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新能源集中并網(wǎng)下大規(guī)模集中式儲能規(guī)劃研究述評
古宸嘉, 王建學(xué), 李清濤, 張耀
（陜西省智能電網(wǎng)重點實驗室(西安交通大學(xué)), 陜西 西安 710049）
摘要：隨著新能源的大規(guī)模集中式并網(wǎng)，新能源的消納難題愈發(fā)突出。作為高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)，儲能的規(guī)?；瘧?yīng)用有利于提升系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟性及安全性。然而，當(dāng)前綜述多是側(cè)重于對儲能技術(shù)歸納總結(jié)，很少對儲能規(guī)劃方法，特別是大規(guī)模儲能在源-網(wǎng)側(cè)配置方法進(jìn)行全面的梳理。因此，首先對大規(guī)模儲能納入電力系統(tǒng)規(guī)劃后整體影響進(jìn)行分析，總結(jié)歸納出儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景，并分析儲能的引入對規(guī)劃問題建模的影響；然后，分別從大規(guī)模儲能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃以及考慮大規(guī)模儲能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩個方面展開論述；最后，探討當(dāng)前大規(guī)模儲能規(guī)劃的重點問題，并對其前景做出展望。
引文信息
古宸嘉, 王建學(xué), 李清濤, 等. 新能源集中并網(wǎng)下大規(guī)模集中式儲能規(guī)劃研究述評[J]. 中國電力, 2022, 55(1): 2-12.
GU Chenjia, WANG Jianxue, LI Qingtao, et al. Review on large-scale centralized energy storage planning under centralized grid integration of renewable energy[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 2-12.
引言
隨著全球能源消費飛速增長，以及煤炭、石油、天然氣等化石燃料的大量使用對環(huán)境帶來的污染加劇，人類社會的可持續(xù)發(fā)展面臨著巨大的雙重壓力[1]。以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電技術(shù)作為世界上迄今最為成熟的低碳清潔技術(shù)之一，可從根本上緩解人類面臨的能源困境[2]。特別地，中國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。在未來新能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，勢必要構(gòu)建適應(yīng)高比例可再生能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)。一方面，相較于傳統(tǒng)的火電機組，新能源機組出力存在著嚴(yán)重的波動性及不確定性，電力系統(tǒng)面臨系統(tǒng)靈活性不足的風(fēng)險；另一方面，高比例可再生能源接入的電力系統(tǒng)還須應(yīng)對新能源出力與負(fù)荷需求不匹配的難題。這些都會阻礙并網(wǎng)新能源裝機容量的有效利用，一方面，會導(dǎo)致投入的資本發(fā)生嚴(yán)重的浪費及損失；另一方面，也會更為長遠(yuǎn)地影響新能源的可持續(xù)發(fā)展，不利于能源供給的清潔轉(zhuǎn)型以及雙碳目標(biāo)的最終實現(xiàn)。
針對此類問題，儲能一直都被視為是極具前景的解決技術(shù)之一[3]。特別是近年來，儲能設(shè)備在技術(shù)上逐步突破并在商業(yè)上得到初步應(yīng)用，規(guī)?；瘍δ茉诳深A(yù)見的時間內(nèi)將成為解決新能源消納難題的可靠方案。儲能的特性由其電量和電力特性決定，充裕的電量可以確保其能夠緩解更長時間尺度下風(fēng)電和負(fù)荷之間的時序不匹配現(xiàn)象，而足夠大的電力則允許其能對短期內(nèi)大功率幅值波動做出快速響應(yīng)。在大規(guī)模新能源接入的背景下，規(guī)模化儲能可以更好地平抑新能源的時序波動并實現(xiàn)其電量的時間轉(zhuǎn)移[4]，從而提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性?，F(xiàn)今，國內(nèi)各項大規(guī)模儲能示范性項目陸續(xù)開展，僅2020年就投運或開工了多個“首個”示范項目，如福建晉江百兆瓦級儲能電站示范項目、遼寧大連由國家能源局批準(zhǔn)的首個大型電化學(xué)儲能國家示范項目以及浙江湖州全國首座鉛碳式電網(wǎng)側(cè)儲能電站項目等，標(biāo)志著大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展已步入嶄新的階段。
然而，即使儲能技術(shù)實現(xiàn)了持續(xù)的突破，其投資成本仍然很高。在不同的應(yīng)用背景下，需要采用針對性的規(guī)劃方法才能保證儲能部署的經(jīng)濟性及合理性。然而，當(dāng)前綜述更多關(guān)注對儲能技術(shù)及其應(yīng)用場景的歸納總結(jié)，很少對儲能規(guī)劃方法，特別是大規(guī)模儲能在源-網(wǎng)側(cè)配置方法進(jìn)行全面的梳理。
本文對新能源集中并網(wǎng)下的大規(guī)模儲能規(guī)劃研究進(jìn)行調(diào)研及梳理。首先，歸納分析大規(guī)模儲能接入電力系統(tǒng)的不同功用，并探討其對規(guī)劃問題建模及求解的影響；然后，論述大規(guī)模儲能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃方法，并進(jìn)一步探究大規(guī)模儲能與源網(wǎng)元件的協(xié)同規(guī)劃技術(shù)；最后，深入探討當(dāng)前大規(guī)模儲能規(guī)劃的重點問題并對其前景做出展望。
1 大規(guī)模儲能納入電力系統(tǒng)規(guī)劃后整體影響分析
隨著技術(shù)進(jìn)步和功能需求的變化，儲能的形式及種類得到持續(xù)的豐富與發(fā)展。一方面，依照儲能容量及響應(yīng)速度的不同，儲能裝置可以分為能量型儲能及功率型儲能；另一方面，根據(jù)能量存儲對象的不同，儲能裝置可以分為電儲能、氣儲能以及熱儲能等，這些儲能在各自應(yīng)用領(lǐng)域中都具有重要的作用。
以電能為能量存儲對象的能量型儲能已在電力系統(tǒng)規(guī)劃及運行中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)容量規(guī)模的不同，又可以分為集中式和分布式，大規(guī)模集中式儲能主要作用于源網(wǎng)端[5]，而小容量分布式儲能則作用于用戶端[6]，本文著重闡述大規(guī)模集中式儲能的研究。因此，若無特殊說明，本文儲能特指的是大規(guī)模集中式能量型電儲能。
目前，規(guī)模化儲能主要以抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及大容量電池儲能為代表。本文基于大規(guī)模儲能典型應(yīng)用場景，探究其對系統(tǒng)各類運行特性的提升以及對實際規(guī)劃模型構(gòu)建的影響。
1.1 儲能應(yīng)用場景分析
大規(guī)模儲能在提升電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、環(huán)保性、靈活性、可靠性以及系統(tǒng)彈性等方面都有著顯著效益[7]。
儲能對系統(tǒng)經(jīng)濟性、環(huán)保性、靈活性的提升作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）系統(tǒng)削峰填谷[8-10]。儲能具有能量轉(zhuǎn)移特性，可將新能源峰值出力時段的電量轉(zhuǎn)移至新能源谷值出力時段，從一定程度上降低源荷時序不匹配帶來的系統(tǒng)峰谷差。（2）平抑新能源出力波動[11-13]。相較于常規(guī)發(fā)電機組，儲能具備快速爬坡能力，可以充分應(yīng)對新能源瞬時波動導(dǎo)致的功率調(diào)節(jié)需求，從而提高電網(wǎng)消納新能源能力。（3）延緩系統(tǒng)設(shè)備投資[14-17]。儲能具有電力和電量的雙重優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對其他系統(tǒng)設(shè)備的替代，包括減緩輸電阻塞導(dǎo)致的線路、變壓器以及靈活機組投建，從而節(jié)省不必要開支，提升系統(tǒng)整體效益。
儲能對系統(tǒng)可靠性、彈性的提升作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）提供旋轉(zhuǎn)備用[18-20]。相較于常規(guī)機組，儲能元件具有快速響應(yīng)能力及雙倍調(diào)節(jié)區(qū)間，可以參與滿足系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用需求。（2）參與系統(tǒng)調(diào)頻[21-22]及穩(wěn)壓[23]。電力系統(tǒng)頻率以及電壓幅值波動等電能質(zhì)量問題的關(guān)鍵在于短時功率的動態(tài)補償，而儲能元件秒級乃至毫秒級功率動態(tài)調(diào)節(jié)能力正好與此需求匹配。（3）黑啟動[24-25]。儲能裝置具有啟動時間短、自身儲能穩(wěn)定不受外界影響以及距離負(fù)荷中心較近等特性，適合作為黑啟動電源。
1.2 儲能對規(guī)劃問題模型構(gòu)建的影響
1.2.1 儲能規(guī)劃目標(biāo)構(gòu)建
通過優(yōu)化設(shè)計規(guī)劃目標(biāo)及相應(yīng)限制約束，可以在規(guī)劃問題中納入上述因素影響。當(dāng)前規(guī)劃問題多以規(guī)劃期內(nèi)儲能及其他各類型系統(tǒng)設(shè)備的投資和運行總成本最小為目標(biāo)，即通過合理規(guī)劃儲能，使儲能投建成本與儲能運行效益達(dá)到均衡。這使得儲能規(guī)劃方案得以充分發(fā)揮儲能在提升系統(tǒng)經(jīng)濟性、環(huán)保性、靈活性乃至可靠性等方面的效用[26]，具體可表示為
式中：CTotal 為總的投資和運行成本；CInv,s 、 CInv,o 分別為儲能和其他新建系統(tǒng)設(shè)備的投資成本；COM,s 、 COM,o 、 COM 分別為儲能、其他系統(tǒng)新建設(shè)備和系統(tǒng)原有設(shè)備的運行維護成本；CCT 為棄新能源懲罰。
除了式（1）中常見目標(biāo)函數(shù)的分項，也可以通過設(shè)計出一系列表征系統(tǒng)可靠性或彈性的指標(biāo)，并組合構(gòu)造出儲能規(guī)劃問題優(yōu)化目標(biāo)，從而更有針對性地分析儲能對系統(tǒng)可靠性/彈性提升作用。如在文獻(xiàn)[27]中，即針對電力負(fù)荷以及非黑啟動發(fā)電機組，設(shè)計出“可接入容量”指標(biāo)，用以評估在極端場景下的系統(tǒng)可靠性，并以此作為規(guī)劃目標(biāo)之一，優(yōu)化決策出對系統(tǒng)彈性提升最大的儲能配置方案。文獻(xiàn)[28]則是以用戶避免電力中斷的支付意愿為基準(zhǔn)，設(shè)計出可靠性指標(biāo)，并在儲能優(yōu)化配置問題的目標(biāo)函數(shù)中加以考慮。
1.2.2 儲能復(fù)雜運行約束對規(guī)劃問題求解的影響
在規(guī)劃問題中針對儲能元件進(jìn)行建模時，由于儲能自身異于常規(guī)電源的特性，會對規(guī)劃問題產(chǎn)生如下影響。
（1）儲能設(shè)備具有電能的時序轉(zhuǎn)移特性，可以實現(xiàn)新能源出力電量在時序上的轉(zhuǎn)移變換。因此，需要在規(guī)劃問題中嵌套運行模型，以綜合考慮包含儲能設(shè)備在內(nèi)的多種元件的聯(lián)合運行特性[29]。然而儲能及其他機組的運行約束，特別是儲能荷電狀態(tài)與充放電功率時序耦合約束等復(fù)雜約束的引入，會導(dǎo)致規(guī)劃問題的維度擴大，模型復(fù)雜度大為增加。
（2）儲能設(shè)備可以持續(xù)存儲電量，可以實現(xiàn)一定程度上的“套利”，即將發(fā)電成本低時段的電量轉(zhuǎn)到發(fā)電成本高的時段。從這個角度分析，規(guī)劃建設(shè)的儲能可以在一定程度上減少運行費用。因此，可以在目標(biāo)函數(shù)中綜合考慮投資和運行成本，以選取相應(yīng)的最優(yōu)方案實現(xiàn)成本的進(jìn)一步降低。此時投資決策和運行優(yōu)化耦合關(guān)系會愈發(fā)緊密，使模型問題進(jìn)一步復(fù)雜化。
（3）如果在規(guī)劃問題中，將儲能裝置的投建變量設(shè)為整數(shù)變量，且其運行時的充放電狀態(tài)由0-1變量表征，則會在儲能最大充放電功率約束中引入非線性項，從而改變規(guī)劃問題混合整數(shù)線性問題的性質(zhì)[30]，使模型求解難度增加。
綜上可知，儲能在電力系統(tǒng)規(guī)劃問題中的引入使得規(guī)劃模型更加復(fù)雜，針對性地更新和改進(jìn)現(xiàn)有求解方法，進(jìn)一步提出新的優(yōu)化模型及框架，極具必要性。通過對一系列文獻(xiàn)綜述與歸納，本文提煉的大規(guī)模儲能規(guī)劃框架如圖1所示。
圖1 大規(guī)模儲能規(guī)劃框架
Fig.1 Framework of large-scale energy storage planning
2 大規(guī)模儲能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃方法
大規(guī)模儲能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃是在現(xiàn)有既定電源、網(wǎng)架以及其他系統(tǒng)設(shè)備的配置條件下，綜合考慮各類電源的分布及相關(guān)特性，尋找可行乃至最優(yōu)的儲能電站投建地點，投建類型及投建容量。表1給出了儲能規(guī)劃研究總結(jié)和對比。在新能源隨機性的刻畫方面，文獻(xiàn)多是采用了基于場景的隨機表征方法或基于不確定集的魯棒表征方法；規(guī)劃目標(biāo)主要是投資的經(jīng)濟性，兼顧了新能源消納、供能可靠性、電壓穩(wěn)定及線路阻塞緩解等需求，最終基于多階段分層/最優(yōu)潮流優(yōu)化理論構(gòu)建了儲能選址定容優(yōu)化問題。
表1 源側(cè)/網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃研究概述
Table 1 Overview of research on source/grid-side energy storage planning
在大規(guī)模新能源接入的背景下，儲能規(guī)劃實現(xiàn)了儲能設(shè)備及其他系統(tǒng)元件的精細(xì)化建模，使得對物理系統(tǒng)特性的刻畫更能貼合實際，從而更為切實地制定了儲能配置需求，提升了資源的配置效率。本文將從電源側(cè)儲能規(guī)劃以及電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃兩類分別進(jìn)行闡述。
2.1 電源側(cè)儲能規(guī)劃
電源側(cè)儲能規(guī)劃側(cè)重于廠站級或者區(qū)域級規(guī)劃，其研究的關(guān)注點在于儲能對區(qū)域內(nèi)靈活性的提升以及對應(yīng)外部特性的改善，通常不計及網(wǎng)架的影響。通過對儲能在電源側(cè)單點的配置容量以及運行策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可使儲能與各類電源得以協(xié)調(diào)互補運行。同時，從發(fā)電公司的角度出發(fā)，結(jié)合自身需求進(jìn)行儲能容量優(yōu)化，可以優(yōu)化電源側(cè)結(jié)構(gòu)，提升電源的靈活調(diào)節(jié)能力，從而滿足電源并網(wǎng)要求或是提升自身效益。
電源側(cè)儲能規(guī)劃主要分為在常規(guī)發(fā)電側(cè)和在新能源側(cè)的配置。在常規(guī)發(fā)電側(cè)配置儲能主要作用是提升常規(guī)發(fā)電機組的靈活性，更偏重設(shè)備改造升級，從而使其可以滿足一定的技術(shù)要求，以及可以參與提供輔助服務(wù)，進(jìn)而得到一定的收益。因此，儲能的投建主要取決于以下幾個方面。（1）當(dāng)?shù)剌o助服務(wù)資源的緊缺度，當(dāng)該區(qū)域的輔助服務(wù)資源極為緊缺，通過儲能配置進(jìn)而參與輔助服務(wù)市場，可以獲得相應(yīng)的較高收益。（2）輔助服務(wù)市場的規(guī)則設(shè)計，儲能參與輔助服務(wù)市場的收益主要取決于輔助服務(wù)市場政策及所制定的規(guī)則，隨著輔助服務(wù)市場的逐步建設(shè)及完善，將會給儲能創(chuàng)造更多價值增值的機會。然而，當(dāng)前國內(nèi)尚未建立起完善的電力輔助服務(wù)市場，因此儲能參與輔助服務(wù)效益并不顯著。儲能主要還是參與到常規(guī)發(fā)電機組的技術(shù)升級上，如文獻(xiàn)[31]即建立了以輔助單臺火電機組AGC調(diào)頻為目標(biāo)的儲能雙層規(guī)劃方法。
新能源側(cè)配置儲能是當(dāng)前的熱點，中國多個省區(qū)（比如山西、新疆）相繼出臺相關(guān)文件要求光伏、風(fēng)電等新能源電站加裝儲能系統(tǒng)，占比在5%~20%不等。儲能在向“市場剛需”轉(zhuǎn)變的過程中，不僅需要上述清晰有力的政策支持，也需要通過合理手段實現(xiàn)優(yōu)化配置。電源側(cè)儲能配置，即是從系統(tǒng)資源聯(lián)合優(yōu)化角度，分析儲能對新能源場站各類運行指標(biāo)以及系統(tǒng)運行效益的提升，以優(yōu)化決策出儲能的最佳容量配置。換言之，其主要解決的是“配多少”的問題。部分文獻(xiàn)關(guān)注于儲能與風(fēng)火系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化。文獻(xiàn)[32]實現(xiàn)了儲能電站與火電及風(fēng)電聯(lián)合優(yōu)化配置及運行，提高了新能源并網(wǎng)友好性，提升了新能源的消納空間。類似地，文獻(xiàn)[33]在保證系統(tǒng)供電可靠性水平的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化儲能配置實現(xiàn)了風(fēng)/柴系統(tǒng)的成本效益最優(yōu)。
同時，相較于傳統(tǒng)新能源單獨配置，儲能參與的新型“新能源+”模式可以有效利用資源的互補特性，避免能源浪費及設(shè)備利用率低等問題，從而更好地實現(xiàn)源端多能互補體系的構(gòu)建。目前，風(fēng)-光-儲、風(fēng)-光-水-儲、風(fēng)-光-熱-儲互補系統(tǒng)的整體規(guī)劃與協(xié)調(diào)調(diào)度已然成為清潔能源規(guī)?；_發(fā)、深度互補利用的新范式[34]。如文獻(xiàn)[35]即以張家口地區(qū)的實際風(fēng)光電站為對象，通過研究不同類型儲能混合優(yōu)化配置方案的經(jīng)濟性，實現(xiàn)了儲能效益最大化以及風(fēng)光的高效利用。在此基礎(chǔ)上，多能互補能源基地、復(fù)合電站等新概念也陸續(xù)提出。文獻(xiàn)[36]圍繞大規(guī)模新能源外送示范基地，采用了風(fēng)、光、火打捆外送方式，研究了多類型源儲的配比方案，最大化新能源的利用。文獻(xiàn)[37]選用風(fēng)光等間歇性電源為主要開發(fā)能源，并輔之以儲能、光熱為代表的靈活性調(diào)節(jié)電源，定義并優(yōu)化構(gòu)建了面向間歇性資源規(guī)?；⒕W(wǎng)的多能互補復(fù)合電站。在實際工程方面，中國已開展并建成多項多能互補示范工程項目，如魯能海西州多能互補集成優(yōu)化示范工程集“風(fēng)、光、熱、蓄、調(diào)、荷”于一體，通過智能調(diào)控實現(xiàn)了純清潔能源多能互補高效利用。
儲能配置問題在電源側(cè)的聚焦，使得相關(guān)研究有能力更好解決“如何配”以及“如何用”的問題，從而實現(xiàn)儲能投資的功效最優(yōu)化。其中部分研究在電源側(cè)儲能充放電策略的優(yōu)化決策的基礎(chǔ)上，探究了儲能在電源側(cè)的最優(yōu)配置方法。文獻(xiàn)[38]提出了基于可變功率修正系數(shù)的儲能充放電控制策略，實現(xiàn)了電功率波動平抑的同時避免了儲能壽命的過度折損；文獻(xiàn)[39]實現(xiàn)了儲能充放電控制策略的優(yōu)化，并將其整合入儲能優(yōu)化配置的模型中。另一部分研究則是基于電源側(cè)儲能典型應(yīng)用場景及運行策略的歸納分析，形成了一套“經(jīng)驗化”的儲能快速定容方法。文獻(xiàn)[40]構(gòu)建了電池儲能容量和凈負(fù)荷快速變化值的回歸模型，提出電池容量系數(shù)指標(biāo)用以快速定容；文獻(xiàn)[41]探究了儲能容量需求與負(fù)荷及電源組合間的關(guān)系，并分析了多類型儲能的最佳配比，以此提出了在給定凈負(fù)荷曲線情況下儲能實用化配置方法。
上述研究更多地計及了儲能配置的技術(shù)性因素，很少考慮其收益因素，這是由于當(dāng)前儲能的成本較高，即使在投資儲能后可以減少棄風(fēng)棄光量，但是其投資回報率較低，發(fā)電公司主動配套儲能的積極性不強，僅對部分上網(wǎng)電價較高的新能源項目具有一定的吸引力。未來，可以通過一系列政策（比如加強輔助服務(wù)市場建設(shè)、在實時市場中加大出力偏差考核），來推動新能源側(cè)配套儲能的建設(shè)。
總之，電源側(cè)儲能規(guī)劃更加側(cè)重于等效單節(jié)點的容量規(guī)劃，主要解決了儲能與各類型電源的配比問題，取得了以下成效：（1）提升了傳統(tǒng)電源的機組特性，如其參與調(diào)峰、調(diào)頻等一系列輔助服務(wù)的能力；（2）改善了新能源的并網(wǎng)特性，穩(wěn)定及平滑新能源出力；（3）實現(xiàn)了源側(cè)的多能互補配置。由于該部分研究更聚焦于儲能參與下的各類復(fù)雜物理問題，建模的復(fù)雜程度及精細(xì)化程度都相對較高，更多地依賴于啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。
2.2 電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃
相較于電源側(cè)儲能的配置，電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃，主要是從系統(tǒng)運營公司的角度出發(fā)，目的是確定儲能設(shè)備的最優(yōu)位置及容量，最大限度發(fā)揮儲能削峰填谷和改善電網(wǎng)線路阻塞等能力，實現(xiàn)儲能投建的社會效益最大化。
2.2.1 電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型
以促進(jìn)新能源集中并網(wǎng)為導(dǎo)向的儲能規(guī)劃，其實際效果很大程度上依賴于對新能源不確定性的刻畫精度。在規(guī)劃過程中充分評估與衡量多種不同新能源出力場景下系統(tǒng)的運行情況，可以很好地模擬與還原真實情況。然而，這會導(dǎo)致規(guī)劃模型規(guī)模過大，難以求解。為此，部分研究將儲能規(guī)劃拆分為選址和定容問題，并側(cè)重解決其中某一方面，從而簡化了模型求解。文獻(xiàn)[42-43]選用魯棒不確定集來描述新能源出力情況，并選用了基于魯棒優(yōu)化兩階段的儲能規(guī)劃模型。其中，前者側(cè)重于儲能選址，而后者關(guān)注于儲能定容。文獻(xiàn)[44]計及了運行中的阻塞成本，從而在模型中引入了非線性項，致使模型求解復(fù)雜程度增加，因而僅解決了儲能定容問題。文獻(xiàn)[45]以風(fēng)電匯集的多端直流系統(tǒng)為對象，研究了直流電網(wǎng)儲能的容量配置方法，并對模型重構(gòu)以保障問題可靠求解。
實際上，對新能源不確定性的刻畫只需達(dá)到一定的精細(xì)化程度即可滿足規(guī)劃需求。如何實現(xiàn)儲能效用的最大化，最終還是取決于儲能的合理選型定容，以及適當(dāng)?shù)亩帱c布局。同樣的儲能部署到網(wǎng)架的不同位置所能發(fā)揮的效果相差懸殊。另外，不同的位置所需要配置的儲能容量也不盡相同。因此，部分研究致力于優(yōu)化儲能的選址及定容。文獻(xiàn)[46-47]均以投資成本及系統(tǒng)期望運行成本之和最小為目標(biāo)，建立了兼顧儲能裝置的最優(yōu)選址及定容的兩階段儲能隨機規(guī)劃模型。在優(yōu)化選址定容的基礎(chǔ)上，選取適用的儲能類型可以更好地提升儲能運行的實際效果。文獻(xiàn)[48]提出同時部署“能量密集型”與“電量密集型”儲能，可以顯著提高電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃的社會效益。
因此，電網(wǎng)側(cè)儲能的規(guī)劃，不僅要優(yōu)化選址定容，更需要計及不同類型儲能設(shè)備所具有的不同運行特征和投建成本構(gòu)成，以及不同的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用時間尺度，實現(xiàn)儲能的合理選型。
2.2.2 電網(wǎng)側(cè)儲能的模型框架及求解方法
相較于電源側(cè)儲能規(guī)劃，電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃涉及更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)及元件模型，其求解難度相對較大。因此，需要定制化設(shè)計出配套的優(yōu)化框架或方法，以實現(xiàn)模型的解耦及問題簡化。一類常見的優(yōu)化方法是基于分解協(xié)調(diào)的思想，構(gòu)造出一系列多層或多階段模型，使其適用于交替迭代求解算法。典型的分層優(yōu)化方法，即是將儲能規(guī)劃問題分解為內(nèi)外層嵌套的雙層決策模型，其中外層的長時間尺度規(guī)劃問題主要決定了儲能的選址定容，而內(nèi)層則在短時間尺度上評估了儲能參與實際運行的效果，由此交替迭代實現(xiàn)了成本與效益的均衡，具體如文獻(xiàn)[49]所述。類似地，多階段模型的求解也往往是根據(jù)需要將規(guī)劃問題解耦為一階段規(guī)劃問題、二階段運行問題乃至其他多階段問題，使其符合分解算法所對應(yīng)的特殊數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[50]提出了三階段儲能優(yōu)化模型，通過在3個階段逐次考慮儲能的選址、定容以及運行評估，實現(xiàn)了對儲能規(guī)劃“近似最優(yōu)”的快速求解。
另一類主流的優(yōu)化方法則是以最優(yōu)潮流為框架，并結(jié)合啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。該類方法通過將儲能裝置按照充放電狀態(tài)分別等效為負(fù)荷或發(fā)電機，使得整個優(yōu)化問題適用于最優(yōu)潮流框架快速求解，此類典型的應(yīng)用在文獻(xiàn)[51]中有所體現(xiàn)。此外，基于此框架，相關(guān)研究也逐步進(jìn)行了擴展。文獻(xiàn)[52]將可靠性的成本也納入目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行規(guī)劃求解。文獻(xiàn)[53]構(gòu)造了表征系統(tǒng)運行成本及電壓穩(wěn)定性的雙目標(biāo)最優(yōu)潮流模型，從而使儲能規(guī)劃方案兼顧了系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性。文獻(xiàn)[54]提出了基于多時段最優(yōu)潮流的儲能規(guī)劃方法，克服了單時段最優(yōu)潮流難以刻畫儲能時序耦合運行特點的問題。
考慮到不同物理特性的儲能在系統(tǒng)中多點部署會帶來迥異的效果，電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃的目標(biāo)即是通過對比各類技術(shù)方案投資運行經(jīng)濟性，以實現(xiàn)儲能選址定容優(yōu)化決策。相較于源側(cè)的儲能配置，電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃問題更加依賴于投資決策-運行校驗的二階段配置模式，模型架構(gòu)相對統(tǒng)一。然而，規(guī)劃問題的決策精準(zhǔn)程度取決于對包含網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)以及海量新能源場景特征的分析與刻畫。同時，也需要根據(jù)問題的復(fù)雜程度，靈活選取內(nèi)嵌運行的多階段/多層的建模技術(shù)或者是規(guī)劃-運行交互迭代的分解協(xié)調(diào)模型框架來進(jìn)行求解。
3 考慮大規(guī)模儲能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃
大規(guī)模儲能與源網(wǎng)的聯(lián)合規(guī)劃是指儲能與其他基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備如輸電線路、靈活機組、風(fēng)電光伏等統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)配置。該方法主要計及了各種系統(tǒng)設(shè)備在宏觀層面上的耦合與替代關(guān)系，并考慮到系統(tǒng)規(guī)劃與運行間的關(guān)聯(lián)性，從而全面實現(xiàn)各類基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化配置，揭示了在大規(guī)模新能源接入下電力系統(tǒng)應(yīng)有的適應(yīng)性形態(tài)。
當(dāng)前含儲能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃總結(jié)可參見表2。儲能在輸電網(wǎng)側(cè)的部署，除了可以替代部分峰荷電廠的投建，其更主要的作用在于可以有效緩解由于新能源高發(fā)時段出現(xiàn)的線路阻塞問題，從而延緩部分關(guān)鍵線路擴建計劃。如何合理規(guī)劃具有互補替代關(guān)系的儲能及輸電線路，以實現(xiàn)新能源消納的提升以及經(jīng)濟成本的優(yōu)化，成為當(dāng)前研究的重點。文獻(xiàn)[55]設(shè)計了最小化投資和棄風(fēng)總成本，以及最大化儲能電站效益的多目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了含抽水蓄能電站和輸電線路的優(yōu)化配置模型。文獻(xiàn)[56]則進(jìn)一步在規(guī)劃問題中考慮儲能裝置性能的逐年衰減以及輸電線路的投建時延。類似地，文獻(xiàn)[57]探究了在可自由開閉線路的輸電網(wǎng)絡(luò)中輸電線路和儲能裝置的聯(lián)合規(guī)劃問題。儲能的合理配置也能提升系統(tǒng)的風(fēng)險抵御能力。文獻(xiàn)[58]從系統(tǒng)可靠性的角度，研究了最惡劣N–K故障下輸電網(wǎng)與儲能的規(guī)劃-攻擊-防御三層協(xié)同規(guī)劃問題。
表2 源網(wǎng)儲協(xié)調(diào)規(guī)劃研究概述
Table 2 Overview of research on source-grid-storage coordination planning
考慮到當(dāng)前新能源開發(fā)潛力巨大，未來新能源電站并網(wǎng)容量需求仍會逐年攀升，這不可避免地會導(dǎo)致常規(guī)機組被大量替代，系統(tǒng)的整體靈活性降低，應(yīng)對新能源不確定風(fēng)險的能力持續(xù)削弱。同時，現(xiàn)有的輸電系統(tǒng)也難以滿足新能源的傳輸需求。為此，系統(tǒng)運營公司需要配套部署儲能，以期保有足夠的系統(tǒng)調(diào)峰及輸電能力。部分研究在輸電線路和儲能裝置聯(lián)合規(guī)劃問題中，兼顧新能源電站的規(guī)劃需求，實現(xiàn)了中遠(yuǎn)期的儲能及其他各類系統(tǒng)元件聯(lián)合優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[59]基于優(yōu)化后的風(fēng)儲充放電策略，在輸電網(wǎng)規(guī)劃問題中充分考慮風(fēng)儲聯(lián)合規(guī)劃及運行所產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[60]則充分考慮高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活性需求，探究了以實現(xiàn)靈活性供需平衡為目的的源-網(wǎng)-儲一體化規(guī)劃方法。
隨著新能源出力以及能源供給雙重不確定性的日益凸顯，儲能參與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行，可使得多種能源間的耦合性進(jìn)一步增強，促進(jìn)多能互補利用。特別地，儲能在電-氣耦合系統(tǒng)中的配置利用已經(jīng)較為成熟，其所吸納的冗余風(fēng)光發(fā)電量不僅可以在峰荷時段削減電力需求峰值，還可以通過能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，如電轉(zhuǎn)氫/天然氣設(shè)備等，保障氣網(wǎng)峰值負(fù)荷供應(yīng)。文獻(xiàn)[61-62]基于以燃?xì)獍l(fā)電機組為耦合節(jié)點的電-氣網(wǎng)絡(luò)，研究了旨在消除棄風(fēng)風(fēng)險的儲能、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、傳輸線及氣網(wǎng)元件聯(lián)合規(guī)劃問題，實現(xiàn)了電-氣元件互補替代以及能源供需均衡。
總之，含儲能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃延續(xù)了電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)劃的規(guī)劃理念與規(guī)劃思想，且具有更深的內(nèi)涵。從建模方法與求解技術(shù)等細(xì)節(jié)上，含儲能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃同樣以投資決策-運行校驗的規(guī)劃框架為主。然而，在研究內(nèi)容上，更加側(cè)重于多類型電力元件與儲能的協(xié)同優(yōu)化配置，從而實現(xiàn)了源-網(wǎng)-儲的優(yōu)勢互補以及資源稟賦的高效利用。更進(jìn)一步地，儲能規(guī)劃的范疇也隨著研究的深入在逐步擴大，儲能在多能源系統(tǒng)中與多元件優(yōu)化配置研究也是當(dāng)前的熱點及難點。
4 大規(guī)模儲能規(guī)劃研究存在的問題及展望
隨著大規(guī)模儲能技術(shù)的不斷突破、經(jīng)濟效益的逐步提升，大規(guī)模儲能規(guī)劃的研究將備受矚目。綜上所述，大規(guī)模儲能規(guī)劃研究已經(jīng)形成了比較清晰的脈絡(luò)及體系，但其中仍然存在一些亟待解決的重要問題。主要分為以下幾點。
（1）儲能參與電力系統(tǒng)運行時，具有能量轉(zhuǎn)移效益，即參與削峰填谷，提升新能源消納以及降低污染物排放等靜態(tài)效益。同時，儲能也可以利用自身不同時間尺度上的快速響應(yīng)能力，參與提供多項電網(wǎng)輔助服務(wù)，具有顯著的動態(tài)調(diào)節(jié)效益[63]。此外，儲能對于維持系統(tǒng)穩(wěn)定性也具有突出的作用。然而，在儲能規(guī)劃問題中，對上述效益的精準(zhǔn)衡量涉及儲能本身以及所對應(yīng)物理問題在不同時間尺度上的建模與刻畫。如何在保證整體問題建模內(nèi)部自洽性的基礎(chǔ)上，充分挖掘儲能參與提供多重服務(wù)的能力，是當(dāng)前儲能規(guī)劃建模的一個難題。
（2）大規(guī)模儲能規(guī)劃問題需要解決儲能元件及其他系統(tǒng)元件的選址、選型及定容問題，規(guī)劃問題本身已非常復(fù)雜。特別是，隨著規(guī)劃對象的豐富及規(guī)劃場景的拓展，需要進(jìn)一步實現(xiàn)對各類可再生能源、新型電網(wǎng)及其他系統(tǒng)元件的精細(xì)化建模，這也會為模型引入各類非線性乃至非凸因素，規(guī)劃問題求解難度進(jìn)一步增強。此外，新形勢下源荷不確定性將會產(chǎn)生海量場景，待求解問題的規(guī)模會進(jìn)一步增大。在此背景下，問題求解的便捷性和準(zhǔn)確性難以兼顧，如何合理對模型進(jìn)行重構(gòu)以及簡化，并定制化設(shè)計快速求解方法，也是需要進(jìn)一步解決的難點。
（3）當(dāng)前中國市場化改革為儲能的應(yīng)用提供了更廣闊的前景，特別是近年來，隨著容量市場及輔助服務(wù)市場規(guī)則的逐步細(xì)化，儲能可以獲得收益的渠道、種類以及數(shù)額也在穩(wěn)步增加，這將直接或間接地決定儲能項目的經(jīng)濟性及可行性，從而影響到儲能規(guī)劃的優(yōu)化決策[64]。儲能作為靈活電源以及可靠的輔助服務(wù)提供方，如何在其規(guī)劃研究中納入對現(xiàn)行市場機制設(shè)計的影響，并合理評估其參與市場的多方面收益[65]，是很有意義的研究問題。另外，對儲能商業(yè)模式的研究與實踐也在逐步深入，青海電網(wǎng)已圍繞共享儲能運營模式展開了深入探索。如何將實際工程經(jīng)驗吸納并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性的規(guī)劃理論與方法，并進(jìn)一步推廣，也是值得深思的問題。
