作者：
Abbas A.Akhil，Georgianne Huff,Aileen B.Currier等
翻譯解讀：
張信真 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)理
能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)是清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院重點(diǎn)研究方向之一，其重要組成部分為儲(chǔ)能等靈活性資源與電力系統(tǒng)深度互動(dòng)技術(shù)。研究院致力于推動(dòng)儲(chǔ)能等靈活性資源行業(yè)發(fā)展和電力市場(chǎng)化改革，服務(wù)于中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)變革與發(fā)展。
筆者比較關(guān)注儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展，看到很多文章提及儲(chǔ)能電力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)在表述上存在概念上錯(cuò)誤和重疊，因此將2015年美國(guó)能源部和電科院聯(lián)合出版的儲(chǔ)能手冊(cè)中應(yīng)用部分翻譯及解讀刊出，以便讀者理清儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用種類及價(jià)值。
1
背景介紹
風(fēng)電光伏新能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性，其大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。新能源波動(dòng)性使電力系統(tǒng)調(diào)頻愈加困難，需要儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)地控制電網(wǎng)頻率。新能源易受天氣等因素影響，難以預(yù)測(cè)其發(fā)電。儲(chǔ)能能夠調(diào)節(jié)發(fā)電出力和跟蹤發(fā)電計(jì)劃，提高新能源發(fā)電的并網(wǎng)穩(wěn)定性和上網(wǎng)電量。在山區(qū)和海島等離網(wǎng)地區(qū)風(fēng)電光伏結(jié)合儲(chǔ)能可有效降低當(dāng)?shù)鼐用窈推髽I(yè)用電成本。隨著電動(dòng)汽車規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，電動(dòng)汽車充電也需要儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。智慧城市和能源互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展，也離不開儲(chǔ)能電站。
2
儲(chǔ)能應(yīng)用
美國(guó)能源部和電力科學(xué)研究院聯(lián)合國(guó)家農(nóng)村電力委員會(huì)出版的電儲(chǔ)能手冊(cè)，在綜合其他研究成果基礎(chǔ)上明確儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的五大類18項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)（圖2.1）。
圖2.1儲(chǔ)能應(yīng)用
2.1
批發(fā)能源服務(wù)
2.11
電能時(shí)移套利
電能時(shí)移套利是在低電價(jià)或系統(tǒng)邊際成本時(shí)段，購(gòu)買廉價(jià)電能在高電價(jià)或成本時(shí)段使用或賣出。儲(chǔ)能電站電能時(shí)移也可儲(chǔ)存多余電量，例如棄風(fēng)棄光。儲(chǔ)能電站的可變運(yùn)維成本和系統(tǒng)效率對(duì)該服務(wù)很重要?？勺冞\(yùn)維成本中兩個(gè)核心因素是充放電效率和容量衰減率。影響該服務(wù)經(jīng)濟(jì)收益因素包括購(gòu)電、儲(chǔ)電、放電等成本和放電收益等?？缂竟?jié)或晝夜儲(chǔ)能也可參與大宗批發(fā)能源服務(wù)。這種服務(wù)可用于解決新能源發(fā)電季度或日間差異。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1-500MW，放電持續(xù)時(shí)間為小于1小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為250次
解讀：抽水儲(chǔ)能技術(shù)適合該應(yīng)用可參與日間峰谷調(diào)節(jié)。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)適合跨季節(jié)儲(chǔ)能，但是電轉(zhuǎn)氣技術(shù)經(jīng)濟(jì)性取決于低價(jià)電量，棄風(fēng)棄光等多余電量適合該技術(shù)。
2.12
電源容量供應(yīng)
根據(jù)區(qū)域電力系統(tǒng)情況，儲(chǔ)能電站可用于延緩或削減新建發(fā)電站容量，或者減少在批發(fā)市場(chǎng)購(gòu)買容量。各地區(qū)電力容量市場(chǎng)規(guī)則差異較大，有些區(qū)域發(fā)電容量成本包含到批發(fā)電價(jià)中，有些區(qū)域電力容量需要單獨(dú)付費(fèi)。儲(chǔ)能電站作為容量供應(yīng)商的運(yùn)行機(jī)制亦各不相同。儲(chǔ)能電站提供容量服務(wù)收益取決于具體容量計(jì)費(fèi)制度。
圖2.2顯示了系統(tǒng)存在容量限制和儲(chǔ)能電站供應(yīng)容量的情況。
其中上圖峰值為工作日的峰值負(fù)荷，下圖為儲(chǔ)能在峰值負(fù)荷時(shí)段放電以滿足負(fù)荷要求，在夜間負(fù)荷低谷時(shí)段充電。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1-500MW，放電持續(xù)時(shí)間為2-6小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為5-100次
解讀：儲(chǔ)能容量供應(yīng)服務(wù)適合電力供不應(yīng)求或供需緊平衡的市場(chǎng)，能夠減少新電源建設(shè)或提高調(diào)峰電站利用率。中國(guó)電力市場(chǎng)總體供過(guò)于求的局面，儲(chǔ)能參與該服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力不足。
2.2
電力輔助服務(wù)
2.2.1
調(diào)頻輔助服務(wù)
調(diào)頻輔助服務(wù)是特別適合儲(chǔ)能電站一種電力輔助服務(wù)。調(diào)頻輔助服務(wù)為控制區(qū)域之間聯(lián)絡(luò)線交換功率和區(qū)域內(nèi)部短時(shí)需求變化。電力系統(tǒng)需要采購(gòu)調(diào)頻輔助服務(wù)為了保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定和滿足北美電力可靠性委員（NERC）關(guān)于有功功率平衡控制性能（BAL001）和擾動(dòng)控制性能（BAL002）標(biāo)準(zhǔn)。
調(diào)頻輔助服務(wù)用于調(diào)節(jié)發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的瞬時(shí)差異，抑制這種波動(dòng)帶來(lái)的頻率變化。
圖2.3顯示細(xì)負(fù)荷曲線為無(wú)調(diào)頻服務(wù)情況下因發(fā)電和負(fù)荷不平衡產(chǎn)生大量波動(dòng)，而粗負(fù)荷曲線為調(diào)頻輔助服務(wù)抑制了波動(dòng)后的平滑曲線。
發(fā)電廠可根據(jù)需要提高或降低功率輸出以參與調(diào)頻輔助服務(wù)。當(dāng)發(fā)電不足時(shí)，發(fā)電廠提高功率輸出以提高頻率，而當(dāng)發(fā)電過(guò)剩時(shí)發(fā)電廠減少功率輸出以降低頻率。大型火電廠參與調(diào)頻輔助服務(wù)時(shí)調(diào)整功率輸出會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重機(jī)組磨損。
如圖2.4所示1MW儲(chǔ)能電站參與調(diào)頻輔助服務(wù)的兩種運(yùn)行模式，而發(fā)電廠參與調(diào)頻有三種運(yùn)行模式。左邊圖為1MW儲(chǔ)能電站一半功率用于頻率調(diào)高，一半功率用于頻率調(diào)低，該運(yùn)行模式效率比較低。右邊圖為1MW儲(chǔ)能電站通過(guò)充放電實(shí)現(xiàn)1MW頻率調(diào)高和1MW頻率調(diào)低，總共提供2MW調(diào)頻輔助服務(wù)。
儲(chǔ)能參與頻率調(diào)低服務(wù)過(guò)程充電需要向電網(wǎng)支付電費(fèi)。該服務(wù)中電費(fèi)可能超過(guò)調(diào)頻服務(wù)收益，特別是低效儲(chǔ)能電站。
儲(chǔ)能電站快速響應(yīng)特性使其成為非常有價(jià)值的調(diào)頻資源。儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)需能響應(yīng)區(qū)域控制誤差（ACE）信號(hào)或者自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）信號(hào)。儲(chǔ)能電站可快速充放電，其平均調(diào)頻性能是傳統(tǒng)發(fā)電廠的兩倍，原因?yàn)閮?chǔ)能可更快和準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)避免發(fā)電設(shè)施存在的磨損損失。
圖2.5表現(xiàn)儲(chǔ)能響應(yīng)調(diào)頻輔助服務(wù)需求。
上邊曲線為夸張地表現(xiàn)發(fā)電需響應(yīng)的負(fù)荷波動(dòng)情況，而下面曲線為儲(chǔ)能充放電提供調(diào)頻輔助服務(wù)。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為10-40MW，放電持續(xù)時(shí)間為15分鐘-60分鐘，年最小運(yùn)行次數(shù)為250-10000次
解讀：儲(chǔ)能電站非常適合調(diào)頻輔助服務(wù)的主要原因?yàn)檎{(diào)頻利用其快速功率調(diào)節(jié)性能，不需要涉及大量電量，適合能量有限的儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外，儲(chǔ)能電站可快速響應(yīng)、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)都是其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是儲(chǔ)能調(diào)頻服務(wù)取決于電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)則，根據(jù)美國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展歷程分析，只有更合理調(diào)頻服務(wù)考核和補(bǔ)償機(jī)制才能發(fā)揮儲(chǔ)能調(diào)頻輔助服務(wù)的價(jià)值。國(guó)內(nèi)山西、山東、廣東等區(qū)域電力輔助服務(wù)市場(chǎng)改革有利于儲(chǔ)能參與調(diào)頻服務(wù)并獲取合理回報(bào)。
2.2.2
旋轉(zhuǎn)備用，非旋轉(zhuǎn)備用和補(bǔ)充備用
電網(wǎng)正常運(yùn)行需要備用容量在發(fā)電資源意外中斷情況下發(fā)電。通常情況下備用容量為以下兩者最小值，最大發(fā)電廠容量或計(jì)劃發(fā)電容量的15%-20%。NERC和FERC在不同條件下對(duì)備用定義有所不同。
旋轉(zhuǎn)備用（同步的）—在線發(fā)電容量但未進(jìn)行發(fā)電，可在10分鐘內(nèi)響應(yīng)以應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)或輸電中斷情況?！邦l率響應(yīng)”旋轉(zhuǎn)備用可在10分鐘內(nèi)響應(yīng)以保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn)備用在電力短缺時(shí)首先被調(diào)用。
非旋轉(zhuǎn)備用（非同步的）—為離線發(fā)電容量或可減少及中斷負(fù)荷，能夠在10分鐘內(nèi)響應(yīng)。
補(bǔ)充備用—發(fā)電廠可在1小時(shí)內(nèi)發(fā)電。其作用為旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)備用的備用。備用供應(yīng)可作為商業(yè)售電的備用。補(bǔ)充備用跟電網(wǎng)不同步，其在旋轉(zhuǎn)備用全部上線之后啟用。
常規(guī)備用發(fā)電廠需要保持在線和運(yùn)行狀態(tài)，而儲(chǔ)能電站作為備用不需要放電，只用在需要時(shí)放電即可。
備用容量必須能接受和響應(yīng)控制信號(hào)，圖2.6表現(xiàn)儲(chǔ)能提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)。
上面曲線為發(fā)電機(jī)掉線，下面曲線為儲(chǔ)能立即響應(yīng)提供30分鐘放電，直至其他發(fā)電廠上線發(fā)電。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為10-100MW，持續(xù)放電時(shí)間為15分鐘-60分鐘，年最小運(yùn)行次數(shù)為20-50次
解讀：儲(chǔ)能容量供應(yīng)服務(wù)適合電力供不應(yīng)求或供需緊平衡的市場(chǎng)，能夠減少備用電源建設(shè)。中國(guó)電力市場(chǎng)總體供過(guò)于求的局面，疊加儲(chǔ)能備用服務(wù)調(diào)用次數(shù)較少和價(jià)格較低，使其收益有限。
2.2.3
電壓穩(wěn)定
電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件之一是保持電壓穩(wěn)定在特定范圍。這需要控制系統(tǒng)電抗，電抗產(chǎn)生于電網(wǎng)相連的發(fā)電機(jī)、輸電線、用電設(shè)備中有或表現(xiàn)出電容和電感特性器件。為了管理電網(wǎng)級(jí)電抗，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要電壓支撐資源彌補(bǔ)無(wú)功效應(yīng)，以保障輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
通常指定發(fā)電廠產(chǎn)生無(wú)功功率（VAR）以抵消電網(wǎng)中電抗。這些電廠一般選在電網(wǎng)中心區(qū)域，或者采用分布式方法在大負(fù)荷附近建設(shè)多個(gè)VAR支撐儲(chǔ)能電站。
用于電壓穩(wěn)定儲(chǔ)能電站PCS必須能在非全功率因子條件下運(yùn)行，產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率或無(wú)功伏安（VARs）。這種運(yùn)行模式下不需要有功功率，因此放電時(shí)間和循環(huán)壽命沒要求。
通常電壓穩(wěn)定時(shí)間為30分鐘內(nèi)保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，如果需要可提供發(fā)電。
圖2.7表現(xiàn)三種儲(chǔ)能放電：同時(shí)提供有功功率和VARs，同時(shí)吸收功率平衡電壓和VARs，只提供VARs無(wú)有功功率釋放和吸收。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1-10MW無(wú)功伏安，持續(xù)放電時(shí)間無(wú)要求，年最小運(yùn)行次數(shù)無(wú)要求
解讀：電網(wǎng)電壓穩(wěn)定有多種競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)。儲(chǔ)能電壓穩(wěn)定服務(wù)可以作為儲(chǔ)能電站增值服務(wù)。
2.2.4
黑啟動(dòng)
黑啟動(dòng)是儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)崩潰后為電網(wǎng)提供功率和能量以激活輸配電線路和為發(fā)電站啟動(dòng)提供電能。金谷電力協(xié)會(huì)在費(fèi)爾班克斯使用儲(chǔ)能提供黑啟動(dòng)服務(wù)以備跟安克雷奇的輸電線路中斷。圖2.8為儲(chǔ)能電站運(yùn)行情況，剛開始放電為兩條輸電線路提供所需電流，同時(shí)為兩個(gè)柴油發(fā)電機(jī)提供啟動(dòng)電能，直至電網(wǎng)恢復(fù)。只要容量合適和有輸電線，儲(chǔ)能也可為大型電站提供啟動(dòng)電能。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為5-50MW，持續(xù)放電時(shí)間為15分鐘-60分鐘，循環(huán)壽命為10-20年
解讀：黑啟動(dòng)利用次數(shù)較低，可作為儲(chǔ)能電站增值服務(wù)。
2.2.5
負(fù)荷跟蹤/可再生能源爬坡控制
儲(chǔ)能電站非常適用于抑制風(fēng)電、光伏系統(tǒng)的功率波動(dòng)，并在該領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該應(yīng)用要求與儲(chǔ)能電站快速響應(yīng)波動(dòng)負(fù)荷類似。用于平滑可再生能源需要規(guī)定儲(chǔ)能電站最大功率爬坡率和功率下降率（MW/分鐘）以及爬坡時(shí)間。儲(chǔ)能電站在負(fù)荷跟蹤和可再生能源爬坡控制方面設(shè)計(jì)要求相同，因此列為一項(xiàng)應(yīng)用。
負(fù)荷跟蹤需要功率輸出在幾分鐘之內(nèi)迅速變化。儲(chǔ)能電站可以調(diào)整輸出功率以應(yīng)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)發(fā)電和負(fù)荷持續(xù)變化。儲(chǔ)能電站也可調(diào)整功率輸出響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化、負(fù)荷變化以保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
圖2.9為負(fù)荷跟蹤情況。
傳統(tǒng)發(fā)電廠參與負(fù)荷跟蹤但其出力速度小于其設(shè)計(jì)或額定功率，致使電廠加熱率、燃料成本、排放增加等后果。這導(dǎo)致參與負(fù)荷跟蹤服務(wù)的傳統(tǒng)發(fā)電廠燃料成本（$/MWh）、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和排放高于其正常運(yùn)行狀態(tài)。如果峰值負(fù)荷過(guò)后發(fā)電廠關(guān)閉，發(fā)電廠燃料成本、運(yùn)用維護(hù)成本和排放都會(huì)顯著增加，同時(shí)對(duì)發(fā)電廠可靠性帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。
儲(chǔ)能電站適合負(fù)荷跟蹤。首先，儲(chǔ)能電站可在部分出力的情況下運(yùn)行同時(shí)保證性能不會(huì)衰減。第二，儲(chǔ)能電站可快速地調(diào)整出力響應(yīng)負(fù)荷要求。此外，儲(chǔ)能電站可參與跟蹤負(fù)荷提高和負(fù)荷降低兩種服務(wù)。
在電力市場(chǎng)中，儲(chǔ)能電站參與負(fù)荷跟蹤時(shí)充電價(jià)格應(yīng)按批發(fā)價(jià)計(jì)算，否則儲(chǔ)能電站的購(gòu)電成本可能超過(guò)負(fù)荷跟蹤服務(wù)收益。儲(chǔ)能電站參與負(fù)荷跟蹤時(shí)放電價(jià)格也需要在批發(fā)電價(jià)基礎(chǔ)上加上負(fù)荷跟蹤服務(wù)價(jià)格。這項(xiàng)服務(wù)中儲(chǔ)能電站需要跟集中式及分布式發(fā)電廠、需求響應(yīng)/負(fù)荷集成商等競(jìng)爭(zhēng)。
儲(chǔ)能電站參與負(fù)荷跟蹤服務(wù)需要接收獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）的AGC信號(hào)。大型儲(chǔ)能電站參與負(fù)荷跟蹤服務(wù)需要跟其他服務(wù)相協(xié)調(diào)。負(fù)荷跟蹤可以與可再生能源存儲(chǔ)、電能時(shí)移、備用容量等相協(xié)調(diào)。分布式儲(chǔ)能電站除了參與負(fù)荷跟蹤以外，也可以參與分布式應(yīng)用和電壓穩(wěn)定。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1-100MW，持續(xù)放電時(shí)間為15分鐘-60分鐘，年最小運(yùn)行次數(shù)：無(wú)要求
解讀：大規(guī)模新能源間歇出力對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能可提供新能源爬坡控制和跟蹤負(fù)荷。儲(chǔ)能可再生能源爬坡控制是未來(lái)重要應(yīng)用之一。
2.2.6
頻率響應(yīng)
頻率響應(yīng)跟調(diào)頻服務(wù)非常類似，但是其響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)間更短，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生發(fā)電廠或輸電線掉線的情況下在幾秒到一分鐘范圍實(shí)現(xiàn)響應(yīng)。如圖2.10所示，需要很多發(fā)電設(shè)施響應(yīng)以抵消電網(wǎng)中發(fā)電和負(fù)荷之間不平衡，保證系統(tǒng)頻率和電網(wǎng)穩(wěn)定性。在事故發(fā)生后幾秒內(nèi)最先響應(yīng)的是一次調(diào)頻控制，提高發(fā)電廠的功率輸出。之后半分鐘到幾分鐘時(shí)間內(nèi)二次調(diào)頻控制響應(yīng)AGC信號(hào)，其曲線為點(diǎn)狀線。在事故發(fā)生后，電網(wǎng)頻率下降速率跟發(fā)生故障的慣性量占比成正比。
解讀：頻率響應(yīng)服務(wù)類似國(guó)內(nèi)一次調(diào)頻，屬于電廠義務(wù)，難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化商業(yè)模式。在國(guó)外頻率響應(yīng)也有通過(guò)市場(chǎng)采購(gòu)獲取的。
2.3
輸電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)
2.3.1
延緩輸電設(shè)施升級(jí)
延緩輸電設(shè)施升級(jí)為使用相對(duì)少量?jī)?chǔ)能電站延緩或完全避免輸電設(shè)施升級(jí)改造。輸電設(shè)施的設(shè)計(jì)原則是以尖峰電負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下，配置少量?jī)?chǔ)能電站可以降低接近過(guò)載的輸電節(jié)點(diǎn)潮流，延緩系統(tǒng)升級(jí)數(shù)年。
這項(xiàng)服務(wù)關(guān)鍵之處為使用少量?jī)?chǔ)能既可提供足夠容量擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)延緩輸電設(shè)施升級(jí)。這樣可以降低納稅人總體成本，提高公共設(shè)施利用率，節(jié)省投資和降低金融風(fēng)險(xiǎn)。
眾所周知，輸電系統(tǒng)絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)最高負(fù)荷只發(fā)生在一年之中的幾天，甚至是一年之中幾個(gè)小時(shí)。具有較高可變運(yùn)行成本的儲(chǔ)能設(shè)備比較適合該應(yīng)用。
該應(yīng)用除了延緩輸電設(shè)施升級(jí)以外，也可延長(zhǎng)輸電設(shè)備壽命。儲(chǔ)能可以降低接近壽命年限設(shè)備的負(fù)荷，以延長(zhǎng)設(shè)備壽命。這項(xiàng)服務(wù)適合存在老舊變壓器和地下電纜的輸電設(shè)施。
儲(chǔ)能電站必須能夠提供足夠負(fù)荷且越長(zhǎng)越好，將輸電設(shè)備負(fù)荷保持在特定閾值。
圖2.11表明儲(chǔ)能延緩輸電升級(jí)。儲(chǔ)能在輸電設(shè)施峰值負(fù)荷時(shí)放電，將輸電負(fù)荷降低。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為10-100MW，持續(xù)放電時(shí)間為2-8小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為10-50年
解讀：儲(chǔ)能延緩輸電設(shè)施升級(jí)的利用率較低，其收益主要為電力系統(tǒng)整體收益，因此適合電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商投資。在美國(guó)歐洲等電力設(shè)備比較老區(qū)域，該服務(wù)應(yīng)用的場(chǎng)景相對(duì)多一些。
2.3.2
緩解輸電設(shè)施擁堵
輸電擁堵致使大量廉價(jià)電能因傳輸容量不足難以傳輸其他地區(qū)。當(dāng)輸電容量跟不上峰值電力需求增長(zhǎng)速度時(shí)，輸電系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生擁堵。在峰值負(fù)荷階段，輸電設(shè)施需要更多容量和成本上升導(dǎo)致輸電價(jià)格升高。輸電擁堵可能會(huì)導(dǎo)致批發(fā)電能在某些輸電節(jié)點(diǎn)處的擁堵成本或區(qū)域邊際價(jià)格較高。
儲(chǔ)能可用于避免擁堵成本和收費(fèi)。這項(xiàng)服務(wù)中儲(chǔ)能設(shè)施安置在輸電系統(tǒng)中擁堵節(jié)點(diǎn)，降低該處潮流。儲(chǔ)能設(shè)施在無(wú)輸電擁堵情況下，也可峰值負(fù)荷時(shí)放電，削減輸電容量。
輸電擁堵緩解所需放電時(shí)間是很難確定的。儲(chǔ)能電站除了提供延緩輸電設(shè)施升級(jí)之外，每年可能只有幾小時(shí)用于緩解擁堵。通常情況下每年擁堵費(fèi)用發(fā)生幾率很小且只有連續(xù)幾小時(shí)。圖2.12表現(xiàn)了儲(chǔ)能緩解輸電擁堵的服務(wù)。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1-100MW，持續(xù)放電時(shí)間為1-4小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為50-100次
解讀：儲(chǔ)能延緩輸電擁堵服務(wù)只存在于擁堵費(fèi)用和節(jié)點(diǎn)電價(jià)的電力市場(chǎng)。儲(chǔ)能延緩輸電擁堵的利用率較低，收益較差。
2.3.3
其他相關(guān)應(yīng)用
儲(chǔ)能電站應(yīng)用到輸電領(lǐng)域可改善輸電系統(tǒng)性能，補(bǔ)償電能異常和波動(dòng)等，例如電壓下降、不穩(wěn)定電壓和次同步諧振。這可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，與輔助服務(wù)類似。這種支持輸電系統(tǒng)益處局限于特定場(chǎng)景和特定地點(diǎn)。例如，提高輸電穩(wěn)定性為通過(guò)改善動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以提高輸電容量；抑制次同步諧振為在次同步諧振中提供更高水平地有功/無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)提高線容量。
儲(chǔ)能電站必須能夠次秒級(jí)響應(yīng)、部分荷電狀態(tài)和多次充放電循環(huán)。儲(chǔ)能電站可以提供有功和無(wú)功功率，成為最有益的輸電支持資源。輸電支持通常放電時(shí)間為1-20秒。圖2.13表現(xiàn)儲(chǔ)能電站在幾秒之內(nèi)響應(yīng)電壓驟降和三相不平衡。儲(chǔ)能通過(guò)快速充放電抑制電壓驟降和三相不平衡帶來(lái)的振蕩。儲(chǔ)能響應(yīng)需要非?？焖俸透吖β?，所需電量較少。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為10-100MW，持續(xù)放電時(shí)間為5秒-2小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為20-100次
解讀：應(yīng)用場(chǎng)景受限，具體價(jià)值和收益難以評(píng)估。
2.4
配電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)
2.4.1
延緩輸電設(shè)施升級(jí)和配電網(wǎng)電壓支撐
延緩配電設(shè)施升級(jí)為使用儲(chǔ)能電站延緩或避免配電設(shè)施升級(jí)，同時(shí)保證足夠容量滿足全部負(fù)荷需求。延緩升級(jí)可以為替換變電站中老舊或過(guò)載配電變壓器或者重新鋪設(shè)更重的配電線路。
變壓器擴(kuò)容為了滿足未來(lái)15-20年負(fù)荷增長(zhǎng)。新設(shè)備在大部分生命周期內(nèi)其利用率比較低。儲(chǔ)能電站可削減峰值負(fù)荷延長(zhǎng)設(shè)備壽命。如果儲(chǔ)能電站為集裝箱式，可移動(dòng)到其他需要升級(jí)的變電站，使投資最大化。
該服務(wù)可以降低實(shí)際負(fù)荷不如預(yù)期增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能電站不僅延緩了升級(jí)決策時(shí)間點(diǎn)，也提供時(shí)間以評(píng)估負(fù)荷是否如預(yù)期增長(zhǎng)，該窗口期為2-3年。
眾所周知，配電系統(tǒng)中絕大部分節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷，出現(xiàn)在每年的幾天的幾個(gè)小時(shí)。儲(chǔ)能電站可以有效削減其峰值，為電網(wǎng)帶來(lái)顯著收益。此外，儲(chǔ)能還可為配電線路提供電壓支撐。通常電網(wǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)變電站的調(diào)節(jié)器和電容器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的目的。在徑向長(zhǎng)線路中存在大型負(fù)荷如電弧焊或分布式光伏系統(tǒng)情況下會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，可通過(guò)儲(chǔ)能電站有功出力解決。圖2.14表現(xiàn)了儲(chǔ)能延緩輸配設(shè)施升級(jí)應(yīng)用。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為500kW-10MW，持續(xù)放電時(shí)間為1-4小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為50-100次
解讀：在城市中心區(qū)域等配網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)困難的地方，隨著電動(dòng)汽車等發(fā)展負(fù)荷增長(zhǎng)較快，儲(chǔ)能延緩配網(wǎng)設(shè)施升級(jí)和應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車充電是一種有效的解決方案。
2.5
消費(fèi)側(cè)能源管理服務(wù)
2.5.1
電能質(zhì)量
電能質(zhì)量服務(wù)為使用儲(chǔ)能電站平抑電網(wǎng)短時(shí)間電能質(zhì)量波動(dòng)，保護(hù)用戶側(cè)負(fù)荷。較差電能質(zhì)量主要包括1）電壓波動(dòng)，2）頻率波動(dòng)，3）低功率因數(shù)，4）諧波，5）持續(xù)時(shí)間幾秒-幾分鐘的供電中斷。
儲(chǔ)能提高電能質(zhì)量的放電時(shí)間為幾秒到幾分鐘。儲(chǔ)能電站在線檢測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量和充放電平滑出現(xiàn)的波動(dòng)。圖2.15上圖顯示了50V電壓驟升，下圖儲(chǔ)能吸收了驟升的50V保證480電壓穩(wěn)定。電能質(zhì)量對(duì)需要保護(hù)敏感設(shè)備非常重要。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為100kW-10MW，持續(xù)放電時(shí)間為10秒-15分鐘，年最小運(yùn)行次數(shù)為10-200次
解讀：在芯片制造、精密機(jī)床加工等對(duì)電能質(zhì)量要求較高的行業(yè)，儲(chǔ)能改善電能質(zhì)量是良好的解決方案且收益良好。
2.5.2
供電可靠性
儲(chǔ)能電站可在電網(wǎng)斷電的情況下有效地支撐消費(fèi)者負(fù)荷。電網(wǎng)斷電后，儲(chǔ)能電站支撐客戶側(cè)負(fù)荷孤網(wǎng)運(yùn)行，直至電網(wǎng)恢復(fù)后切換到電網(wǎng)供應(yīng)。儲(chǔ)能電量相對(duì)于負(fù)荷大小決定了放電時(shí)間。如果儲(chǔ)能電站配備了柴油發(fā)電機(jī)，可長(zhǎng)時(shí)間支持負(fù)荷。
儲(chǔ)能電站可為消費(fèi)者擁有與控制。另一種模式是儲(chǔ)能電站為公共事業(yè)部門擁有，作為需求側(cè)可調(diào)度資源服務(wù)消費(fèi)者需求，同時(shí)為電網(wǎng)提供需量削減服務(wù)。
解讀：數(shù)據(jù)中心、大型賽事和會(huì)議中心等場(chǎng)景對(duì)供電可靠性要求較高，儲(chǔ)能作為備用電源是主流的解決方案。
2.5.3
削峰填谷
削峰填谷為消費(fèi)者利用儲(chǔ)能電站降低其用能成本。儲(chǔ)能電站在谷電價(jià)時(shí)段充電，在峰電價(jià)時(shí)段使用。削峰填谷跟批發(fā)電能時(shí)移類似，差別為用戶側(cè)削峰填谷是基于零售電價(jià)，而批發(fā)電能時(shí)移是基于批發(fā)電價(jià)。這類服務(wù)的最大放電時(shí)間要基于分時(shí)電價(jià)時(shí)刻表。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為1kW-1MW，持續(xù)放電時(shí)間為1-6小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為50-250次
解讀：基于分時(shí)電價(jià)的削峰填谷是國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能只要商業(yè)模式，但是其收益取決于峰谷電價(jià)差和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。隨著電力市場(chǎng)改革，儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商期待更高的價(jià)格波動(dòng)以獲取更多收益。基于美國(guó)電力市場(chǎng)分析，即使存在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，儲(chǔ)能靠電量服務(wù)依然難以實(shí)現(xiàn)較好收益。儲(chǔ)能電站的電量有限和功率靈活調(diào)節(jié)的特性決定了，儲(chǔ)能只有參與多種服務(wù)充分發(fā)揮其功率調(diào)節(jié)和電量轉(zhuǎn)移的能力，才能獲取良好的收益。
2.5.4
需量電費(fèi)管理
儲(chǔ)能電站可用于在電網(wǎng)規(guī)定的峰值時(shí)刻削減容量，降低總體用能成本。為了避免需量電費(fèi)，用戶負(fù)荷必須能在特定時(shí)間段降低。很多情況下，在需量電價(jià)應(yīng)用時(shí)段需量收費(fèi)價(jià)格每15分鐘設(shè)定一個(gè)。
需量電費(fèi)的確定是基于每個(gè)月峰值負(fù)荷階段最大負(fù)荷量確定。有些額外需量收費(fèi)分為兩種，一種針對(duì)冬季周末早上或晚上關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)部分負(fù)荷需求，另一種針對(duì)負(fù)荷或工廠需求量為基礎(chǔ)的峰值需量。
工廠可通過(guò)降低需求容量，避免進(jìn)入更高收費(fèi)容量等級(jí)。電價(jià)表中需量收費(fèi)分為電量?jī)r(jià)格和容量?jī)r(jià)格，其中電量?jī)r(jià)格單位為$/kWh，而容量收費(fèi)單位為$/kW。此外，容量?jī)r(jià)格每月重新設(shè)定，所以容量?jī)r(jià)格也為每月$/kWh。
儲(chǔ)能電站在沒有或較低需量?jī)r(jià)格時(shí)充電，在需量?jī)r(jià)格高時(shí)放電使用，降低用戶需量電費(fèi)。儲(chǔ)能電站放電時(shí)間是基于具體價(jià)格表。圖2.16為工廠削減需量電費(fèi)例子。工廠用戶夜間電價(jià)低時(shí)，以1MW充電，而在需量電費(fèi)比較高的12:00-17:00時(shí)以1MW放電，削減工廠容量1MW。
盡管這種服務(wù)有明顯收益，但是儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)、采購(gòu)、效率損耗等因素都能影響用戶收益，特別是峰值負(fù)荷較小的用戶。
圖2.17顯示峰值負(fù)荷閾值在每月周一下午高峰負(fù)荷確定。這一閾值為該月標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)荷必須低于閾值才能避免需量罰款。
技術(shù)要求：儲(chǔ)能電站容量為50kW-10MW，持續(xù)放電時(shí)間為1-4小時(shí)，年最小運(yùn)行次數(shù)為50-500次
解讀：儲(chǔ)能需量管理是充分利用其功率調(diào)節(jié)能力的應(yīng)用場(chǎng)景之一，也是國(guó)內(nèi)外表后儲(chǔ)能主流的商業(yè)模式，其綜合收益較好。但是儲(chǔ)能需量管理收益跟用戶負(fù)荷曲線密切相關(guān)，只有負(fù)荷波動(dòng)較大且峰值負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較短的客戶，其儲(chǔ)能削減峰值負(fù)荷收益才能比較高。美國(guó)領(lǐng)先分布式儲(chǔ)能企業(yè)的商業(yè)模式是用戶需量管理結(jié)合基于分時(shí)電價(jià)削峰填谷的用戶合同能源管理模式，結(jié)合分布式儲(chǔ)能集群參與發(fā)電或電網(wǎng)服務(wù)獲取額外增值收益。
2.6
組合服務(wù)—應(yīng)用例子組合
儲(chǔ)能電站均可應(yīng)用到上述服務(wù)中，但很少單一服務(wù)能夠產(chǎn)生足夠收益，彌補(bǔ)其投資。然而，儲(chǔ)能電站可以參與多種服務(wù)，獲取多項(xiàng)收益，提高其經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能電站可同時(shí)參與哪些服務(wù)取決于其位于電網(wǎng)中位置和所使用儲(chǔ)能技術(shù)。然而，在監(jiān)管和運(yùn)維限制下，儲(chǔ)能多服務(wù)過(guò)程必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)和具體分析。
加州公共事業(yè)委員會(huì)儲(chǔ)能行動(dòng)R1012007中，一系列儲(chǔ)能應(yīng)用案例得到研究。如表2中所示，加州公共事業(yè)委員會(huì)將采用三個(gè)基本例子。與輸電線相連接的儲(chǔ)能電站，在ISOs的監(jiān)管下可提供電網(wǎng)相關(guān)的輔助服務(wù)和電量市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。此外，儲(chǔ)能可作為調(diào)峰容量提供商供應(yīng)系統(tǒng)容量。與配電線相連接的儲(chǔ)能電站可幫助解決區(qū)域特定變電站問題（解決電壓?jiǎn)栴}、緩解設(shè)施升級(jí)等），同時(shí)為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。消費(fèi)側(cè)儲(chǔ)能電站，可削減用戶峰值負(fù)荷、節(jié)省電費(fèi)同時(shí)提高電能質(zhì)量和供電可靠性。
解讀：儲(chǔ)能參與多種服務(wù)是使其多種價(jià)值變現(xiàn)的重要途徑。美國(guó)加州儲(chǔ)能參與多種電力服務(wù)獲得公共事業(yè)委員會(huì)的認(rèn)可，是促進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的重要政策。儲(chǔ)能參與用戶側(cè)和電網(wǎng)多種服務(wù)，可以通過(guò)多種模式實(shí)現(xiàn)。電網(wǎng)、儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、用戶等三方可以組合出多種產(chǎn)權(quán)模式和儲(chǔ)能系統(tǒng)控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)成本分擔(dān)和收益共享。美國(guó)常用的商業(yè)模式有兩種，其一為儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商投資或運(yùn)營(yíng)商與用戶共同投資，通過(guò)用戶側(cè)需量管理結(jié)合削峰填谷的合同能源管理方式分享收益，運(yùn)營(yíng)商保留儲(chǔ)能系統(tǒng)控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能集群與發(fā)電企業(yè)或單獨(dú)參與電力市場(chǎng)交易，獲取額外收益，并將收益與用戶合理分享。另一模式為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商投資儲(chǔ)能，用戶提供場(chǎng)地，儲(chǔ)能為用戶服務(wù)同時(shí)參與電力市場(chǎng)交易，收益雙方共享。此外，還有電網(wǎng)、儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、用戶三方產(chǎn)權(quán)共用模式等。綜上所述，通過(guò)有效產(chǎn)權(quán)模式和系統(tǒng)控制協(xié)議，儲(chǔ)能電站同時(shí)參與用戶和電網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)其多重價(jià)值轉(zhuǎn)化有效收益。這樣是能源市場(chǎng)中大型能源集團(tuán)或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越關(guān)注用戶側(cè)儲(chǔ)能的原因，也是未來(lái)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)蓬勃發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。
