摘要 在“雙碳”目標(biāo)提出的背景下，新能源機(jī)組在電力系統(tǒng)中的并網(wǎng)規(guī)模逐步增加；而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，負(fù)荷類型日趨多樣化，負(fù)荷需求不斷提高，這就導(dǎo)致電力系統(tǒng)中源荷兩端出力與用能的不確定性與不匹配性特征愈發(fā)明顯，系統(tǒng)對(duì)靈活性調(diào)節(jié)資源的需求不斷提高。儲(chǔ)能技術(shù)是提升電網(wǎng)靈活性、優(yōu)化新能源并網(wǎng)友好性的重要手段。提出一種考慮充放電壽命的電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)劃配置與運(yùn)行模擬模型，以及基于精細(xì)化生產(chǎn)運(yùn)行模擬的規(guī)劃方案評(píng)估方法，為新型電力系統(tǒng)中受端電網(wǎng)的儲(chǔ)能布局與配置提供了理論支撐。算例表明：加入儲(chǔ)能后，可以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本與溫室氣體排放，顯著提升系統(tǒng)可靠性與新能源消納能力。
1 儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的應(yīng)用與優(yōu)化規(guī)劃方法
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站主要應(yīng)用于輸配電領(lǐng)域，可以顯著提高新能源的并網(wǎng)友好性，對(duì)于優(yōu)化電網(wǎng)備用、提高新能源接入比例、實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)峰調(diào)頻等方面意義重大。在電網(wǎng)側(cè)配置大規(guī)模集中式儲(chǔ)能電站，可以解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)所產(chǎn)生的短時(shí)功率不平衡、消納機(jī)制不健全等問(wèn)題，進(jìn)一步提升電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。同時(shí)，可以拓展新能源發(fā)展空間，提高電能質(zhì)量，有助于實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)向低碳發(fā)展的轉(zhuǎn)型。
1.1 儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性
儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性是決定電網(wǎng)中儲(chǔ)能開發(fā)規(guī)模的重要因素。因此，對(duì)于儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與儲(chǔ)能電池的壽命、充放電策略、自身特性等多重因素相關(guān)。目前國(guó)內(nèi)外的研究通常是構(gòu)建經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的儲(chǔ)能容量配置模型。文獻(xiàn)[17]提出可應(yīng)用于分布式儲(chǔ)能和新能源的并網(wǎng)儲(chǔ)能成本分析方法；文獻(xiàn)[18]基于儲(chǔ)能不同的充放電策略針對(duì)多個(gè)效益主體對(duì)投資風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[19]指出度電成本的評(píng)價(jià)適用于削峰填谷的應(yīng)用場(chǎng)景，可以通過(guò)度電成本與峰谷價(jià)差的直接對(duì)比來(lái)判斷儲(chǔ)能投資的經(jīng)濟(jì)效益，并結(jié)合大量調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前抽水蓄能電站度電成本約為0.21~0.25元/(kW·h)，可以通過(guò)峰谷價(jià)差實(shí)現(xiàn)套利，而磷酸鐵鋰電池在電化學(xué)儲(chǔ)能中雖具有較好的經(jīng)濟(jì)性，其度電成本約為0.6~0.8元/(kW·h)，目前暫不能完全通過(guò)峰谷價(jià)差實(shí)現(xiàn)盈利。
在受端區(qū)域電網(wǎng)中，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的收益來(lái)源主要包括延緩輸電設(shè)備擴(kuò)容、提升新能源消納、降低網(wǎng)損、減碳這些方面。未來(lái)兩年如果對(duì)儲(chǔ)能探索出合適且穩(wěn)定的盈利模式，預(yù)計(jì)在“十四五”規(guī)劃后期的2025年，中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)投運(yùn)規(guī)模將達(dá)到55.9 GW，以配合實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光新能源機(jī)組在2025年的裝機(jī)目標(biāo)。
1.2 儲(chǔ)能優(yōu)化規(guī)劃方法
電化學(xué)儲(chǔ)能作為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的靈活性資源，現(xiàn)階段由于成本較高，其在電網(wǎng)中應(yīng)用規(guī)模受限。未來(lái)隨著電池成本的降低，電化學(xué)儲(chǔ)能在電網(wǎng)的應(yīng)用將向多樣化與規(guī)?；l(fā)展。合理的電網(wǎng)儲(chǔ)能配置將有助于儲(chǔ)能裝置充分發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)能力，對(duì)于維持電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能配置規(guī)劃中，需要結(jié)合電網(wǎng)特性與對(duì)儲(chǔ)能的需求來(lái)確定規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[24]根據(jù)蓄電池的運(yùn)行條件和微網(wǎng)中不同的需求場(chǎng)景提出了3種可以確定儲(chǔ)能容量配置的最小容量法；文獻(xiàn)[23]針對(duì)電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、用戶側(cè)3個(gè)方面構(gòu)建了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法；文獻(xiàn)[25]基于電池儲(chǔ)能壽命和新能源出力的不確定性提出儲(chǔ)能優(yōu)化配置方案。
上述文獻(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)特性和容量配置方法開展了研究，提出了面向源網(wǎng)荷側(cè)各自需求的儲(chǔ)能定容優(yōu)化方法。然而，由于電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能接入公用電網(wǎng)，可以由電網(wǎng)公司直接調(diào)控，因此電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；娀瘜W(xué)儲(chǔ)能的選址定容對(duì)于系統(tǒng)整體的電力電量平衡與安全穩(wěn)定運(yùn)行極為關(guān)鍵，其規(guī)劃方法中應(yīng)考慮源網(wǎng)協(xié)調(diào)，并對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外的研究中尚缺乏以電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能配置與效益評(píng)價(jià)為核心的規(guī)劃方法。
本文提出了考慮壽命與源網(wǎng)協(xié)同的電網(wǎng)側(cè)規(guī)模化電化學(xué)儲(chǔ)能優(yōu)化規(guī)劃方法，并通過(guò)電力系統(tǒng)精細(xì)化時(shí)序運(yùn)行模擬方法，結(jié)合江蘇電網(wǎng)2025年規(guī)劃算例，評(píng)估了配置電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；娀瘜W(xué)儲(chǔ)能的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，可以為包含新能源的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃提供框架與指導(dǎo)。
2 包含儲(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型
考慮源網(wǎng)協(xié)同的電網(wǎng)側(cè)規(guī)模化儲(chǔ)能規(guī)劃技術(shù)路線如圖1所示。本研究所選目標(biāo)函數(shù)為投資運(yùn)行成本最低。
2.1 目標(biāo)函數(shù)
在一定約束條件下，通過(guò)合理的優(yōu)化電源電網(wǎng)投資方案，使得系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)的投資與運(yùn)行成本最低，因此目標(biāo)函數(shù)為
2.2 約束條件
3 電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能運(yùn)行模擬評(píng)估
儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行特性與經(jīng)濟(jì)特性在儲(chǔ)能配置中扮演重要角色。對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，由于其具有材料隨使用年限增長(zhǎng)而發(fā)生老化的特點(diǎn)，在評(píng)估投資經(jīng)濟(jì)性的時(shí)候需要結(jié)合其特有的充放電壽命特性。
本文將電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)性與充放電壽命掛鉤，建立了適用于運(yùn)行模擬的電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能全生命周期經(jīng)濟(jì)特性模型，通過(guò)電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)源網(wǎng)協(xié)同的電網(wǎng)側(cè)規(guī)模化儲(chǔ)能規(guī)劃方案的評(píng)估。含電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的精細(xì)化電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬主要包括3個(gè)方面。1）新能源電源出力重構(gòu)；2）電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能運(yùn)行模擬模型；3）含儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬模型。其流程如圖2所示。
電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的度電成本與電池壽命高度相關(guān)，其經(jīng)濟(jì)特性建模如下。
1）電化學(xué)儲(chǔ)能的充放電壽命模型為
4 算例分析
本研究以某江蘇省網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)證分析。研究工具為清華大學(xué)電機(jī)系智慧能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電力規(guī)劃決策平臺(tái)（GOPT），通過(guò)GOPT平臺(tái)中的電源電網(wǎng)一體化規(guī)劃模塊與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行仿真模塊，分別完成了考慮儲(chǔ)能裝置壽命的電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能優(yōu)化規(guī)劃與規(guī)劃方案的效益評(píng)估。圖3為電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)架構(gòu)。
江蘇電網(wǎng)2025年規(guī)劃省內(nèi)電源1.88億kW，其中風(fēng)機(jī)裝機(jī)2 983萬(wàn)kW，光伏裝機(jī)2 482萬(wàn)kW，區(qū)外電源合計(jì)5 893萬(wàn)kW，系統(tǒng)最大負(fù)荷日與最大峰谷差日均出現(xiàn)在2025年7月26日，其中最大負(fù)荷為1.59億kW，最大峰谷差為4 258萬(wàn)kW，全年用電量8450億kW·h。
儲(chǔ)能方面，現(xiàn)有19個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站，共計(jì)509.08 MW/954.6 MW·h，分布在6個(gè)地市級(jí)電網(wǎng)，其中鋰離子電池占比達(dá)到95%以上。
4.1 電網(wǎng)側(cè)規(guī)?；瘍?chǔ)能優(yōu)化配置
以磷酸鐵鋰電池為例，其初始參數(shù)設(shè)置如表1所示。為便于分析，磷酸鐵鋰電池的功率成本與能量成本都采用標(biāo)幺值，變化范圍為0.3~1.0。
儲(chǔ)能成本對(duì)其配置的影響如表2所示，從儲(chǔ)能選址來(lái)看，當(dāng)儲(chǔ)能成本較高時(shí)，儲(chǔ)能首先選址在大型核電接入處。隨著成本的降低，儲(chǔ)能選址逐步出現(xiàn)在區(qū)外直流接入點(diǎn)及光伏、風(fēng)電等新能源接入點(diǎn)。因?yàn)樯鲜鲱愋碗娫凑{(diào)節(jié)能力有限，儲(chǔ)能可通過(guò)增加電源靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。從儲(chǔ)能容量配置來(lái)看，對(duì)于磷酸鐵鋰電池，核電接入地的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)最大，且隨成本降低保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。在成本為0.5 p.u.時(shí)，新能源接入地附近儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)約為2 h，區(qū)外來(lái)電接入地附近儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)約為1 h。當(dāng)成本降至0.4 p.u.時(shí)，新能源和區(qū)外來(lái)電接入地的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)均有所增加，超過(guò)2.5 h。此外還可以看出，磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能成本下降至目前成本的70%后，其在電網(wǎng)側(cè)開始大規(guī)模建設(shè)。
4.2 包含儲(chǔ)能的電網(wǎng)運(yùn)行效益評(píng)估
以鎮(zhèn)江為例，目前鎮(zhèn)江已建成投運(yùn)電網(wǎng)側(cè)集中式儲(chǔ)能項(xiàng)目8個(gè)，總?cè)萘?01 MW/202 MW·h，總投資7.6億元，每年可以減少煤消耗5 300 t。對(duì)比采用電廠投資和電網(wǎng)配套投資方案，節(jié)省約16億元。本文選擇江蘇電網(wǎng)2025年規(guī)劃方案進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃運(yùn)行的效益分析。
考慮到2025年新增的負(fù)荷需求與調(diào)峰需求，需要在電網(wǎng)內(nèi)新增一定量的電源設(shè)備保證供需的平衡。本節(jié)內(nèi)設(shè)置了4種預(yù)設(shè)的規(guī)劃方案。
方案1：基礎(chǔ)方案，即利用傳統(tǒng)火電補(bǔ)充功率缺額；方案2：高比例區(qū)外來(lái)電方案，區(qū)外來(lái)電占比達(dá)到省內(nèi)電源裝機(jī)的36%；方案3：高比例新能源方案，新能源占比達(dá)到省內(nèi)電源的35%，包含已建儲(chǔ)能509 MW；方案4：新能源搭配儲(chǔ)能方案，規(guī)?；瘍?chǔ)能5500 MW。
本節(jié)涉及的效益分析將在這4個(gè)規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上展開。表3中列出了4種預(yù)設(shè)規(guī)劃方案的電源結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過(guò)電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行仿真后，可以得到4種預(yù)設(shè)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益指標(biāo)，如表4所示。
從表4中可以對(duì)比4種預(yù)設(shè)規(guī)劃方案在可靠性、新能源消納能力、運(yùn)行成本等方面的指標(biāo)?？煽啃苑矫?，鑒于新能源受季節(jié)特性和天氣的影響，其出力具有明顯的間歇性和隨機(jī)性，方案3與方案1、2相比可靠性最低；新能源消納能力方面，方案3的新能源棄用率明顯高于方案1、2，而方案2由于調(diào)峰燃機(jī)相較于方案1減少，其棄風(fēng)棄光量大于方案1；運(yùn)行成本方面，由于新能源機(jī)組不考慮可變運(yùn)行費(fèi)用，因此就運(yùn)行成本來(lái)說(shuō)，方案3所需的花費(fèi)顯著低于方案1、2。
方案4在方案3的基礎(chǔ)上加入了大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性與新能源消納能力；而從運(yùn)行成本來(lái)看，方案4的運(yùn)行成本也顯著低于方案1、2。
圖4為儲(chǔ)能容量與CO2、SO2、氮氧化物3種氣體排放量的關(guān)系，可以看出，隨著儲(chǔ)能容量的增加，CO2、SO2和氮氧化物氣體的排放量總體上呈遞減的趨勢(shì)，儲(chǔ)能從509 MW增加到5 000 MW，CO2排放量降低了約70萬(wàn)t，SO2排放量降低了約400 t，氮氧化物排放量降低了約600 t。
5 結(jié)論
本文提出了一種考慮儲(chǔ)能壽命的電網(wǎng)側(cè)規(guī)模化電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)化規(guī)劃方法，并以江蘇電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)為算例，通過(guò)電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬技術(shù)分析了合理配置儲(chǔ)能裝置的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，得到以下結(jié)論。
1）儲(chǔ)能裝置的壽命由電池技術(shù)和充放電策略決定，并對(duì)其并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性有直接影響，在規(guī)劃中考慮儲(chǔ)能裝置的壽命，可以在現(xiàn)階段電池技術(shù)無(wú)法取得突破性進(jìn)展的時(shí)期，通過(guò)合理的儲(chǔ)能配置，更好地指導(dǎo)相關(guān)投資，通過(guò)良好的經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2）儲(chǔ)能裝置在包含新能源的電力系統(tǒng)中可以提升系統(tǒng)的新能源消納水平與可靠性，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本與溫室氣體排放，是以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。
3）電化學(xué)儲(chǔ)能裝置響應(yīng)快，能量密度與功率密度高，部署在電網(wǎng)側(cè)可以發(fā)揮雙向潮流的特性，參與電力系統(tǒng)中的電力電量平衡，為電網(wǎng)提供靈活性，在提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)、延緩電網(wǎng)升級(jí)方面具有重要意義。
本文所提出的規(guī)劃方法基于電力電量平衡原則，暫未考慮安全性約束。后續(xù)工作中將研究如何在現(xiàn)有規(guī)劃方法中加入安全性約束，從而能夠統(tǒng)籌平衡與安全，更全面地指導(dǎo)電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)?；渲谩?
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