摘要 在“雙碳”目標提出的背景下，新能源機組在電力系統中的并網規(guī)模逐步增加；而隨著社會經濟的持續(xù)快速發(fā)展，負荷類型日趨多樣化，負荷需求不斷提高，這就導致電力系統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，系統對靈活性調節(jié)資源的需求不斷提高。儲能技術是提升電網靈活性、優(yōu)化新能源并網友好性的重要手段。提出一種考慮充放電壽命的電化學儲能規(guī)劃配置與運行模擬模型，以及基于精細化生產運行模擬的規(guī)劃方案評估方法，為新型電力系統中受端電網的儲能布局與配置提供了理論支撐。算例表明：加入儲能后，可以降低系統運行成本與溫室氣體排放，顯著提升系統可靠性與新能源消納能力。
1 儲能在電網中的應用與優(yōu)化規(guī)劃方法
電網側儲能電站主要應用于輸配電領域，可以顯著提高新能源的并網友好性，對于優(yōu)化電網備用、提高新能源接入比例、實現靈活調峰調頻等方面意義重大。在電網側配置大規(guī)模集中式儲能電站，可以解決新能源大規(guī)模并網所產生的短時功率不平衡、消納機制不健全等問題，進一步提升電網運行的經濟性與安全性。同時，可以拓展新能源發(fā)展空間，提高電能質量，有助于實現能源系統向低碳發(fā)展的轉型。
1.1 儲能經濟性
儲能的經濟性是決定電網中儲能開發(fā)規(guī)模的重要因素。因此，對于儲能的經濟性評估是當前研究的一個熱點方向。評價儲能系統的經濟效益與儲能電池的壽命、充放電策略、自身特性等多重因素相關。目前國內外的研究通常是構建經濟性最優(yōu)的儲能容量配置模型。文獻[17]提出可應用于分布式儲能和新能源的并網儲能成本分析方法；文獻[18]基于儲能不同的充放電策略針對多個效益主體對投資風險進行評估；文獻[19]指出度電成本的評價適用于削峰填谷的應用場景，可以通過度電成本與峰谷價差的直接對比來判斷儲能投資的經濟效益，并結合大量調研數據計算出當前抽水蓄能電站度電成本約為0.21~0.25元/(kW·h)，可以通過峰谷價差實現套利，而磷酸鐵鋰電池在電化學儲能中雖具有較好的經濟性，其度電成本約為0.6~0.8元/(kW·h)，目前暫不能完全通過峰谷價差實現盈利。
在受端區(qū)域電網中，電網側儲能的收益來源主要包括延緩輸電設備擴容、提升新能源消納、降低網損、減碳這些方面。未來兩年如果對儲能探索出合適且穩(wěn)定的盈利模式，預計在“十四五”規(guī)劃后期的2025年，中國電化學儲能累計裝機投運規(guī)模將達到55.9 GW，以配合實現風、光新能源機組在2025年的裝機目標。
1.2 儲能優(yōu)化規(guī)劃方法
電化學儲能作為系統內優(yōu)質的靈活性資源，現階段由于成本較高，其在電網中應用規(guī)模受限。未來隨著電池成本的降低，電化學儲能在電網的應用將向多樣化與規(guī)模化發(fā)展。合理的電網儲能配置將有助于儲能裝置充分發(fā)揮其靈活調節(jié)能力，對于維持電網安全經濟運行具有重要意義。
電網側儲能配置規(guī)劃中，需要結合電網特性與對儲能的需求來確定規(guī)劃方案。文獻[24]根據蓄電池的運行條件和微網中不同的需求場景提出了3種可以確定儲能容量配置的最小容量法；文獻[23]針對電網側、電源側、用戶側3個方面構建了不同應用場景下的儲能系統容量配置方法；文獻[25]基于電池儲能壽命和新能源出力的不確定性提出儲能優(yōu)化配置方案。
上述文獻對電網中電化學儲能裝置的經濟特性和容量配置方法開展了研究，提出了面向源網荷側各自需求的儲能定容優(yōu)化方法。然而，由于電網側規(guī)?；瘍δ芙尤牍秒娋W，可以由電網公司直接調控，因此電網側規(guī)?；娀瘜W儲能的選址定容對于系統整體的電力電量平衡與安全穩(wěn)定運行極為關鍵，其規(guī)劃方法中應考慮源網協調，并對運行效果進行評價。綜上所述，目前國內外的研究中尚缺乏以電網側規(guī)模化儲能配置與效益評價為核心的規(guī)劃方法。
本文提出了考慮壽命與源網協同的電網側規(guī)?；娀瘜W儲能優(yōu)化規(guī)劃方法，并通過電力系統精細化時序運行模擬方法，結合江蘇電網2025年規(guī)劃算例，評估了配置電網側規(guī)?；娀瘜W儲能的社會與經濟效益，可以為包含新能源的電力系統源網荷儲協同規(guī)劃提供框架與指導。
2 包含儲能的源網協同規(guī)劃模型
考慮源網協同的電網側規(guī)?；瘍δ芤?guī)劃技術路線如圖1所示。本研究所選目標函數為投資運行成本最低。
2.1 目標函數
在一定約束條件下，通過合理的優(yōu)化電源電網投資方案，使得系統在一定時間段內的投資與運行成本最低，因此目標函數為
2.2 約束條件
3 電網側規(guī)?；瘍δ苓\行模擬評估
儲能裝置的運行特性與經濟特性在儲能配置中扮演重要角色。對于電化學儲能來說，由于其具有材料隨使用年限增長而發(fā)生老化的特點，在評估投資經濟性的時候需要結合其特有的充放電壽命特性。
本文將電化學儲能裝置的經濟性與充放電壽命掛鉤，建立了適用于運行模擬的電網側規(guī)?；瘍δ苋芷诮洕匦阅Ｐ?，通過電力系統時序運行模擬技術，實現了對源網協同的電網側規(guī)?；瘍δ芤?guī)劃方案的評估。含電網側儲能的精細化電力系統運行模擬主要包括3個方面。1）新能源電源出力重構；2）電網側規(guī)?；瘍δ苓\行模擬模型；3）含儲能裝置的電力系統運行模擬模型。其流程如圖2所示。
電化學儲能裝置的度電成本與電池壽命高度相關，其經濟特性建模如下。
1）電化學儲能的充放電壽命模型為
4 算例分析
本研究以某江蘇省網的實際數據為例進行實證分析。研究工具為清華大學電機系智慧能源實驗室開發(fā)的電力規(guī)劃決策平臺（GOPT），通過GOPT平臺中的電源電網一體化規(guī)劃模塊與電力系統調度運行仿真模塊，分別完成了考慮儲能裝置壽命的電網側規(guī)?；瘍δ軆?yōu)化規(guī)劃與規(guī)劃方案的效益評估。圖3為電力規(guī)劃決策支持系統架構。
江蘇電網2025年規(guī)劃省內電源1.88億kW，其中風機裝機2 983萬kW，光伏裝機2 482萬kW，區(qū)外電源合計5 893萬kW，系統最大負荷日與最大峰谷差日均出現在2025年7月26日，其中最大負荷為1.59億kW，最大峰谷差為4 258萬kW，全年用電量8450億kW·h。
儲能方面，現有19個電化學儲能電站，共計509.08 MW/954.6 MW·h，分布在6個地市級電網，其中鋰離子電池占比達到95%以上。
4.1 電網側規(guī)模化儲能優(yōu)化配置
以磷酸鐵鋰電池為例，其初始參數設置如表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幺值，變化范圍為0.3~1.0。
儲能成本對其配置的影響如表2所示，從儲能選址來看，當儲能成本較高時，儲能首先選址在大型核電接入處。隨著成本的降低，儲能選址逐步出現在區(qū)外直流接入點及光伏、風電等新能源接入點。因為上述類型電源調節(jié)能力有限，儲能可通過增加電源靈活性來實現經濟效益。從儲能容量配置來看，對于磷酸鐵鋰電池，核電接入地的儲能時長最大，且隨成本降低保持增長趨勢。在成本為0.5 p.u.時，新能源接入地附近儲能時長約為2 h，區(qū)外來電接入地附近儲能時長約為1 h。當成本降至0.4 p.u.時，新能源和區(qū)外來電接入地的儲能時長均有所增加，超過2.5 h。此外還可以看出，磷酸鐵鋰電池儲能成本下降至目前成本的70%后，其在電網側開始大規(guī)模建設。
4.2 包含儲能的電網運行效益評估
以鎮(zhèn)江為例，目前鎮(zhèn)江已建成投運電網側集中式儲能項目8個，總容量101 MW/202 MW·h，總投資7.6億元，每年可以減少煤消耗5 300 t。對比采用電廠投資和電網配套投資方案，節(jié)省約16億元。本文選擇江蘇電網2025年規(guī)劃方案進行電網側儲能規(guī)劃運行的效益分析。
考慮到2025年新增的負荷需求與調峰需求，需要在電網內新增一定量的電源設備保證供需的平衡。本節(jié)內設置了4種預設的規(guī)劃方案。
方案1：基礎方案，即利用傳統火電補充功率缺額；方案2：高比例區(qū)外來電方案，區(qū)外來電占比達到省內電源裝機的36%；方案3：高比例新能源方案，新能源占比達到省內電源的35%，包含已建儲能509 MW；方案4：新能源搭配儲能方案，規(guī)?；瘍δ?500 MW。
本節(jié)涉及的效益分析將在這4個規(guī)劃方案的基礎上展開。表3中列出了4種預設規(guī)劃方案的電源結構。
經過電力系統調度運行仿真后，可以得到4種預設規(guī)劃方案的經濟與社會效益指標，如表4所示。
從表4中可以對比4種預設規(guī)劃方案在可靠性、新能源消納能力、運行成本等方面的指標?？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由于調峰燃機相較于方案1減少，其棄風棄光量大于方案1；運行成本方面，由于新能源機組不考慮可變運行費用，因此就運行成本來說，方案3所需的花費顯著低于方案1、2。
方案4在方案3的基礎上加入了大規(guī)模的儲能裝置，顯著提升了系統的可靠性與新能源消納能力；而從運行成本來看，方案4的運行成本也顯著低于方案1、2。
圖4為儲能容量與CO2、SO2、氮氧化物3種氣體排放量的關系，可以看出，隨著儲能容量的增加，CO2、SO2和氮氧化物氣體的排放量總體上呈遞減的趨勢，儲能從509 MW增加到5 000 MW，CO2排放量降低了約70萬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 結論
本文提出了一種考慮儲能壽命的電網側規(guī)?；娀瘜W儲能的優(yōu)化規(guī)劃方法，并以江蘇電網實際數據為算例，通過電力系統時序運行模擬技術分析了合理配置儲能裝置的社會和經濟效益，得到以下結論。
1）儲能裝置的壽命由電池技術和充放電策略決定，并對其并網經濟性有直接影響，在規(guī)劃中考慮儲能裝置的壽命，可以在現階段電池技術無法取得突破性進展的時期，通過合理的儲能配置，更好地指導相關投資，通過良好的經濟效益促進儲能產業(yè)的發(fā)展。
2）儲能裝置在包含新能源的電力系統中可以提升系統的新能源消納水平與可靠性，降低系統運行成本與溫室氣體排放，是以新能源為主的新型電力系統中的關鍵技術。
3）電化學儲能裝置響應快，能量密度與功率密度高，部署在電網側可以發(fā)揮雙向潮流的特性，參與電力系統中的電力電量平衡，為電網提供靈活性，在提供調峰調頻等輔助服務、延緩電網升級方面具有重要意義。
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有規(guī)劃方法中加入安全性約束，從而能夠統籌平衡與安全，更全面地指導電網側電化學儲能的規(guī)?；渲谩?
注：本文內容呈現略有調整，如需要請查看原文。
