100萬(wàn)kW。儲(chǔ)能采用分布式布置，分散安裝到蘇南地區(qū)的10個(gè)安裝點(diǎn)，各安裝點(diǎn)最大儲(chǔ)能容量均為50萬(wàn)kW。雙極閉鎖后，儲(chǔ)能分別以500萬(wàn)、300萬(wàn)、100萬(wàn)kW投入。
（2）河南電網(wǎng)案例基本情況。
以河南電網(wǎng)實(shí)際算例模擬天中直流發(fā)生雙極或單極閉鎖，觀察儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定過(guò)程中的效果，并對(duì)儲(chǔ)能裝置改善電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算。電網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行方式選擇為2016年冬季特高壓南送方式，河南總負(fù)荷5405萬(wàn)kW，總開(kāi)機(jī)4626萬(wàn)kW。長(zhǎng)南線南送500萬(wàn)kW，鄂豫斷面南送500萬(wàn)kW，天中直流運(yùn)行800萬(wàn)kW。
仿真計(jì)算中對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分布式布置，分布在河南電網(wǎng)500 kV變電站220 kV側(cè)（豫北：洹安、塔鋪、獲嘉、倉(cāng)頡、博愛(ài)；豫中：瀛洲、官渡、鄭州、惠濟(jì)、嵩山、菊城、祥符、莊周；豫南：香山、白河、花都）。各安裝點(diǎn)最大儲(chǔ)能容量均為50萬(wàn)kW。為研究雙極閉鎖條件下系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)儲(chǔ)能裝置總?cè)萘康男枨?，仿真中將故障后分布式?chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率分別設(shè)置為800萬(wàn)、700萬(wàn)、670萬(wàn)、660萬(wàn)、650萬(wàn)kW。
（3）案例仿真結(jié)果分析。
一是已有案例中，為保證特高壓直流閉鎖后頻率仍在安全要求范圍內(nèi)，僅靠配置儲(chǔ)能，容量需求較大。江蘇電網(wǎng)案例結(jié)果顯示，在不采用調(diào)相機(jī)、江蘇電網(wǎng)源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)的情況下，需要投入儲(chǔ)能110萬(wàn)kW，才能確保頻率在49.8 Hz以上。直流滿發(fā)情況下，若不配置儲(chǔ)能或采取其他控制措施，江蘇電網(wǎng)將頻率失穩(wěn)。為確保電網(wǎng)頻率在49.8 Hz以上，須安裝儲(chǔ)能總?cè)萘繛?40萬(wàn)kW。河南電網(wǎng)案例結(jié)果顯示，將長(zhǎng)南線與天中直流的輸送極限由530萬(wàn)kW提升至1300萬(wàn)kW時(shí)，當(dāng)發(fā)生天中直流單極閉鎖，為維持系統(tǒng)頻率與電壓穩(wěn)定，在不采用調(diào)相機(jī)的情況下，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的功率支撐為260萬(wàn)kW；當(dāng)發(fā)生天中直流雙極閉鎖，則需要儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的功率支撐為670萬(wàn)kW。
二是保障電網(wǎng)安全場(chǎng)景下對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間要求較高，在秒級(jí)左右，響應(yīng)時(shí)間越慢，對(duì)儲(chǔ)能容量要求越高。儲(chǔ)能在2 s范圍內(nèi)頻率支撐效果較好，隨著響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，儲(chǔ)能的支撐效果逐漸變?nèi)?，所需?chǔ)能投入容量顯著增長(zhǎng)。若儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間超過(guò)5 s，則不能保障雙極閉鎖故障時(shí)頻率在49.8 Hz以上。
三是保障電網(wǎng)安全場(chǎng)景下電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能選址定容情況對(duì)作用發(fā)揮程度與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要取決于電網(wǎng)內(nèi)部相關(guān)斷面的約束。江蘇電網(wǎng)案例顯示，由于江蘇電網(wǎng)網(wǎng)架較強(qiáng)，儲(chǔ)能安裝地點(diǎn)和配置比例對(duì)電網(wǎng)頻率控制效果影響不大。河南電網(wǎng)案例顯示，在天中直流受電800萬(wàn)kW情況下，河南電網(wǎng)各斷面潮流基本以鄭州為中心，向電力缺額較大的豫南、豫東電網(wǎng)輸送；天中直流閉鎖后，省網(wǎng)電力缺額主要通過(guò)南陽(yáng)特高壓及鄂豫四回補(bǔ)充，省網(wǎng)潮流發(fā)生逆轉(zhuǎn)。河南電網(wǎng)儲(chǔ)能作為天中直流閉鎖事故備用，應(yīng)考慮故障后相關(guān)斷面（豫中—豫南斷面、豫北—豫中斷面、豫西送出斷面）輸電能力。因此，河南電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能宜配置于電力缺額較大的豫南、豫東電網(wǎng)，以及中州換流站所在的鄭州電網(wǎng)，對(duì)于電源相對(duì)充足的豫西、豫北電網(wǎng)則減小配置容量，從而使故障后潮流避開(kāi)相關(guān)斷面輸電瓶頸限制。
四是電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)于保障故障后電網(wǎng)安全的作用明顯，典型方式下增加直流輸電能力的價(jià)值可以量化，但安全價(jià)值難以量化，儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)以備用為主，充放電小時(shí)數(shù)低，為保證支持能力，難以從其他盈利模式獲益保證經(jīng)濟(jì)性。
2.2 保障輸配電功能場(chǎng)景的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能作為電網(wǎng)的一種元件，和線路、變壓器等常規(guī)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)保障供電可靠性、保障電能質(zhì)量等作用。本文以保障分布式光伏接入后的供電可靠性和質(zhì)量作為典型案例開(kāi)展研究，屬于保障輸配電功能場(chǎng)景。
2.2.1 應(yīng)用價(jià)值分析
分布式光伏接入引起電流過(guò)載和電壓越限問(wèn)題，降低供電可靠性和供電質(zhì)量。支撐大規(guī)模分布式光伏接入的技術(shù)措施可分為電網(wǎng)側(cè)、電源用戶側(cè)、源網(wǎng)荷互動(dòng)等三類(lèi)，其中，電網(wǎng)側(cè)措施包括電網(wǎng)改造、有載調(diào)壓、高級(jí)電壓控制、靜態(tài)無(wú)功控制、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能等[16-18]。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能在分布式電源大量接入引起配電網(wǎng)短時(shí)局部電壓過(guò)高時(shí)進(jìn)行充電，等效增加電網(wǎng)負(fù)荷，降低電壓，從而可以避免出現(xiàn)電壓越限情況。
各種技術(shù)措施的成本不同，不同情景下的最優(yōu)技術(shù)措施組合不完全相同，因此需要對(duì)電網(wǎng)改造、限電和儲(chǔ)能等措施進(jìn)行優(yōu)化。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備有功功率的雙向調(diào)節(jié)和無(wú)功功率的四象限調(diào)節(jié)能力，可以作為電網(wǎng)改造的替代技術(shù)措施，有效緩解分布式光伏接入后的節(jié)點(diǎn)電壓升高和設(shè)備過(guò)載問(wèn)題。
2.2.2 實(shí)際案例分析
（1）案例基本情況。
選擇河北某村低壓配電網(wǎng)為案例，該村共有4臺(tái)公用配變，主變?nèi)萘繛椋?×100+200）kV·A；共有160余戶居民和217個(gè)戶表，其中單相居民用戶180個(gè)，三相動(dòng)力用戶37個(gè)；分布式光伏接入滲透率比較高，已超過(guò)100%。
本文采用配電系統(tǒng)分析和優(yōu)化軟件（簡(jiǎn)稱DSAP）進(jìn)行計(jì)算，該軟件支持分布式電源、儲(chǔ)能等多種模型，可對(duì)分布式電源和配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，得到適應(yīng)大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)的最優(yōu)技術(shù)措施組合[4]。
根據(jù)計(jì)算，如果不進(jìn)行電網(wǎng)改造但允許限電，全年8760 h中有764 h存在限電，時(shí)段占比為8.7%；限電量占比為10.04%。不同限電比例的概率如圖1所示。
圖1 不同限電比例的概率
Fig.1 Probability of different electricity curtailment proportions
（2）案例分析結(jié)果。
電網(wǎng)改造和安裝儲(chǔ)能都是電網(wǎng)提高分布式光伏接納能力的備選技術(shù)措施，具體方案需要以總成本最小為目標(biāo)優(yōu)化確定。本文利用DSAP軟件，考慮電網(wǎng)改造和安裝儲(chǔ)能兩種設(shè)施，不允許限電，開(kāi)展案例研究。
案例結(jié)果如表2所示，可得到如下結(jié)論。
表2 提升分布式電源接納能力的技術(shù)措施案例分析
Table 2 Case analysis of technical measures to improve the allowable capacity of distributed generation
（1）儲(chǔ)能可以有效減少電網(wǎng)改造成本，但在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)儲(chǔ)能位置、容量以及電網(wǎng)改造策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。
（2）從經(jīng)濟(jì)性上考慮，在儲(chǔ)能選擇時(shí)應(yīng)偏向小容量、短時(shí)間。儲(chǔ)能如果要具有經(jīng)濟(jì)性，則單位千瓦時(shí)的儲(chǔ)能每年吸收限電電量不少于410 kW·h，折合每天至少吸收限電電量1 kW·h。這就要求儲(chǔ)能容量選擇應(yīng)偏小，提高儲(chǔ)能利用次數(shù)。
（3）保障輸配電功能場(chǎng)景的儲(chǔ)能若僅靠充放電價(jià)差，無(wú)法收回成本，因此，作為減少電網(wǎng)總體投資、提高電網(wǎng)供電能力、保障電網(wǎng)運(yùn)行安全的有效手段，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)與其他電網(wǎng)元件一同納入電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行考慮，確保成本能夠回收[19-23]。
2.3 降低網(wǎng)損場(chǎng)景的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值
儲(chǔ)能容量在合理范圍內(nèi)時(shí)，網(wǎng)損減少量大于其導(dǎo)致的網(wǎng)損增加量。由于峰負(fù)荷時(shí)的電價(jià)高，相應(yīng)時(shí)段的網(wǎng)損成本更高，儲(chǔ)能系統(tǒng)在降低網(wǎng)損成本方面可以發(fā)揮重要作用。選擇單回10 kV輸電線路、末端負(fù)荷供電（最大負(fù)荷為8 MW，最小負(fù)荷為2 MW）作為案例，選擇典型日進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)對(duì)配電線路輸電損耗的影響。案例結(jié)果如表3所示，安裝1 MW·h儲(chǔ)能后，降低網(wǎng)損率約1%。儲(chǔ)能降低網(wǎng)損作用的發(fā)揮程度有賴于接入位置和容量的優(yōu)化，當(dāng)儲(chǔ)能容量較小時(shí)，接入位置相對(duì)比較隨意，均能夠降低配電網(wǎng)網(wǎng)損；當(dāng)儲(chǔ)能容量較大時(shí)，應(yīng)盡量將其接在母線附近，有利于最大限度發(fā)揮降低網(wǎng)損作用，而且隨著容量的進(jìn)一步增大，網(wǎng)損減少的程度趨于飽和，并可能增大網(wǎng)損，網(wǎng)損和儲(chǔ)能容量的關(guān)系呈現(xiàn)倒U形關(guān)系。
表3 線路損耗仿真計(jì)算結(jié)果
Table 3 Simulation results of line loss
根據(jù)線路損耗計(jì)算結(jié)果，按照當(dāng)前儲(chǔ)能的投資成本進(jìn)行計(jì)算，全壽命周期內(nèi)所產(chǎn)生的降損效益約為投資成本的28%，這難以支撐儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)盈利。從未來(lái)趨勢(shì)來(lái)看，儲(chǔ)能可以在不同時(shí)段提供不同服務(wù)，通過(guò)多種價(jià)值回收成本，降低網(wǎng)損可以作為其中一種。
2.4 提高新能源利用水平場(chǎng)景的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用價(jià)值
（1）受容量配置規(guī)模限制，連續(xù)無(wú)風(fēng)天氣可能限制儲(chǔ)能發(fā)揮作用。
一般儲(chǔ)能滿功率連續(xù)充放電時(shí)間為1~8 h，可有效應(yīng)對(duì)新能源日內(nèi)波動(dòng)，但若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)風(fēng)/大風(fēng)等極端天氣，儲(chǔ)能發(fā)揮作用可能受到較大限制。
單一省份看，極端無(wú)風(fēng)天氣最大持續(xù)時(shí)間達(dá)6天，頻次最高達(dá)3次/年，影響儲(chǔ)能發(fā)揮容量效應(yīng)，若無(wú)其他備用電源可能致系統(tǒng)缺電；若聯(lián)網(wǎng)平衡規(guī)模擴(kuò)大，空間互補(bǔ)效應(yīng)將減輕極端天氣影響，統(tǒng)計(jì)范圍擴(kuò)大至整個(gè)西北電網(wǎng)時(shí)，極端無(wú)風(fēng)天氣最大持續(xù)時(shí)間和頻次下降至3天和1次/年。
（2）從經(jīng)濟(jì)性和新能源消納作用看，儲(chǔ)能與新能源規(guī)模上存在合理配比。
為確保《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》提出的2030年和2050年非化石能源消費(fèi)占比目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，以國(guó)家規(guī)劃的水電、核電和生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模為邊界條件測(cè)算，2035年新能源發(fā)電量要達(dá)到1.5萬(wàn)億kW·h以上，相應(yīng)風(fēng)電和太陽(yáng)能裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到7億kW和6.7億kW。在將儲(chǔ)能作為主要調(diào)峰手段下，2035年儲(chǔ)能與新能源裝機(jī)規(guī)模比例約15%，其中非抽蓄儲(chǔ)能規(guī)模超過(guò)1億kW，抽蓄儲(chǔ)能規(guī)模為9 000萬(wàn)~14 000萬(wàn)kW。若要維持系統(tǒng)棄能率為基準(zhǔn)情景的7.9%不變，增加新能源裝機(jī)規(guī)模同時(shí)，則儲(chǔ)能規(guī)模應(yīng)同步增長(zhǎng)，比例逐步提高，最終趨近于20%。在不同區(qū)域這一比例會(huì)有一定差異。
（3）優(yōu)先采用推進(jìn)火電靈活性改造和抽水蓄能方式提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，適當(dāng)有序發(fā)展非抽水蓄能作為補(bǔ)充。
傳統(tǒng)電力規(guī)劃主要重視電力電量平衡，對(duì)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力關(guān)注較少。隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，靈活調(diào)節(jié)能力提升將成為電力規(guī)劃和運(yùn)行的重要內(nèi)容。中國(guó)煤電基數(shù)大，改造成本低，可釋放靈活調(diào)節(jié)潛力巨大，應(yīng)優(yōu)先推動(dòng)火電靈活性改造；其次要加快發(fā)展抽水蓄能，預(yù)計(jì)2035年前抽水蓄能的競(jìng)爭(zhēng)力仍強(qiáng)于其他儲(chǔ)能方式，系統(tǒng)級(jí)儲(chǔ)能應(yīng)優(yōu)先發(fā)展抽水蓄能；最后應(yīng)考慮市場(chǎng)因素適當(dāng)并有序發(fā)展非抽蓄儲(chǔ)能，滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景需求[24-25]。
3 結(jié)論
儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、綠色、高效運(yùn)行可發(fā)揮重要作用，隨著儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步和成本下降，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能受到廣泛關(guān)注，成為“十四五”能源電力規(guī)劃需要考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。
本文分析了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃應(yīng)用的總體認(rèn)識(shí)以及典型場(chǎng)景案例，得出結(jié)論如下。
（1）作為系統(tǒng)級(jí)的調(diào)節(jié)手段，抽水蓄能應(yīng)保持一定規(guī)模，國(guó)家應(yīng)給予支持。
（2）電網(wǎng)需要電化學(xué)儲(chǔ)能，但并不是“剛需”，有多種備選措施。電化學(xué)儲(chǔ)能目前成本仍然比較高，應(yīng)作為“特種部隊(duì)”，而非“常規(guī)部隊(duì)”。
（3）儲(chǔ)能規(guī)劃需要統(tǒng)籌，仍須深化研究和應(yīng)用實(shí)踐。
（4）電化學(xué)儲(chǔ)能具備分布式和快速響應(yīng)等特性，科學(xué)的支持政策或市場(chǎng)機(jī)制應(yīng)能充分激發(fā)這些特性。
（5）電化學(xué)儲(chǔ)能有較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和應(yīng)用前景，初期有必要示范試點(diǎn)支持，規(guī)?；l(fā)展階段重點(diǎn)要依靠市場(chǎng)。
