電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估和政策機制研究
胡靜1, 黃碧斌1, 孟子涵1, 李娜娜1, 吉喆2
（1. 國網(wǎng)能源研究院有限公司, 北京 102209; 2. 國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟技術研究院, 山西 太原 030002）
摘要：近年來，國家持續(xù)出臺政策支持新型儲能發(fā)展，新型儲能進入發(fā)展快車道。作為重要的應用形式，電網(wǎng)功能替代性儲能可在電力系統(tǒng)中發(fā)揮替代或延緩電網(wǎng)輸變電設施建設等作用，國家政策明確支持電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展，提出探索納入輸配電價疏導成本。目前電網(wǎng)功能替代性儲能處于探索起步階段，相關政策管理機制尚不成熟。厘清電網(wǎng)功能替代性儲能的界定范圍，提出電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估方法，并開展典型案例分析論證，提出在電力市場發(fā)展不同階段下電網(wǎng)功能替代性儲能的成本疏導機制，并形成有關政策建議，推動電網(wǎng)功能替代性儲能有序發(fā)展和高效利用。
引文信息
胡靜, 黃碧斌, 孟子涵, 等. 電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估和政策機制研究[J]. 中國電力, 2023, 56(8): 10-16.
HU Jing, HUANG Bibin, MENG Zihan, et al. Research on alternative effect evaluation and policy mechanisms of grid-side functional alternative energy storage[J]. Electric Power, 2023, 56(8): 10-16.
引言
在國家政策大力支持下，中國新型儲能已在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)開展應用，部分項目已進入商業(yè)化運行階段。隨著儲能的技術經(jīng)濟性不斷提升，在一些應用場景下儲能建設可達到替代電網(wǎng)輸配電設施的效果，發(fā)揮解決基本供電問題、延緩輸變電升級改造需求、提升電網(wǎng)供電能力、提升應急保障能力和供電可靠性等作用[1-3]。國家政策明確支持電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展，提出研究探索將電網(wǎng)替代性儲能設施成本收益納入輸配電價回收[4-5]。
目前國內(nèi)外諸多學者對電網(wǎng)側(cè)儲能[6-9]、儲能經(jīng)濟性分析[10-14]和儲能政策機制[15-18]開展了相關研究，但電網(wǎng)功能替代性儲能還未開展規(guī)?；ㄔO，相關研究也處于定性論證階段[19-20]。目前電網(wǎng)功能替代性儲能健康有序發(fā)展還面臨如下幾個問題。1）典型場景的界定范圍和準入標準不明確；2）替代效果評估方法尚未形成共識，缺乏典型案例；3）成本疏導機制尚未落地，缺乏配套管理機制，迫切需要深化圍繞相關關鍵問題開展研究。
本文首先從功能作用、準入標準等方面提出電網(wǎng)功能替代性儲能的界定范圍，基于典型應用場景提出電網(wǎng)功能替代性儲能的替代效果評估方法，并開展經(jīng)濟性量化研究，研究提出適用于中國國情的電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導政策機制，研究結論可為中國電網(wǎng)功能替代性儲能的發(fā)展落地和政策機制制定提供決策支撐。
1 電網(wǎng)功能替代性儲能的界定
1.1 技術作用和應用場景
新型儲能是構建新型電力系統(tǒng)的重要技術和基礎裝備，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要支撐，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。儲能具有發(fā)電、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、電網(wǎng)等多方面功能，且可以實現(xiàn)多時段、多功能復用。發(fā)電功能包括平抑新能源出力波動、跟蹤出力曲線和輔助無電地區(qū)供電；系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能包括調(diào)峰平衡、頂峰調(diào)節(jié)、調(diào)頻和調(diào)壓；電網(wǎng)功能包括輸配電容量替代和供電質(zhì)量提升。
電網(wǎng)功能替代性儲能是指以實現(xiàn)電網(wǎng)功能為主的儲能。需要注意的是，電網(wǎng)功能替代性儲能與以接入位置來定義的電網(wǎng)側(cè)儲能概念不同，電網(wǎng)功能替代性儲能都是電網(wǎng)側(cè)儲能，但不是所有電網(wǎng)側(cè)儲能都是電網(wǎng)功能替代性儲能。電網(wǎng)功能替代性儲能應作為電網(wǎng)建設、實現(xiàn)電網(wǎng)功能的一種技術選擇，視為電網(wǎng)重要電氣元件，納入電網(wǎng)規(guī)劃，與其他電網(wǎng)輸配電設施進行技術經(jīng)濟性方案比選后，論證建設可行性。
分層級梳理形成電網(wǎng)功能替代性儲能應用場景，可分成輸配電容量替代和供電質(zhì)量提升兩大類，如表1所示。1）輸配電容量替代，主要指變電容量和輸配電容量的替代，解決站址和走廊資源緊張、臨時性負荷明顯災害應急供電等問題；2）供電質(zhì)量提升，主要指實現(xiàn)電壓支撐和提升電網(wǎng)供電可靠性等，包括在電網(wǎng)末端、配電網(wǎng)薄弱、新能源高滲透率接入等地區(qū)或重大場合保電情況，通過配置儲能，提升電壓支撐能力和電網(wǎng)供電質(zhì)量。
表1 電網(wǎng)功能替代性儲能應用場景界定
Table 1 Application scene definition of grid-side functional alternative energy storage
1.2 準入條件
電網(wǎng)功能替代性儲能項目的準入主要指在前期核準備案階段明確相關的條件和標準，作為界定的依據(jù)。電網(wǎng)功能替代性儲能準入條件需從政策標準、應用場景、技術類型等方面，結合準入評估體系指標進行判斷?？傮w準入原則應包括：1）項目應符合國家和地方政策以及相關技術標準要求；2）項目應以替代電網(wǎng)功能為主；3）項目技術類型應綜合考慮發(fā)展階段、技術安全性等因素。
可以建立電網(wǎng)功能替代性儲能準入評估指標體系，作為準入?yún)⒖?，但不同應用場景下準入評估指標設置的權重應有所不同。評估指標包括功率與最大負荷之比、能量與用電量之比、電壓偏差合格率、緩解設備重過載比例、縮短用戶停電時間、響應速度等，如表2所示。
表2 電網(wǎng)功能替代性儲能準入評估指標
Table 2 Access evaluation index of grid-side functional alternative energy storage
2 電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估方法
2.1 替代效果評估方法
針對季節(jié)性或臨時性負荷增長、站址資源緊張、農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源等典型情況，通過技術經(jīng)濟性比較，若達到同等供電效果情況下，儲能投資全壽命周期成本小于電網(wǎng)建設成本、改造升級成本，可考慮利用新型儲能解決局部地區(qū)的輸配電容量或供電質(zhì)量問題，替代或延緩輸配電投資。
評判電網(wǎng)功能替代性儲能項目是否可行需要分析電網(wǎng)功能替代性儲能的替代效益，考慮到儲能、電網(wǎng)設施項目的壽命周期不同，因此采用費用年值進行對比，評判電網(wǎng)功能替代性儲能方案是否可行。
2.2 典型案例分析
1）季節(jié)性、臨時性負荷增長場景案例分析。
以制茶業(yè)興盛的黃山地區(qū)某茶區(qū)供電線路為例，線路負荷具有明顯的季節(jié)性變化特點，某10 kV線路具有1.2 MW供電能力，全年負荷超出1.2 MW的時間集中在4月中下旬，持續(xù)時間13天，每日超負荷約2 h15 min，全年超負荷時長一般不超過30 h。
線路改造方案為：滿足超出的0.2 MW負荷供電，按照擴能1條2 km 10 kV線路、擴容2臺配電變壓器設計，線路負載設計方案按10年增長至變壓器85%負載率考慮，配電網(wǎng)年運維費用按照初始投資的1%考慮，項目建設靜態(tài)總投資約122萬元。
電網(wǎng)功能替代性儲能方案為：滿足超出的0.2 MW負荷供電，按照儲能每天滿負荷放電2.5 h，滿足日高峰負荷時長，需要配置儲能容量500 kW·h，功率200 kW，轉(zhuǎn)換效率90%，移動式儲能車造價一臺為50萬元，使用壽命按照10年考慮，年運維費用按照初始投資的0.5%考慮，項目建設靜態(tài)總投資約206萬元。
案例結論分析：2種方案都按照20年進行費用年值測算對比，基準貼現(xiàn)率取4.5%，線路擴容改造設計生命周期內(nèi)費用年值為9萬元，替代性儲能項目系統(tǒng)費用年值為14萬元。案例結果顯示，對于季節(jié)性、臨時性用電負荷地區(qū)供電，僅考慮每年應對季節(jié)性負荷的單一應用場景下，采用替代性儲能項目方案經(jīng)濟性通常不如線路改造。當儲能多使用場景使用時，儲能替代相同規(guī)模電網(wǎng)工程的個數(shù)大于2個，投資替代性儲能項目便具備經(jīng)濟性。當將替代性儲能項目做成移動式儲能車形式時，可應用于多種場景以代替電網(wǎng)工程投資，比如季節(jié)性負荷+春節(jié)返鄉(xiāng)+保電+應急供電+魚塘增氧等。
2）站址和走廊資源緊張場景案例分析。
以某市10 kV電壓等級延緩電網(wǎng)投資建設項目為例，當某城市線路因日尖峰短時負荷過載需進行區(qū)域電網(wǎng)補強，但受線路廊道資源緊張等因素制約，無法及時投運電網(wǎng)工程以保障負荷供應時，考慮先投運儲能設備作為過渡延緩效用。假設每日線路負荷超出1.2 MW的持續(xù)時間為1 h，最大負荷日負荷為1.4 MW，超過線路輸送能力0.2 MW。近期為保障用戶用電需求，優(yōu)先選擇儲能設備作為保障性電源，應用3年后，最大負荷約達到線路輸電容量50%時，通過新建電網(wǎng)工程進行電力保障。尖峰負荷發(fā)展按照年均增長率0.1 MW、時長增長0.5 h考慮。
線路改造方案：當前須解決峰值0.2 MW負荷，按照擴能1條2 km 10 kV電纜、擴容2臺配電變壓器計算，配電網(wǎng)年運維費用按照初始投資的1%考慮，項目建設靜態(tài)投資約226萬元。
電網(wǎng)功能替代性儲能方案（延緩方案）：考慮采用儲能設備解決3年內(nèi)波動負荷問題，當前需解決峰值0.2 MW負荷，為滿足不斷增大的日高峰負荷時長，考慮配置儲能容量200 kW·h（考慮了30%的預測偏差容量需求），功率100 kW，轉(zhuǎn)換效率90%，年運維費用按照初始投資的0.5%考慮，項目建設初始投資約31.5萬元。
案例結論分析：原始線路改造方案中電網(wǎng)改造升級投資費用年值33萬元，延緩周期內(nèi)采用儲能設備方案費用年值4萬元，延緩方案中電網(wǎng)改造升級投資費用年值26萬元。案例結果顯示，對于站址和走廊資源緊張地區(qū)供電，采用儲能方案通常比線路改造方案具有技術經(jīng)濟可行性。隨著延緩年限的增大，所需配置的儲能容量同比增大，將增大儲能初期投資從而降低了儲能方案的經(jīng)濟性。
3）農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源場景案例分析。
選擇河北某村低壓配電網(wǎng)為案例，該村共有4臺公用配變，主變?nèi)萘繛椋?×100+200）kV·A；共有居民160余戶，允許安裝的總裝機容量為306 kW。該配電網(wǎng)算例下分布式光伏接入滲透率比較高，達到135%。
電網(wǎng)改造和安裝儲能都是電網(wǎng)提高分布式新能源接納能力的備選技術措施，具體改造方案需要以總成本最小為目標優(yōu)化確定，這需要對配電網(wǎng)開展穩(wěn)態(tài)分析和運行策略優(yōu)化。采用國網(wǎng)能源院自主設計開發(fā)的配電系統(tǒng)分析和優(yōu)化軟件（DSAP）開展量化分析，如果不進行電網(wǎng)改造和建設儲能，全年8760 h中有764 h存在電壓越限或反向設備過載問題，時段占比為8.7%，需要對分布式光伏發(fā)電出力進行限制，限制電量占比為10.04%。
考慮電網(wǎng)改造和安裝儲能2種措施，不允許限電，開展不同方案的成本投入對比研究，分析結果如表3所示。
表3 儲能減少分布式發(fā)電接入引起的電網(wǎng)改造成本的案例測算
Table 3 Case study of energy storage reducing power grid reconstruction cost caused by distributed generation access
案例結果顯示，對于農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源，建設儲能可以減少電網(wǎng)改造成本。在實際應用中需要對儲能位置、容量以及電網(wǎng)改造策略進行協(xié)同優(yōu)化，不同方案下成本相差較大。從經(jīng)濟性上考慮，儲能選擇時偏向小容量、短時間。
綜合以上典型案例分析，由于中國電力整體處于中速增長階段，配電網(wǎng)設施服役年數(shù)一般在20～30年，按照滿足相同規(guī)模、同等時長負荷供電需求來看，儲能需要更換2次才能達到配電網(wǎng)建設的效果，投資成本較高，因此，新建或擴建輸配電設施仍然是解決負荷供電的主要手段，現(xiàn)階段電網(wǎng)功能替代性儲能技術經(jīng)濟性水平還難以廣泛取代輸變電設施，但在一些特殊場景下，通過技術經(jīng)濟論證可具有一定可行性。
3 電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導機制
電網(wǎng)功能替代性儲能的成本疏導機制整體還處于探索研究階段。
從國外來看，美國和歐洲對包括電網(wǎng)功能替代性儲能在內(nèi)的電網(wǎng)側(cè)儲能的身份認定和監(jiān)管政策還不明晰，成本疏導機制還在實踐探索階段。歐洲電網(wǎng)側(cè)儲能成本疏導機制可劃分為3大類：電網(wǎng)運營商擁有資產(chǎn)并獲得成本定價補償；電網(wǎng)運營商擁有資產(chǎn)并獲得成本定價和電力市場雙重補償；第三方擁有資產(chǎn)并獲得成本定價和電力市場雙重補償。美國加州獨立系統(tǒng)運營商CAISO初步設定了3種電網(wǎng)側(cè)儲能成本疏導機制：通過輸電電費獲得固定的回報；通過輸電電費獲得相對較少的回報，但允許通過電力市場獲取額外的回報；通過輸電電費及電力市場兩個渠道獲取費用，但通過電力市場獲取的回報需要儲能系統(tǒng)所有者和納稅人進行分成。
從中國來看，《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》首次提出“研究探索將電網(wǎng)替代性儲能設施成本收益納入輸配電價回收”?！丁笆奈濉毙滦蛢δ馨l(fā)展實施方案》提出“科學評估新型儲能輸變電設施投資替代效益，探索將電網(wǎng)替代性儲能設施成本收益納入輸配電價回收”。
結合國外采用的成本疏導機制實踐探索以及中國國情，考慮到電網(wǎng)主業(yè)購買儲能服務面臨價格標準難以公允界定、電網(wǎng)功能替代性儲能需要與電網(wǎng)設施統(tǒng)一規(guī)劃等問題，電網(wǎng)功能替代性儲能現(xiàn)階段應暫僅由電網(wǎng)主業(yè)負責投資建設。成本疏導機制可以按照電力市場發(fā)展的不同階段，采用全額納入輸配電價機制、優(yōu)先市場獲益并由輸配電價補齊機制、輸配電價給予固定額度之后參與市場獲益機制，基本概念見圖1。經(jīng)過綜合比選，建議現(xiàn)階段采用全額納入輸配電價回收，不參與電力市場進行獲益，但需要實行“嚴準入、強監(jiān)管”。
圖1 3種電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導機制示意
Fig.1 Three kinds of grid-side functional alternative energy storage cost dredging mechanisms
4 建議
電網(wǎng)功能替代性儲能在新型電力系統(tǒng)構建中將發(fā)揮重要作用，對于該類項目的界定、規(guī)劃、價格機制、監(jiān)管、過程管理、示范建設等方面需要全方位進行規(guī)范，做到物盡其用，發(fā)揮最佳經(jīng)濟社會效益。就電網(wǎng)功能替代性儲能規(guī)范發(fā)展，提出相關政策建議。
1）明確界定范圍和準入標準，制定頂層實施方案。從國家政策層面明確電網(wǎng)功能替代性儲能的定義、應用場景、投資建設主體責任、各環(huán)節(jié)審核責任主體。按照安全第一、穩(wěn)妥推進、依法合規(guī)、效率效益的原則，制定電網(wǎng)功能替代性儲能推進實施方案。
2）將電網(wǎng)功能替代性儲能視為電網(wǎng)重要電氣元件，納入電網(wǎng)規(guī)劃，并與能源電力規(guī)劃銜接。以提升電網(wǎng)輸配電容量和供電質(zhì)量為目標，統(tǒng)籌安排電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展規(guī)模、建設布局、投產(chǎn)時序，納入電網(wǎng)規(guī)劃后，經(jīng)履行認定程序后納入地方能源電力規(guī)劃。
3）加快電網(wǎng)功能替代性儲能價格政策落地，將電網(wǎng)功能替代性儲能成本納入輸配電價回收。將電網(wǎng)功能替代性儲能納入輸配電價核價范圍，計入有效資產(chǎn)，制定認定標準和認定程序，開展投資替代效益評估。
4）強化電網(wǎng)功能替代性儲能準入評估和后評價機制，驗證替代效益。從安全效益、經(jīng)濟效益、社會效益等角度進行綜合衡量，進行科學規(guī)劃和綜合方案比選論證。通過項目實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，開展實施效果評估，支撐核定成本評估。
5）建立健全電網(wǎng)功能替代性儲能管理體系，明確各方責任界面。由電網(wǎng)主業(yè)負責投資建設電網(wǎng)功能替代性儲能項目，經(jīng)履行認定程序并獲準通過納入輸配電價回收成本后，將其納入電網(wǎng)基建投資計劃，按照電網(wǎng)基建項目進行管理，加強統(tǒng)一運維、統(tǒng)一調(diào)度管理，強化全過程安全管理。
6）穩(wěn)妥開展電網(wǎng)功能替代性儲能示范應用。在能夠通過輸配電價疏導的條件下，通過技術經(jīng)濟比較，因地制宜在站址和走廊資源緊張地區(qū)、電網(wǎng)末端、配電網(wǎng)薄弱及新能源高滲透率接入等地區(qū)開展試點建設。在市場建設成熟階段，開展多收益模式機制試點示范。
