新能源集中并網(wǎng)下大規(guī)模集中式儲(chǔ)能規(guī)劃研究述評(píng)
古宸嘉, 王建學(xué), 李清濤, 張耀
（陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)能的規(guī)模化應(yīng)用有利于提升系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性及安全性。然而，當(dāng)前綜述多是側(cè)重于對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)歸納總結(jié)，很少對(duì)儲(chǔ)能規(guī)劃方法，特別是大規(guī)模儲(chǔ)能在源-網(wǎng)側(cè)配置方法進(jìn)行全面的梳理。因此，首先對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，并分析儲(chǔ)能的引入對(duì)規(guī)劃問題建模的影響；然后，分別從大規(guī)模儲(chǔ)能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃以及考慮大規(guī)模儲(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃兩個(gè)方面展開論述；最后，探討當(dāng)前大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃的重點(diǎn)問題，并對(duì)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(chǔ)能規(guī)劃研究述評(píng)[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(fèi)飛速增長(zhǎng)，以及煤炭、石油、天然氣等化石燃料的大量使用對(duì)環(huán)境帶來的污染加劇，人類社會(huì)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(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)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(shì)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(jī)組，新能源機(jī)組出力存在著嚴(yán)重的波動(dòng)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(xiǎn)；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(duì)新能源出力與負(fù)荷需求不匹配的難題。這些都會(huì)阻礙并網(wǎng)新能源裝機(jī)容量的有效利用，一方面，會(huì)導(dǎo)致投入的資本發(fā)生嚴(yán)重的浪費(fèi)及損失；另一方面，也會(huì)更為長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)。
針對(duì)此類問題，儲(chǔ)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(chǔ)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?chǔ)能在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)將成為解決新能源消納難題的可靠方案。儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間尺度下風(fēng)電和負(fù)荷之間的時(shí)序不匹配現(xiàn)象，而足夠大的電力則允許其能對(duì)短期內(nèi)大功率幅值波動(dòng)做出快速響應(yīng)。在大規(guī)模新能源接入的背景下，規(guī)?；瘍?chǔ)能可以更好地平抑新能源的時(shí)序波動(dòng)并實(shí)現(xiàn)其電量的時(shí)間轉(zhuǎn)移[4]，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性?，F(xiàn)今，國內(nèi)各項(xiàng)大規(guī)模儲(chǔ)能示范性項(xiàng)目陸續(xù)開展，僅2020年就投運(yùn)或開工了多個(gè)“首個(gè)”示范項(xiàng)目，如福建晉江百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目、遼寧大連由國家能源局批準(zhǔn)的首個(gè)大型電化學(xué)儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目以及浙江湖州全國首座鉛碳式電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目等，標(biāo)志著大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展已步入嶄新的階段。
然而，即使儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)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(duì)性的規(guī)劃方法才能保證儲(chǔ)能部署的經(jīng)濟(jì)性及合理性。然而，當(dāng)前綜述更多關(guān)注對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景的歸納總結(jié)，很少對(duì)儲(chǔ)能規(guī)劃方法，特別是大規(guī)模儲(chǔ)能在源-網(wǎng)側(cè)配置方法進(jìn)行全面的梳理。
本文對(duì)新能源集中并網(wǎng)下的大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)能接入電力系統(tǒng)的不同功用，并探討其對(duì)規(guī)劃問題建模及求解的影響；然后，論述大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能規(guī)劃的重點(diǎn)問題并對(duì)其前景做出展望。
1 大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能容量及響應(yīng)速度的不同，儲(chǔ)能裝置可以分為能量型儲(chǔ)能及功率型儲(chǔ)能；另一方面，根據(jù)能量存儲(chǔ)對(duì)象的不同，儲(chǔ)能裝置可以分為電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能以及熱儲(chǔ)能等，這些儲(chǔ)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(chǔ)對(duì)象的能量型儲(chǔ)能已在電力系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)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(chǔ)能主要作用于源網(wǎng)端[5]，而小容量分布式儲(chǔ)能則作用于用戶端[6]，本文著重闡述大規(guī)模集中式儲(chǔ)能的研究。因此，若無特殊說明，本文儲(chǔ)能特指的是大規(guī)模集中式能量型電儲(chǔ)能。
目前，規(guī)?；瘍?chǔ)能主要以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及大容量電池儲(chǔ)能為代表。本文基于大規(guī)模儲(chǔ)能典型應(yīng)用場(chǎng)景，探究其對(duì)系統(tǒng)各類運(yùn)行特性的提升以及對(duì)實(shí)際規(guī)劃模型構(gòu)建的影響。
1.1 儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景分析
大規(guī)模儲(chǔ)能在提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、靈活性的提升作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）系統(tǒng)削峰填谷[8-10]。儲(chǔ)能具有能量轉(zhuǎn)移特性，可將新能源峰值出力時(shí)段的電量轉(zhuǎn)移至新能源谷值出力時(shí)段，從一定程度上降低源荷時(shí)序不匹配帶來的系統(tǒng)峰谷差。（2）平抑新能源出力波動(dòng)[11-13]。相較于常規(guī)發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)能具備快速爬坡能力，可以充分應(yīng)對(duì)新能源瞬時(shí)波動(dòng)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(chǔ)能具有電力和電量的雙重優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)組投建，從而節(jié)省不必要開支，提升系統(tǒng)整體效益。
儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)可靠性、彈性的提升作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）提供旋轉(zhuǎn)備用[18-20]。相較于常規(guī)機(jī)組，儲(chǔ)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(dòng)等電能質(zhì)量問題的關(guān)鍵在于短時(shí)功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而儲(chǔ)能元件秒級(jí)乃至毫秒級(jí)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力正好與此需求匹配。（3）黑啟動(dòng)[24-25]。儲(chǔ)能裝置具有啟動(dòng)時(shí)間短、自身儲(chǔ)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(dòng)電源。
1.2 儲(chǔ)能對(duì)規(guī)劃問題模型構(gòu)建的影響
1.2.1 儲(chǔ)能規(guī)劃目標(biāo)構(gòu)建
通過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǔ)能及其他各類型系統(tǒng)設(shè)備的投資和運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)，即通過合理規(guī)劃儲(chǔ)能，使儲(chǔ)能投建成本與儲(chǔ)能運(yùn)行效益達(dá)到均衡。這使得儲(chǔ)能規(guī)劃方案得以充分發(fā)揮儲(chǔ)能在提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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
除了式（1）中常見目標(biāo)函數(shù)的分項(xiàng)，也可以通過設(shè)計(jì)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(chǔ)能規(guī)劃問題優(yōu)化目標(biāo)，從而更有針對(duì)性地分析儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)可靠性/彈性提升作用。如在文獻(xiàn)[27]中，即針對(duì)電力負(fù)荷以及非黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)出“可接入容量”指標(biāo)，用以評(píng)估在極端場(chǎng)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(duì)系統(tǒng)彈性提升最大的儲(chǔ)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(jì)出可靠性指標(biāo)，并在儲(chǔ)能優(yōu)化配置問題的目標(biāo)函數(shù)中加以考慮。
1.2.2 儲(chǔ)能復(fù)雜運(yùn)行約束對(duì)規(guī)劃問題求解的影響
在規(guī)劃問題中針對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行建模時(shí)，由于儲(chǔ)能自身異于常規(guī)電源的特性，會(huì)對(duì)規(guī)劃問題產(chǎn)生如下影響。
（1）儲(chǔ)能設(shè)備具有電能的時(shí)序轉(zhuǎn)移特性，可以實(shí)現(xiàn)新能源出力電量在時(shí)序上的轉(zhuǎn)移變換。因此，需要在規(guī)劃問題中嵌套運(yùn)行模型，以綜合考慮包含儲(chǔ)能設(shè)備在內(nèi)的多種元件的聯(lián)合運(yùn)行特性[29]。然而儲(chǔ)能及其他機(jī)組的運(yùn)行約束，特別是儲(chǔ)能荷電狀態(tài)與充放電功率時(shí)序耦合約束等復(fù)雜約束的引入，會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃問題的維度擴(kuò)大，模型復(fù)雜度大為增加。
（2）儲(chǔ)能設(shè)備可以持續(xù)存儲(chǔ)電量，可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的“套利”，即將發(fā)電成本低時(shí)段的電量轉(zhuǎn)到發(fā)電成本高的時(shí)段。從這個(gè)角度分析，規(guī)劃建設(shè)的儲(chǔ)能可以在一定程度上減少運(yùn)行費(fèi)用。因此，可以在目標(biāo)函數(shù)中綜合考慮投資和運(yùn)行成本，以選取相應(yīng)的最優(yōu)方案實(shí)現(xiàn)成本的進(jìn)一步降低。此時(shí)投資決策和運(yùn)行優(yōu)化耦合關(guān)系會(huì)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(chǔ)能裝置的投建變量設(shè)為整數(shù)變量，且其運(yùn)行時(shí)的充放電狀態(tài)由0-1變量表征，則會(huì)在儲(chǔ)能最大充放電功率約束中引入非線性項(xiàng)，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(chǔ)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(duì)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(duì)一系列文獻(xiàn)綜述與歸納，本文提煉的大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃框架如圖1所示。
圖1 大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃框架
Fig.1 Framework of large-scale energy storage planning
2 大規(guī)模儲(chǔ)能源側(cè)/網(wǎng)側(cè)規(guī)劃方法
大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)能電站投建地點(diǎn)，投建類型及投建容量。表1給出了儲(chǔ)能規(guī)劃研究總結(jié)和對(duì)比。在新能源隨機(jī)性的刻畫方面，文獻(xiàn)多是采用了基于場(chǎng)景的隨機(jī)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(jì)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(chǔ)能選址定容優(yōu)化問題。
表1 源側(cè)/網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)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(chǔ)能規(guī)劃實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能設(shè)備及其他系統(tǒng)元件的精細(xì)化建模，使得對(duì)物理系統(tǒng)特性的刻畫更能貼合實(shí)際，從而更為切實(shí)地制定了儲(chǔ)能配置需求，提升了資源的配置效率。本文將從電源側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃以及電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃兩類分別進(jìn)行闡述。
2.1 電源側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃
電源側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃側(cè)重于廠站級(jí)或者區(qū)域級(jí)規(guī)劃，其研究的關(guān)注點(diǎn)在于儲(chǔ)能對(duì)區(qū)域內(nèi)靈活性的提升以及對(duì)應(yīng)外部特性的改善，通常不計(jì)及網(wǎng)架的影響。通過對(duì)儲(chǔ)能在電源側(cè)單點(diǎn)的配置容量以及運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使儲(chǔ)能與各類電源得以協(xié)調(diào)互補(bǔ)運(yùn)行。同時(shí)，從發(fā)電公司的角度出發(fā)，結(jié)合自身需求進(jìn)行儲(chǔ)能容量?jī)?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(chǔ)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(chǔ)能主要作用是提升常規(guī)發(fā)電機(jī)組的靈活性，更偏重設(shè)備改造升級(jí)，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(chǔ)能的投建主要取決于以下幾個(gè)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(chǔ)能配置進(jìn)而參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，可以獲得相應(yīng)的較高收益。（2）輔助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)則設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益主要取決于輔助服務(wù)市場(chǎng)政策及所制定的規(guī)則，隨著輔助服務(wù)市場(chǎng)的逐步建設(shè)及完善，將會(huì)給儲(chǔ)能創(chuàng)造更多價(jià)值增值的機(jī)會(huì)。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(chǎng)，因此儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)效益并不顯著。儲(chǔ)能主要還是參與到常規(guī)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)升級(jí)上，如文獻(xiàn)[31]即建立了以輔助單臺(tái)火電機(jī)組AGC調(diào)頻為目標(biāo)的儲(chǔ)能雙層規(guī)劃方法。
新能源側(cè)配置儲(chǔ)能是當(dāng)前的熱點(diǎn)，中國多個(gè)省區(qū)（比如山西、新疆）相繼出臺(tái)相關(guān)文件要求光伏、風(fēng)電等新能源電站加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，占比在5%~20%不等。儲(chǔ)能在向“市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。電源側(cè)儲(chǔ)能配置，即是從系統(tǒng)資源聯(lián)合優(yōu)化角度，分析儲(chǔ)能對(duì)新能源場(chǎng)站各類運(yùn)行指標(biāo)以及系統(tǒng)運(yùn)行效益的提升，以優(yōu)化決策出儲(chǔ)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(chǔ)能與風(fēng)火系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃優(yōu)化。文獻(xiàn)[32]實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站與火電及風(fēng)電聯(lián)合優(yōu)化配置及運(yùn)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(chǔ)能配置實(shí)現(xiàn)了風(fēng)/柴系統(tǒng)的成本效益最優(yōu)。
同時(shí)，相較于傳統(tǒng)新能源單獨(dú)配置，儲(chǔ)能參與的新型“新能源+”模式可以有效利用資源的互補(bǔ)特性，避免能源浪費(fèi)及設(shè)備利用率低等問題，從而更好地實(shí)現(xiàn)源端多能互補(bǔ)體系的構(gòu)建。目前，風(fēng)-光-儲(chǔ)、風(fēng)-光-水-儲(chǔ)、風(fēng)-光-熱-儲(chǔ)互補(bǔ)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(bǔ)利用的新范式[34]。如文獻(xiàn)[35]即以張家口地區(qū)的實(shí)際風(fēng)光電站為對(duì)象，通過研究不同類型儲(chǔ)能混合優(yōu)化配置方案的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)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(bǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(bǔ)復(fù)合電站。在實(shí)際工程方面，中國已開展并建成多項(xiàng)多能互補(bǔ)示范工程項(xiàng)目，如魯能海西州多能互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了純清潔能源多能互補(bǔ)高效利用。
儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能投資的功效最優(yōu)化。其中部分研究在電源側(cè)儲(chǔ)能充放電策略的優(yōu)化決策的基礎(chǔ)上，探究了儲(chǔ)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(chǔ)能充放電控制策略，實(shí)現(xiàn)了電功率波動(dòng)平抑的同時(shí)避免了儲(chǔ)能壽命的過度折損；文獻(xiàn)[39]實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能充放電控制策略的優(yōu)化，并將其整合入儲(chǔ)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(chǔ)能典型應(yīng)用場(chǎng)景及運(yùn)行策略的歸納分析，形成了一套“經(jīng)驗(yàn)化”的儲(chǔ)能快速定容方法。文獻(xiàn)[40]構(gòu)建了電池儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能的最佳配比，以此提出了在給定凈負(fù)荷曲線情況下儲(chǔ)能實(shí)用化配置方法。
上述研究更多地計(jì)及了儲(chǔ)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(chǔ)能的成本較高，即使在投資儲(chǔ)能后可以減少棄風(fēng)棄光量，但是其投資回報(bào)率較低，發(fā)電公司主動(dòng)配套儲(chǔ)能的積極性不強(qiáng)，僅對(duì)部分上網(wǎng)電價(jià)較高的新能源項(xiàng)目具有一定的吸引力。未來，可以通過一系列政策（比如加強(qiáng)輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)、在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中加大出力偏差考核），來推動(dòng)新能源側(cè)配套儲(chǔ)能的建設(shè)。
總之，電源側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃更加側(cè)重于等效單節(jié)點(diǎn)的容量規(guī)劃，主要解決了儲(chǔ)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(jī)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(shí)現(xiàn)了源側(cè)的多能互補(bǔ)配置。由于該部分研究更聚焦于儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)能規(guī)劃
相較于電源側(cè)儲(chǔ)能的配置，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃，主要是從系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)公司的角度出發(fā)，目的是確定儲(chǔ)能設(shè)備的最優(yōu)位置及容量，最大限度發(fā)揮儲(chǔ)能削峰填谷和改善電網(wǎng)線路阻塞等能力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能投建的社會(huì)效益最大化。
2.2.1 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)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(chǔ)能規(guī)劃，其實(shí)際效果很大程度上依賴于對(duì)新能源不確定性的刻畫精度。在規(guī)劃過程中充分評(píng)估與衡量多種不同新能源出力場(chǎng)景下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，可以很好地模擬與還原真實(shí)情況。然而，這會(huì)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(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)能規(guī)劃模型。其中，前者側(cè)重于儲(chǔ)能選址，而后者關(guān)注于儲(chǔ)能定容。文獻(xiàn)[44]計(jì)及了運(yùn)行中的阻塞成本，從而在模型中引入了非線性項(xiàng)，致使模型求解復(fù)雜程度增加，因而僅解決了儲(chǔ)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(duì)象，研究了直流電網(wǎng)儲(chǔ)能的容量配置方法，并對(duì)模型重構(gòu)以保障問題可靠求解。
實(shí)際上，對(duì)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效用的最大化，最終還是取決于儲(chǔ)能的合理選型定容，以及適當(dāng)?shù)亩帱c(diǎn)布局。同樣的儲(chǔ)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(chǔ)能容量也不盡相同。因此，部分研究致力于優(yōu)化儲(chǔ)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(yùn)行成本之和最小為目標(biāo)，建立了兼顧儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)選址及定容的兩階段儲(chǔ)能隨機(jī)規(guī)劃模型。在優(yōu)化選址定容的基礎(chǔ)上，選取適用的儲(chǔ)能類型可以更好地提升儲(chǔ)能運(yùn)行的實(shí)際效果。文獻(xiàn)[48]提出同時(shí)部署“能量密集型”與“電量密集型”儲(chǔ)能，可以顯著提高電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃的社會(huì)效益。
因此，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的規(guī)劃，不僅要優(yōu)化選址定容，更需要計(jì)及不同類型儲(chǔ)能設(shè)備所具有的不同運(yùn)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(shí)間尺度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的合理選型。
2.2.2 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的模型框架及求解方法
相較于電源側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)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(duì)較大。因此，需要定制化設(shè)計(jì)出配套的優(yōu)化框架或方法，以實(shí)現(xiàn)模型的解耦及問題簡(jiǎn)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(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間尺度規(guī)劃問題主要決定了儲(chǔ)能的選址定容，而內(nèi)層則在短時(shí)間尺度上評(píng)估了儲(chǔ)能參與實(shí)際運(yùn)行的效果，由此交替迭代實(shí)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(yùn)行問題乃至其他多階段問題，使其符合分解算法所對(duì)應(yīng)的特殊數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[50]提出了三階段儲(chǔ)能優(yōu)化模型，通過在3個(gè)階段逐次考慮儲(chǔ)能的選址、定容以及運(yùn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)能裝置按照充放電狀態(tài)分別等效為負(fù)荷或發(fā)電機(jī)，使得整個(gè)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(kuò)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(yùn)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(chǔ)能規(guī)劃方案兼顧了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。文獻(xiàn)[54]提出了基于多時(shí)段最優(yōu)潮流的儲(chǔ)能規(guī)劃方法，克服了單時(shí)段最優(yōu)潮流難以刻畫儲(chǔ)能時(shí)序耦合運(yùn)行特點(diǎn)的問題。
考慮到不同物理特性的儲(chǔ)能在系統(tǒng)中多點(diǎn)部署會(huì)帶來迥異的效果，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃的目標(biāo)即是通過對(duì)比各類技術(shù)方案投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能選址定容優(yōu)化決策。相較于源側(cè)的儲(chǔ)能配置，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)劃問題更加依賴于投資決策-運(yùn)行校驗(yàn)的二階段配置模式，模型架構(gòu)相對(duì)統(tǒng)一。然而，規(guī)劃問題的決策精準(zhǔn)程度取決于對(duì)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(chǎng)景特征的分析與刻畫。同時(shí)，也需要根據(jù)問題的復(fù)雜程度，靈活選取內(nèi)嵌運(yùn)行的多階段/多層的建模技術(shù)或者是規(guī)劃-運(yùn)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(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃
大規(guī)模儲(chǔ)能與源網(wǎng)的聯(lián)合規(guī)劃是指儲(chǔ)能與其他基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備如輸電線路、靈活機(jī)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(jì)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(yùn)行間的關(guān)聯(lián)性，從而全面實(shí)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(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃總結(jié)可參見表2。儲(chǔ)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(shí)段出現(xiàn)的線路阻塞問題，從而延緩部分關(guān)鍵線路擴(kuò)建計(jì)劃。如何合理規(guī)劃具有互補(bǔ)替代關(guān)系的儲(chǔ)能及輸電線路，以實(shí)現(xiàn)新能源消納的提升以及經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)化，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)了最小化投資和棄風(fēng)總成本，以及最大化儲(chǔ)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(chǔ)能裝置性能的逐年衰減以及輸電線路的投建時(shí)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(chǔ)能裝置的聯(lián)合規(guī)劃問題。儲(chǔ)能的合理配置也能提升系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)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(chǔ)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(huì)逐年攀升，這不可避免地會(huì)導(dǎo)致常規(guī)機(jī)組被大量替代，系統(tǒng)的整體靈活性降低，應(yīng)對(duì)新能源不確定風(fēng)險(xiǎn)的能力持續(xù)削弱。同時(shí)，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(yùn)營(yíng)公司需要配套部署儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了中遠(yuǎn)期的儲(chǔ)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(chǔ)充放電策略，在輸電網(wǎng)規(guī)劃問題中充分考慮風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合規(guī)劃及運(yùn)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(shí)現(xiàn)靈活性供需平衡為目的的源-網(wǎng)-儲(chǔ)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(chǔ)能參與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，可使得多種能源間的耦合性進(jìn)一步增強(qiáng)，促進(jìn)多能互補(bǔ)利用。特別地，儲(chǔ)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(shí)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(jī)組為耦合節(jié)點(diǎn)的電-氣網(wǎng)絡(luò)，研究了旨在消除棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的儲(chǔ)能、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、傳輸線及氣網(wǎng)元件聯(lián)合規(guī)劃問題，實(shí)現(xiàn)了電-氣元件互補(bǔ)替代以及能源供需均衡。
總之，含儲(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃延續(xù)了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)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(chǔ)能的源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃同樣以投資決策-運(yùn)行校驗(yàn)的規(guī)劃框架為主。然而，在研究?jī)?nèi)容上，更加側(cè)重于多類型電力元件與儲(chǔ)能的協(xié)同優(yōu)化配置，從而實(shí)現(xiàn)了源-網(wǎng)-儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以及資源稟賦的高效利用。更進(jìn)一步地，儲(chǔ)能規(guī)劃的范疇也隨著研究的深入在逐步擴(kuò)大，儲(chǔ)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(diǎn)及難點(diǎn)。
4 大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃研究存在的問題及展望
隨著大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的不斷突破、經(jīng)濟(jì)效益的逐步提升，大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃的研究將備受矚目。綜上所述，大規(guī)模儲(chǔ)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(diǎn)。
（1）儲(chǔ)能參與電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)，儲(chǔ)能也可以利用自身不同時(shí)間尺度上的快速響應(yīng)能力，參與提供多項(xiàng)電網(wǎng)輔助服務(wù)，具有顯著的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效益[63]。此外，儲(chǔ)能對(duì)于維持系統(tǒng)穩(wěn)定性也具有突出的作用。然而，在儲(chǔ)能規(guī)劃問題中，對(duì)上述效益的精準(zhǔn)衡量涉及儲(chǔ)能本身以及所對(duì)應(yīng)物理問題在不同時(shí)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(chǔ)能參與提供多重服務(wù)的能力，是當(dāng)前儲(chǔ)能規(guī)劃建模的一個(gè)難題。
（2）大規(guī)模儲(chǔ)能規(guī)劃問題需要解決儲(chǔ)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(duì)象的豐富及規(guī)劃場(chǎng)景的拓展，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)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(qiáng)。此外，新形勢(shì)下源荷不確定性將會(huì)產(chǎn)生海量場(chǎng)景，待求解問題的規(guī)模會(huì)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(duì)模型進(jìn)行重構(gòu)以及簡(jiǎn)化，并定制化設(shè)計(jì)快速求解方法，也是需要進(jìn)一步解決的難點(diǎn)。
（3）當(dāng)前中國市場(chǎng)化改革為儲(chǔ)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(chǎng)及輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則的逐步細(xì)化，儲(chǔ)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(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性及可行性，從而影響到儲(chǔ)能規(guī)劃的優(yōu)化決策[64]。儲(chǔ)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(duì)現(xiàn)行市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的影響，并合理評(píng)估其參與市場(chǎng)的多方面收益[65]，是很有意義的研究問題。另外，對(duì)儲(chǔ)能商業(yè)模式的研究與實(shí)踐也在逐步深入，青海電網(wǎng)已圍繞共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式展開了深入探索。如何將實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)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。
