電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算方法
董昱1, 范高鋒1, 董存1, 于若英2, 趙俊屹3
（1. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司, 北京 100031; 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司, 江蘇 南京 210003; 3. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司, 山西 太原 030021）
摘要：現(xiàn)階段，儲(chǔ)能的配置分析計(jì)算大多是圍繞單一場(chǎng)景開展的，無法充分發(fā)揮儲(chǔ)能的多重作用。為合理配置儲(chǔ)能，提高電力系統(tǒng)綜合效益，從系統(tǒng)整體運(yùn)行需求角度入手，歸納總結(jié)電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能應(yīng)統(tǒng)籌考慮源網(wǎng)荷發(fā)展情況、細(xì)致分析儲(chǔ)能對(duì)常規(guī)機(jī)組的替代作用、綜合優(yōu)化儲(chǔ)能充放電策略3方面關(guān)鍵因素；提出在功率、能量和充放電時(shí)長(zhǎng)3個(gè)維度均不確定的情況下，電力系統(tǒng)統(tǒng)籌配置儲(chǔ)能的分析計(jì)算方法，包括儲(chǔ)能的功率初值計(jì)算、確定功率下的能量分析計(jì)算和不同功率下的能量滾動(dòng)計(jì)算3個(gè)主要環(huán)節(jié)。最后，以某省級(jí)電力系統(tǒng)為案例，開展2021—2025年儲(chǔ)能配置分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：在滿足同一運(yùn)行要求下，配置有多組可行解，且儲(chǔ)能功率在一定范圍內(nèi)增大，可一定程度降低系統(tǒng)對(duì)能量的需求。算例從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，對(duì)比并選擇可行解中投資成本最小的方案作為最終配置方案。
引文信息
董昱, 范高鋒, 董存, 等. 電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算方法[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(1): 26-36.
DONG Yu, FAN Gaofeng, DONG Cun, et al. Analysis and calculation of energy storage configuration in power system[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 26-36.
引言
隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和電力系統(tǒng)的發(fā)展，儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的配置問題逐步引起關(guān)注。目前針對(duì)電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能配置問題的研究主要可歸納為如下幾類。（1）儲(chǔ)能與電源聯(lián)合規(guī)劃配置研究。對(duì)于火電配置儲(chǔ)能，主要是用于輔助深度調(diào)峰和自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC），通過輔助服務(wù)獲取收益，以儲(chǔ)能壽命周期內(nèi)的效益最大為目標(biāo)建立成本效益模型，求解得到儲(chǔ)能配置容量[1-3]；對(duì)于新能源電站配置儲(chǔ)能，通常以平抑新能源波動(dòng)和減少新能源棄電為目標(biāo)，前者多采用一階濾波方法求解，后者多以含棄電電量損失懲罰項(xiàng)的運(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立儲(chǔ)能配置模型，并進(jìn)行求解[4-6]。若考慮新能源不確定性影響，則多采用隨機(jī)規(guī)劃[7-9]和魯棒優(yōu)化方法建立儲(chǔ)能容量配置模型，近年來較為熱門的分布魯棒方法也被應(yīng)用于解決新能源配置儲(chǔ)能的問題[10]。（2）儲(chǔ)能與電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃配置研究。針對(duì)儲(chǔ)能可替代輸電線路擴(kuò)建，緩解線路阻塞，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，從而建立“儲(chǔ)-輸”優(yōu)化配置模型，并采用啟發(fā)式方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相結(jié)合的算法求解[11-13]；針對(duì)參與電網(wǎng)調(diào)峰需求，建立考慮靈活性供需平衡的儲(chǔ)能配置模型，并進(jìn)行求解[14-15]。（3）面向用戶的儲(chǔ)能配置方法研究，針對(duì)用戶加裝儲(chǔ)能后可利用峰谷電價(jià)差套利，以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的配置[16]。此外，針對(duì)近年來“共享儲(chǔ)能”[17]商業(yè)模式的興起，也有學(xué)者研究從售電公司配置儲(chǔ)能的角度，分析儲(chǔ)能全壽命周期內(nèi)的投資收益情況，研究?jī)?chǔ)能的配置規(guī)模[18-19]?？傮w上說，相關(guān)研究較為深入，但是這些方法大多是針對(duì)特定場(chǎng)景下儲(chǔ)能發(fā)揮單一作用的分析計(jì)算，而從儲(chǔ)能的功能定位和發(fā)揮的作用來看，不同場(chǎng)景下的功能有重合，單個(gè)場(chǎng)景下的儲(chǔ)能又能發(fā)揮多重作用。同時(shí)，配置面向的區(qū)域越大，儲(chǔ)能越能發(fā)揮多重功能，利用率越高，整體上對(duì)儲(chǔ)能配置的需求會(huì)顯著降低。因此，若按照不同場(chǎng)景進(jìn)行分別配置，會(huì)造成配置規(guī)模冗余，利用率低，經(jīng)濟(jì)性差。從全系統(tǒng)運(yùn)行需求角度研究配置需求，由于功率和能量互相耦合，且存在功率、能量和充放電時(shí)長(zhǎng)3個(gè)維度均不確定的困難，計(jì)算難度大，文獻(xiàn)[20]將充放電時(shí)長(zhǎng)確定為6 h和720 h，則只需計(jì)算系統(tǒng)的功率需求，大幅降低了計(jì)算難度，但結(jié)果具有局限性。針對(duì)一般情況下儲(chǔ)能的功率、能量和時(shí)長(zhǎng)都未知的情況，求解系統(tǒng)所需配置的儲(chǔ)能規(guī)模，目前尚未形成完整成熟的方法體系，導(dǎo)致儲(chǔ)能的配置規(guī)模難以評(píng)估，難以給出系統(tǒng)性結(jié)論。
基于此，本文以滿足電力系統(tǒng)整體運(yùn)行需求為目標(biāo)，結(jié)合電力系統(tǒng)發(fā)展需要，探索研究?jī)?chǔ)能的統(tǒng)籌配置計(jì)算方法，引導(dǎo)儲(chǔ)能合理布局，以運(yùn)行指導(dǎo)規(guī)劃，提升電力系統(tǒng)綜合效益。首先，分析電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的3方面關(guān)鍵因素；然后，提出電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的總體思路，建立電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算方法，確立儲(chǔ)能功率和能量分析方法和計(jì)算流程；最后，以某省級(jí)電網(wǎng)為案例開展分析計(jì)算，以期為相關(guān)研究工作提供參考和依據(jù)。本文中所指的儲(chǔ)能是指納入統(tǒng)一調(diào)度控制的公共儲(chǔ)能系統(tǒng)。
1 電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能考慮的關(guān)鍵因素
1.1 統(tǒng)籌考慮源-網(wǎng)-荷發(fā)展情況
電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源構(gòu)成及負(fù)荷特性，充分考慮系統(tǒng)中新能源規(guī)模占比及資源特性，計(jì)算案例應(yīng)能覆蓋典型場(chǎng)景。對(duì)于新能源和負(fù)荷等不確定性較強(qiáng)的因素，其時(shí)序序列應(yīng)由近3~5年的歷史數(shù)據(jù)分析得到。計(jì)算水平年的新能源可用發(fā)電功率數(shù)據(jù)應(yīng)由非限電情況下歷史可用發(fā)電功率數(shù)據(jù)或限電記錄還原的數(shù)據(jù)分析得到，能夠反映當(dāng)?shù)匦履茉闯隽ψ兓匦?。水電功率?yīng)結(jié)合中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)結(jié)果，計(jì)算在不同來水條件下的水電發(fā)電量。計(jì)算水平年的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋典型負(fù)荷預(yù)測(cè)水平，典型負(fù)荷預(yù)測(cè)水平應(yīng)根據(jù)歷史年負(fù)荷變化情況及經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)確定。聯(lián)絡(luò)線交換功率數(shù)據(jù)應(yīng)考慮聯(lián)絡(luò)線投運(yùn)計(jì)劃及運(yùn)行模式。根據(jù)計(jì)算分析的目的和要求、電網(wǎng)斷面輸電受限情況，可對(duì)目標(biāo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)簡(jiǎn)化和處理。儲(chǔ)能性能衰減情況采用儲(chǔ)能健康狀態(tài)表征，應(yīng)考慮儲(chǔ)能的類型和使用年限綜合。
1.2 考慮儲(chǔ)能對(duì)常規(guī)機(jī)組的替代作用
應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)能類型及特性，將儲(chǔ)能的充放電功率納入全網(wǎng)電力電量平衡。在確保安全[21-22]、供熱等條件下，計(jì)及儲(chǔ)能對(duì)常規(guī)調(diào)峰電源的替代作用，將穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能功率納入機(jī)組組合，優(yōu)化系統(tǒng)的開機(jī)方式。
考慮儲(chǔ)能納入機(jī)組組合后，常規(guī)電源的調(diào)節(jié)范圍上下限為
式中：Pue(t) 為儲(chǔ)能納入機(jī)組組合后時(shí)刻t常規(guī)電源調(diào)節(jié)上限；Pu(t) 為時(shí)刻t常規(guī)電源調(diào)節(jié)范圍上限；Pde(t) 為儲(chǔ)能納入機(jī)組組合后時(shí)刻t常規(guī)電源調(diào)節(jié)范圍下限；Pd(t) 為時(shí)刻t常規(guī)電源調(diào)節(jié)范圍下限；PES(t) 為時(shí)刻t儲(chǔ)能放電功率；λ(t) 為儲(chǔ)能等效置換常規(guī)機(jī)組的容量與儲(chǔ)能放電功率的比值；α 為常規(guī)機(jī)組最小技術(shù)出力與額定容量的比值。
式中：Palter(t) 為儲(chǔ)能等效置換常規(guī)機(jī)組的容量；Ssys(t) 為時(shí)刻t系統(tǒng)常規(guī)電源的開機(jī)容量；Ssys,min(t) 為時(shí)刻t下，為保障安全穩(wěn)定和供熱需求，系統(tǒng)需要的最小開機(jī)容量；PES 為儲(chǔ)能的額定功率。
式中：Pi_alter,min 為儲(chǔ)能所替代的常規(guī)機(jī)組i的最小技術(shù)出力；Si_alter 為儲(chǔ)能所替代的常規(guī)機(jī)組i的額定容量；Nalter 為儲(chǔ)能替代的常規(guī)機(jī)組數(shù)量。
1.3 優(yōu)化儲(chǔ)能的充放電策略
儲(chǔ)能的充放電功率首先應(yīng)滿足儲(chǔ)能電池自身的運(yùn)行約束，主要包括荷電狀態(tài)（SOC）約束、儲(chǔ)能額定功率約束，并考慮儲(chǔ)能的充放電效率影響，即
式中：SOC(t) 為時(shí)刻t的儲(chǔ)能荷電狀態(tài)；PE_c(t) 為時(shí)刻t儲(chǔ)能的充電功率；PE_d(t) 為時(shí)刻t儲(chǔ)能的放電功率；η 為儲(chǔ)能充放電效率；Δt 為計(jì)算時(shí)間間隔；SOC_ max 為儲(chǔ)能最大荷電狀態(tài)；SOC _ min 為儲(chǔ)能最小荷電狀態(tài)；sc(t) 為儲(chǔ)能充電狀態(tài)，為0-1變量，0表示不充電，1表示充電；sd(t) 為儲(chǔ)能放電狀態(tài)，為0-1變量，0表示不放電，1表示放電；PEmax 為儲(chǔ)能額定功率。
在此基礎(chǔ)上，為充分發(fā)揮儲(chǔ)能在系統(tǒng)中的削峰填谷的作用，緩解負(fù)荷限電和新能源受阻情況，其充放電功率應(yīng)結(jié)合負(fù)荷限電功率和新能源受阻功率計(jì)算得到，負(fù)荷限電功率和新能源受阻功率為
式中：Prc(t) 為時(shí)刻t的新能源受阻功率；Plc(t) 為時(shí)刻t的負(fù)荷限電功率；Pl(t) 為時(shí)刻t的用電負(fù)荷；Pre(t) 為時(shí)刻t的新能源可用發(fā)電功率；Pi(t) 為時(shí)刻t的聯(lián)絡(luò)線交換功率，送出為正，受入為負(fù)。
在未發(fā)生負(fù)荷限電和新能源受阻時(shí)段，依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行充放電，系統(tǒng)允許的充放電空間為
式中：Psd(t) 為時(shí)刻t系統(tǒng)允許儲(chǔ)能放電的最大功率；Psc(t) 為時(shí)刻t系統(tǒng)允許儲(chǔ)能充電的最大功率。
在此過程中，還應(yīng)考慮火電機(jī)組深度調(diào)峰能力、需求側(cè)響應(yīng)及系統(tǒng)中已建儲(chǔ)能（如抽蓄電站）與儲(chǔ)能充放電的協(xié)調(diào)配合，依據(jù)不同的電源、負(fù)荷類型和響應(yīng)機(jī)制[23-24]，建立多類型資源的互動(dòng)調(diào)節(jié)模式進(jìn)行具體分析。
2 電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算方法
2.1 總體思路
根據(jù)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，以滿足新能源利用率要求，負(fù)荷平衡要求和支撐系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)，開展儲(chǔ)能的配置分析計(jì)算。采用基于時(shí)序仿真的電力電量平衡分析，得到多組儲(chǔ)能的功率和能量配置結(jié)果，整體計(jì)算流程如圖1所示。
圖1 電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算方法體系架構(gòu)
Fig.1 Framework of analysis and calculation method of energy storage configuration in the power system
2.2 分析計(jì)算方法
電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算圍繞儲(chǔ)能的功率和能量展開。由于功率和能量相互耦合，在功率、能量及充放電時(shí)長(zhǎng)都不確定的情況下，無法進(jìn)行解耦計(jì)算。需首先確定功率初值，方能計(jì)入機(jī)組組合優(yōu)化開機(jī)方式，進(jìn)而迭代計(jì)算得到能量需求。在此基礎(chǔ)上，按一定步長(zhǎng)調(diào)整功率，滾動(dòng)計(jì)算不同功率對(duì)開機(jī)方式的影響，最終得到滿足要求的一系列功率和能量的配置組合。因此，計(jì)算包括儲(chǔ)能功率初值計(jì)算、確定功率下的能量計(jì)算和不同功率下的能量滾動(dòng)計(jì)算3個(gè)環(huán)節(jié)。
（1）儲(chǔ)能功率初值Pes0計(jì)算。儲(chǔ)能的功率初值應(yīng)同時(shí)滿足負(fù)荷功率需求和新能源利用率的要求。計(jì)及需求響應(yīng)的作用，在負(fù)荷限電情況下，配置儲(chǔ)能的功率應(yīng)大于等于負(fù)荷限電功率最大值，以滿足負(fù)荷可靠供電，即
式中：Plc(t) 為負(fù)荷限電功率。
在新能源受阻情況下，配置的儲(chǔ)能功率初值應(yīng)能滿足新能源利用率要求。由于新能源利用率是對(duì)電量的要求，儲(chǔ)能功率初值須通過建立全周期內(nèi)新能源受阻功率、受阻電量與儲(chǔ)能功率的匹配關(guān)系分析得到。如圖2所示，配置功率為Pes0的儲(chǔ)能后，若儲(chǔ)能能量不受限，則小于Pes0的受阻電量都能夠被儲(chǔ)能消納（圖2中受阻功率曲線在紅線以下的部分與紅線圍成的面積），此時(shí)，新能源受阻電量為大于Pes0的功率累積的電量（受阻功率曲線在紅線以上的部分與紅線圍成的面積）。
圖2 儲(chǔ)能功率初值計(jì)算示意
Fig.2 Initial value calculation of energy storage power
根據(jù)新能源利用率要求計(jì)算儲(chǔ)能的功率初值的計(jì)算步驟為：
①篩選新能源受阻時(shí)段和受阻功率；
同時(shí)存在新能源受阻和負(fù)荷限電時(shí)，應(yīng)比較新能源受阻功率和負(fù)荷限電功率，選擇同時(shí)滿足二者要求的功率作為儲(chǔ)能功率初值。
（2）確定功率下的能量計(jì)算，主要包括開機(jī)方式優(yōu)化、儲(chǔ)能充放電策略確定和儲(chǔ)能能量計(jì)算。
結(jié)合儲(chǔ)能類型及特性，按式（1）將儲(chǔ)能的充放電功率納入全網(wǎng)電力電量平衡。在確保安全、供熱等條件下，將穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能功率納入開機(jī)方式，具體納入比例應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況確定?？紤]源網(wǎng)荷儲(chǔ)的互動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，并根據(jù)儲(chǔ)能納入電力電量平衡后的常規(guī)電源調(diào)節(jié)范圍，計(jì)算新能源受阻功率和負(fù)荷限電功率，和未發(fā)生新能源受阻和負(fù)荷受限時(shí)段的常規(guī)電源調(diào)節(jié)范圍計(jì)算系統(tǒng)允許儲(chǔ)能充放電功率（式（4）~（6）），以此確定儲(chǔ)能充放電策略。
根據(jù)新能源利用率和負(fù)荷限電電量要求，結(jié)合儲(chǔ)能充放電策略，計(jì)算功率初值對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能能量。計(jì)算步驟為：①選擇儲(chǔ)能能量初值，可為單次新能源受阻電量和單次負(fù)荷限電電量中的最大值；②逐時(shí)段計(jì)算儲(chǔ)能的充、放電功率。儲(chǔ)能的充放電功率應(yīng)由儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)、儲(chǔ)能功率、新能源受阻功率、負(fù)荷受限功率及系統(tǒng)允許儲(chǔ)能充放電功率綜合確定；③計(jì)算配置儲(chǔ)能后的新能源受阻電量和新能源利用率；④判斷新能源利用率是否滿足要求。新能源利用率小于目標(biāo)時(shí)，增加儲(chǔ)能能量；新能源利用率大于目標(biāo)時(shí)，減少儲(chǔ)能能量，直至滿足新能源利用率目標(biāo)；判斷平抑的負(fù)荷限電電量是否滿足平衡要求，不滿足時(shí)，增加儲(chǔ)能能量，直至滿足平衡要求。
（3）不同功率下的能量滾動(dòng)計(jì)算。根據(jù)系統(tǒng)安全約束、新能源利用率和負(fù)荷限電要求，按一定步長(zhǎng)，調(diào)整儲(chǔ)能功率。按照步驟（2）中的計(jì)算流程滾動(dòng)計(jì)算不同儲(chǔ)能功率對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能能量，得到儲(chǔ)能功率和能量的配置組合。
3 案例分析
根據(jù)上述方法，開展某省級(jí)電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算。根據(jù)2021—2025年的邊界條件，考慮該系統(tǒng)中需求響應(yīng)占比小于1%，以負(fù)荷100%滿足和新能源利用率達(dá)到95%為目標(biāo)，開展“十四五”期間逐年配置儲(chǔ)能的分析計(jì)算。
3.1 計(jì)算條件
表1為該省級(jí)電網(wǎng)2021—2025年的計(jì)算邊界條件，主要包括電源分類裝機(jī)、負(fù)荷預(yù)測(cè)和省間聯(lián)絡(luò)線交換功率情況。
表1 “十四五”期間計(jì)算邊界條件
Table 1 Boundary conditions during the 14th Five-year Plan
3.2 儲(chǔ)能功率和能量計(jì)算
（1）儲(chǔ)能功率初值計(jì)算結(jié)果。根據(jù)常規(guī)機(jī)組開機(jī)時(shí)序和新能源出力預(yù)測(cè)，以步長(zhǎng)1 h，周期8 760 h計(jì)算得到不配置儲(chǔ)能時(shí)該省級(jí)電力系統(tǒng)2021年共預(yù)計(jì)發(fā)生206次棄電，如圖3中藍(lán)色曲線所示，棄電電量83.7億kW·h，棄電率10.7%。
圖3 儲(chǔ)能功率初值與棄電曲線
Fig.3 Initial value of energy storage power and power abandonment curve
按照2.2中儲(chǔ)能功率初值計(jì)算方法，不斷調(diào)整Pes0，當(dāng)新能源受阻電量占比為5%時(shí)，新能源利用率達(dá)到95%的目標(biāo)，此時(shí)，Pes0為290萬kW，即為配置儲(chǔ)能的功率初值。迭代計(jì)算過程如表2所示。
表2 儲(chǔ)能功率初值與新能源利用率的關(guān)系
Table 2 Relationship between the initial value of energy storage power and the utilization rate of renewable energy
（2）儲(chǔ)能功率初值下的能量計(jì)算。在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和供熱要求的前提下，設(shè)置儲(chǔ)能功率初值290萬kW，按40%納入機(jī)組組合，能量初值為2900萬kW·h，時(shí)序仿真計(jì)算得到新能源利用率為94.15%，不滿足利用率要求，進(jìn)一步增加儲(chǔ)能能量，得到功率初值下，滿足負(fù)荷和新能源利用率要求的儲(chǔ)能配置方案為290萬kW、7 250萬kW·h，如表3所示。
表3 儲(chǔ)能功率初值下不同能量對(duì)應(yīng)的新能源利用率和負(fù)荷滿足比例
Table 3 Utilization rate of renewable energy and load satisfaction rate corresponding to different energy under the initial value of energy storage power
（3）不同儲(chǔ)能功率和能量的滾動(dòng)計(jì)算。以10萬kW為步長(zhǎng)增加儲(chǔ)能功率，滾動(dòng)計(jì)算不同儲(chǔ)能功率下滿足新能源利用率和負(fù)荷限電要求的儲(chǔ)能能量，當(dāng)功率超過780萬kW·h，開機(jī)容量小于系統(tǒng)要求的最小值，不再繼續(xù)計(jì)算。計(jì)算得到的部分結(jié)果如表4所示。
表4 不同功率下滿足新能源利用率和負(fù)荷平衡要求的儲(chǔ)能能量計(jì)算結(jié)果
Table 4 Calculation results of the energy capacity of energy storage satisfying the requirements of the utilization rate of renewable energy and load balance under different power
以儲(chǔ)能600萬kW/2 400萬kW·h的配置方案為例，選取典型日繪制系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行曲線和儲(chǔ)能SOC曲線，如圖4、5所示。可以看到，當(dāng)SOC達(dá)到100%，儲(chǔ)能無法繼續(xù)充電，新能源發(fā)生棄電，直到17:00，新能源發(fā)電功率減小，負(fù)荷上升，儲(chǔ)能有了放電空間，SOC開始減小，直到22:00儲(chǔ)能電量放完。圖6、7為2021年1月儲(chǔ)能的SOC曲線和儲(chǔ)能充放電功率曲線。
圖4 2021年1月14日系統(tǒng)運(yùn)行曲線
Fig.4 Operation curve of the system on January 14, 2021
圖5 2021年1月14儲(chǔ)能SOC時(shí)序曲線
Fig.5 Time series curve of SOC in energy storage on January 14, 2021
圖6 2021年1月儲(chǔ)能SOC時(shí)序曲線
Fig.6 Time series curve of SOC in energy storage in January 2021
圖7 2021年1月儲(chǔ)能充放電功率時(shí)序曲線
Fig.7 Time series curve of charging/discharging power in energy storage in January 2021
若選擇整小時(shí)數(shù)的配置方案600萬kW/2 400萬kW·h、700萬kW/2 100萬kW·h和900萬kW/1 806萬kW·h作為2021年的配置結(jié)果，結(jié)合2021—2025年的邊界條件，并計(jì)及儲(chǔ)能的容量衰減，開展2022—2025年的配置需求分析。
儲(chǔ)能的容量衰減按下述方式進(jìn)行估算：當(dāng)儲(chǔ)能的最大放電電量衰減到電池標(biāo)稱容量的80%時(shí)[25]，達(dá)到電池的壽命終止條件。設(shè)初始投運(yùn)時(shí)，電池最大放電電量為標(biāo)稱容量的100%，考慮目前電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)年限10年，估算得到年度衰減電量約為標(biāo)稱容量的2%。
計(jì)算各年的儲(chǔ)能配置方案。選取2 h、3 h和4 h的配置結(jié)果，結(jié)果如表5~7所示。
表5 “十四五”期間儲(chǔ)能配置規(guī)模（4 h）
Table 5 Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (4 h)
表6 “十四五”期間儲(chǔ)能配置規(guī)模（3 h）
Table 6 Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (3 h)
表7 “十四五”期間儲(chǔ)能配置規(guī)模（2 h）
Table 7 Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (2 h)
3.3 敏感性分析
分析計(jì)算表明，滿足該電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡和新能源利用要求的儲(chǔ)能配置方案不唯一，按照功率和能量一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可形成一組解集。
分析解集的規(guī)律，以2021年的計(jì)算結(jié)果為例，繪制儲(chǔ)能的功率和能量分析計(jì)算結(jié)果，如圖8所示?？梢钥吹剑谶_(dá)到相同目標(biāo)的前提下，儲(chǔ)能的能量隨著儲(chǔ)能功率的增加而減少，且減少的趨勢(shì)逐步放緩。在功率較小時(shí)（初值290萬kW為起點(diǎn)），能量下降斜率較大，當(dāng)功率達(dá)到650萬kW以上時(shí)，儲(chǔ)能的能量基本達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。
圖8 儲(chǔ)能功率和能量變化趨勢(shì)曲線
Fig.8 Change trend curve of energy storage power and energy
在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析功率和能量對(duì)新能源利用率的影響。
以前文分析為基礎(chǔ)，若保持2400萬kW·h的儲(chǔ)能能量不變，調(diào)整儲(chǔ)能的功率，得到儲(chǔ)能功率與新能源利用率變化趨勢(shì)曲線，如圖9所示。可以看到，新能源利用率隨著儲(chǔ)能功率增加而上升，且上升的趨勢(shì)逐步放緩。在功率較小時(shí)，隨著功率增大，新能源利用率上升斜率較大；當(dāng)功率達(dá)到600萬kW以上時(shí)，新能源利用率的變化較小趨于平穩(wěn)。若保持600萬kW的儲(chǔ)能功率不變，調(diào)整儲(chǔ)能能量，得到儲(chǔ)能能量與新能源利用率變化趨勢(shì)曲線，如圖10所示?？梢钥吹?，新能源利用率隨著儲(chǔ)能能量增加而上升，且上升的趨勢(shì)逐步放緩。
圖9 儲(chǔ)能功率與新能源利用率變化趨勢(shì)曲線
Fig.9 Change trend curve of energy storage power and utilization rate of renewable energy
圖10 儲(chǔ)能能量與新能源利用率變化趨勢(shì)曲線
Fig.10 Change trend curve of the energy capacity of energy storage and the utilization rate of renewable energy
3.4 經(jīng)濟(jì)性分析
從技術(shù)需求角度看，儲(chǔ)能的配置方案可有多組可行解。本文以最小投資為目標(biāo)，從多組可行解中選擇最優(yōu)配置方案。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本包括儲(chǔ)能本體、PCS和輔助設(shè)施以及運(yùn)行維護(hù)成本。按照美國(guó)電科院對(duì)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的成本現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果[17]（如表8所示）開展投資成本分析，得到不同類型下的投資成本如表9所示。
表8 大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的單位成本
Table 8 Cost per unit of large-capacity energy storage systems
由表9可以看到，由于不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率成本、能量成本差異較大，造成不同配置方案的投資成本差別較大。對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，3種配置方案中，最優(yōu)的為鉛酸電池系統(tǒng)的900萬kW/2 h方案；若地理?xiàng)l件允許，抽水蓄能電站的600萬kW/4 h方案更優(yōu)。
表9 不同類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本 單位：萬美元
Table 9 Investment costs of different types of energy storage systems 萬美元
4 結(jié)論
為滿足大規(guī)模新能源并網(wǎng)背景下電力系統(tǒng)整體運(yùn)行需求和發(fā)展需要，本文從系統(tǒng)全局視角開創(chuàng)性探索研究了電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的功率和能量分析計(jì)算方法，得出結(jié)論如下。
（1）電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能需要重點(diǎn)考慮的3方面因素。①應(yīng)統(tǒng)籌考慮源網(wǎng)荷發(fā)展情況，計(jì)算所用數(shù)據(jù)和案例能夠覆蓋未來典型場(chǎng)景；②應(yīng)細(xì)致分析儲(chǔ)能對(duì)常規(guī)機(jī)組的替代作用，在滿足系統(tǒng)安全和供熱要求前提下優(yōu)化開機(jī)方式；③應(yīng)綜合優(yōu)化儲(chǔ)能充放電策略，應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)能自身運(yùn)行特性、系統(tǒng)運(yùn)行需要和源荷儲(chǔ)互動(dòng)關(guān)系綜合確定儲(chǔ)能的充放電時(shí)序。
（2）電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算主要分為儲(chǔ)能的功率初值計(jì)算、確定功率下的能量分析計(jì)算和不同功率下的能量滾動(dòng)計(jì)算3個(gè)步驟。由于功率和能量互相耦合，同一目標(biāo)下配置方案不唯一，而是一組解的集合。在可行解集中選擇投資成本最小的方案作為最優(yōu)方案。
（3）本文選取某省級(jí)電力系統(tǒng)開展“十四五”期間儲(chǔ)能配置規(guī)模測(cè)算，算例結(jié)果表明，在保障安全和供熱需求的前提下，為滿足新能源利用率和負(fù)荷平衡的目標(biāo)，可形成多組儲(chǔ)能配置方案，且配置的儲(chǔ)能功率、儲(chǔ)能能量與新能源利用率之間存在非線性的耦合關(guān)系。通過對(duì)比分析不同方案的經(jīng)濟(jì)性可得到最優(yōu)配置方案。
后續(xù)工作中，將繼續(xù)深入研究如何在市場(chǎng)環(huán)境下統(tǒng)籌考慮儲(chǔ)能調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等多重功能，細(xì)化源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化背景下儲(chǔ)能的充放電策略，完善電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能方法體系。
