儲(chǔ)能電站綜合效益評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)研究

高 峰，黃曉東，戎曉波，田啟明，沈 奕，張永平

(1.IBM中國(guó)研究院，北京100193；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510630)

儲(chǔ)能電站綜合效益評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)研究

高 峰1，黃曉東2，戎曉波2，田啟明1，沈 奕1，張永平1

(1.IBM中國(guó)研究院，北京100193；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510630)

儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵部分。儲(chǔ)能電站及整個(gè)儲(chǔ)能體系的優(yōu)化規(guī)劃和運(yùn)行，需要對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行更深入量化的綜合效益分析與評(píng)估，而分析和評(píng)估的基礎(chǔ)在于清晰完整的儲(chǔ)能綜合效益體系。在深入分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，形成了一個(gè)清晰全面的多維度的儲(chǔ)能功能作用與效益綜合體系?；谠擉w系，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效益的量化評(píng)估，為儲(chǔ)能的部署和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；儲(chǔ)能效益；效益體系

當(dāng)前，為應(yīng)對(duì)氣候變化，提高能源供應(yīng)安全及利用效率，在新能源、新材料、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保等高新技術(shù)的推動(dòng)下，智能電網(wǎng)已逐漸成為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。集中式儲(chǔ)能和分布式儲(chǔ)能是未來(lái)智能電網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵部分，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要作用[1]。

為了更好地指導(dǎo)和規(guī)劃儲(chǔ)能電站及整個(gè)儲(chǔ)能體系的建設(shè)，以及更加有效合理地優(yōu)化儲(chǔ)能運(yùn)行，迫切需要對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行更深入量化的綜合效益分析與評(píng)估，提高儲(chǔ)能規(guī)劃及運(yùn)營(yíng)水平。而準(zhǔn)確合理的儲(chǔ)能效益分析和評(píng)估的基礎(chǔ)在于清晰完整的儲(chǔ)能綜合效益體系。

以抽水蓄能為代表的集中式儲(chǔ)能具有幾十年的歷史，其效益體系的設(shè)計(jì)研究已經(jīng)比較深入[4]。隨著電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容等新型分布式儲(chǔ)能形式的迅速發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)開始研究其效益體系設(shè)計(jì)，并初步形成集中式與分布式儲(chǔ)能的總體效益體系[5-6]。

為了彌補(bǔ)國(guó)外儲(chǔ)能效益體系不足，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的空白，本文將在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上建立儲(chǔ)能電站在智能電網(wǎng)環(huán)境下的全方位多維度的綜合效益體系，將儲(chǔ)能電站在整個(gè)電力能源價(jià)值鏈的功能、作用以及效益進(jìn)行深入分析，為包括發(fā)電公司、電網(wǎng)公司以及用電客戶的儲(chǔ)能設(shè)備所有者和收益者提供明確的效益體系?；谠擉w系，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效益的量化評(píng)估，為儲(chǔ)能的優(yōu)化部署和運(yùn)行實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 現(xiàn)有儲(chǔ)能效益體系

以抽水蓄能為代表的集中式儲(chǔ)能具有幾十年的歷史，其容量大、壽命長(zhǎng)、技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍最廣，因此其效益體系的研究已經(jīng)比較深入[4]。隨著具備快速高效充放電性能的電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容等儲(chǔ)能技術(shù)的高速發(fā)展，分布式儲(chǔ)能形式正在成為集中式儲(chǔ)能的有效補(bǔ)充，世界各國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了很多相關(guān)的試點(diǎn)建設(shè)[7-9]，如我國(guó)南方電網(wǎng)公司建設(shè)的10 MW深圳寶清鋰電池儲(chǔ)能電站[10]。在這種情況下，綜合考慮集中式儲(chǔ)能和分布式儲(chǔ)能的效益體系成為儲(chǔ)能研究的重要關(guān)注點(diǎn)[5-6]。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室總結(jié)的儲(chǔ)能效益綜合體系如表1所示[5]。其將17個(gè)儲(chǔ)能應(yīng)用分為5大類，包括供電、輔助服務(wù)、電網(wǎng)、用電客戶和可再生能源接入。該儲(chǔ)能效益體系不僅包括對(duì)儲(chǔ)能在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的應(yīng)用，同時(shí)也包括了儲(chǔ)能在智能電網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用。美國(guó)電力科學(xué)研究院歸納總結(jié)的儲(chǔ)能綜合效益體系更加完整[6]，如圖1所示。該體系總結(jié)了11個(gè)儲(chǔ)能的應(yīng)用，并按照不同維度進(jìn)行了劃分和總結(jié)，覆蓋了儲(chǔ)能的應(yīng)用對(duì)象、儲(chǔ)能的效益類別、儲(chǔ)能放電時(shí)間和儲(chǔ)能大小等。

這兩個(gè)體系存在一些需要改進(jìn)的地方。比如分布式儲(chǔ)能作為一種儲(chǔ)能形式，其在用戶側(cè)可以幫助用戶提高電能質(zhì)量以及進(jìn)行能量管理，因此其不應(yīng)被劃為儲(chǔ)能應(yīng)用。

2 儲(chǔ)能綜合效益體系

在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文試圖建立儲(chǔ)能在智能電網(wǎng)環(huán)境下的清晰的綜合效益體系，并希望整個(gè)效益體系不拘泥于具體的儲(chǔ)能技術(shù)與儲(chǔ)能成本。

表1 SNL儲(chǔ)能效益體系[5]

圖1 EPRI儲(chǔ)能效益體系[6]

2.1 儲(chǔ)能功能

儲(chǔ)能，顧名思義，就是能量的存儲(chǔ)。換句話說(shuō)，儲(chǔ)能設(shè)備本身不能產(chǎn)生能量，它的主要功能就是將能量存儲(chǔ)起來(lái)并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放。能量存儲(chǔ)和釋放的時(shí)機(jī)和目標(biāo)不同，則帶來(lái)了儲(chǔ)能不同的應(yīng)用和效益。舉例來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能在電網(wǎng)負(fù)荷較小或非峰時(shí)充電，并在負(fù)荷較大或峰時(shí)放電，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，效果相當(dāng)于最大負(fù)荷減小了。從而對(duì)于發(fā)電側(cè)來(lái)說(shuō)，其裝機(jī)容量可以減少；對(duì)于輸配電側(cè)來(lái)說(shuō)則可以延緩電網(wǎng)的升級(jí)改造。

另外，儲(chǔ)能設(shè)備除了能量存儲(chǔ)的設(shè)備如電池、水庫(kù)等本身外，還需要附加的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，如電池儲(chǔ)能設(shè)備中的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)和抽水蓄能中的發(fā)電機(jī)。這些設(shè)備除了能量轉(zhuǎn)換的主要功能外，還具有一些附加的功能，主要為無(wú)功控制，從而使得儲(chǔ)能設(shè)備具有調(diào)節(jié)無(wú)功與電壓的能力。在抽水蓄能系統(tǒng)中，無(wú)功是由發(fā)電機(jī)提供的，與占主要投資的水庫(kù)無(wú)關(guān)，該功能的成本和效益均可只對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，因此儲(chǔ)能的附加功能不在本文深入分析。

表2給出了按照放電時(shí)間歸類的五大儲(chǔ)能功能。備用電源功能是在電網(wǎng)故障或者供電功率不足時(shí)利用之前存儲(chǔ)的電能提供備用電力的功能，其所需要的放電時(shí)間依賴于具體情況而不同，充電時(shí)間則沒(méi)有要求，一般是放電結(jié)束后即開始充電。

表2 儲(chǔ)能功能

削峰功能是儲(chǔ)能在用電高峰時(shí)通過(guò)釋放儲(chǔ)存的電能使得儲(chǔ)能上游電力系統(tǒng)最大功率減少的功能。由于峰值通常持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，削峰功能相應(yīng)的一般需要幾個(gè)小時(shí)的放電時(shí)間，對(duì)充電時(shí)間沒(méi)有要求，一般采用谷時(shí)充電的方式。功率調(diào)度功能是按照一定的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行充放電控制的功能。其充放電時(shí)間依賴于優(yōu)化目標(biāo)，同機(jī)組排程類似，主要是以小時(shí)為單位。如果采用更精細(xì)的控制，充放電時(shí)間可以到數(shù)分鐘的量級(jí)。功率跟蹤功能是指儲(chǔ)能通過(guò)快速充放電來(lái)跟蹤出力或負(fù)荷變化的功能。其充放電時(shí)間的要求為分鐘甚至數(shù)秒的量級(jí)。抑制閃動(dòng)功能是儲(chǔ)能可以避免電網(wǎng)中出現(xiàn)的閃動(dòng)或其他電能質(zhì)量事件影響到用電設(shè)備的功能。其放電時(shí)間最短，是秒級(jí)甚至毫秒級(jí)。

2.2 儲(chǔ)能作用

基于上述五大功能，儲(chǔ)能在智能電網(wǎng)中發(fā)輸配用各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要的作用，可總結(jié)出如表3所示的14個(gè)主要作用。

表3 儲(chǔ)能作用

這14個(gè)作用按電能維度可以分為三大類：功率作用、電量作用和容量作用。功率作用需要通常幾秒到幾分鐘這樣相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)的大功率輸出。電量作用則需要相對(duì)大的電能存儲(chǔ)，通常儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電時(shí)間從幾分鐘至幾小時(shí)不等。容量作用簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是由于采用了儲(chǔ)能設(shè)備而因此延緩或減少了其他設(shè)備的需求。

按時(shí)間維度還可以分為靜態(tài)作用、動(dòng)態(tài)作用和瞬態(tài)作用。瞬態(tài)作用可以理解為同電力系統(tǒng)暫態(tài)相關(guān)的作用，它通過(guò)儲(chǔ)能超短時(shí)間的功率控制來(lái)體現(xiàn)，所需的充放電時(shí)間在秒級(jí)甚至毫秒級(jí)，因此需要響應(yīng)時(shí)間很快的儲(chǔ)能技術(shù)，如超級(jí)電容等。動(dòng)態(tài)作用和靜態(tài)作用與傳統(tǒng)抽水蓄能效益分析里的概念類似。

2.3 儲(chǔ)能效益

儲(chǔ)能的作用與效益如表4所示。以幫助發(fā)電廠黑啟動(dòng)來(lái)說(shuō)，發(fā)電的快速恢復(fù)可以使得電網(wǎng)盡早恢復(fù)，從而電力客戶可以盡快恢復(fù)用電。發(fā)電廠可以多發(fā)電，電力公司可以多售電，電力客戶可以多用電生產(chǎn)生活，所以受益方涵蓋了能源鏈各方。保障獨(dú)立電網(wǎng)、微電網(wǎng)運(yùn)行為電力公司和電力客戶帶來(lái)了提高電網(wǎng)供電可靠性的效益。保證(重要)用戶供電為電力客戶帶來(lái)了直接的減少停電損失的效益，而為供電公司間接地減少由于停電造成少售電的損失。

表4 儲(chǔ)能作用與效益

儲(chǔ)能安裝在配電側(cè)可以實(shí)現(xiàn)就地削峰，從而最大化延緩發(fā)電裝機(jī)與延緩輸配電升級(jí)改造的作用。其帶來(lái)的降低投資成本的效益也分別由發(fā)電廠和電力公司獲得。另外，由于新裝發(fā)電機(jī)容量大于負(fù)荷的增長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)無(wú)法滿發(fā)，造成效率的降低，從而帶來(lái)更多的排放，因此延緩發(fā)電裝機(jī)還可以給社會(huì)帶來(lái)節(jié)能減排的效益。

節(jié)省輸電接入和擁塞費(fèi)用直接給在電力市場(chǎng)環(huán)境下不擁有輸電資產(chǎn)的供電公司帶來(lái)了降低成本的效益。電力批發(fā)市場(chǎng)套利給儲(chǔ)能的所有者，包括發(fā)電廠和電力公司，帶來(lái)直接的增加收入效益。分時(shí)電價(jià)用戶電費(fèi)節(jié)省給擁有儲(chǔ)能的電力客戶帶來(lái)降低成本的效益。

降低線損給電力公司帶來(lái)直接的降低成本的效益，另外由于線損是比用電量多出來(lái)的發(fā)電量，在用電不變的情況下線損的減少直接可以使發(fā)電量降低，從而減少發(fā)電機(jī)組的排放，給社會(huì)帶來(lái)節(jié)能減排的效益。

輸配電支撐、減少擁塞作用避免了線路重載或者過(guò)載，提高了電網(wǎng)的可靠性，直接獲益方是電力公司。

促進(jìn)可再生能源接入使得風(fēng)電廠、太陽(yáng)能電廠等可再生能源發(fā)電廠多發(fā)電，帶來(lái)直接的收入增加。對(duì)于電力公司來(lái)說(shuō)，更加平滑的可再生能源出力避免了電網(wǎng)中發(fā)電功率的急劇變化，使得電網(wǎng)穩(wěn)定性得到提高。對(duì)于電力客戶來(lái)說(shuō)，通過(guò)安裝自有的小型分布式發(fā)電并結(jié)合儲(chǔ)能的促進(jìn)可再生能源接入的作用，使得從電網(wǎng)購(gòu)電量下降，從而降低成本。可再生能源的更多更有效的利用，減少了燃料發(fā)電，給社會(huì)帶來(lái)節(jié)能減排的效益。

負(fù)荷跟蹤作用直接減少了對(duì)調(diào)峰發(fā)電機(jī)的需求，減少了發(fā)電機(jī)組啟停爬坡等低效率運(yùn)行狀態(tài)，使得發(fā)電機(jī)組可以以額定功率最大效率運(yùn)行，從而降低發(fā)電廠運(yùn)行成本，還給社會(huì)帶來(lái)節(jié)能減排的效益。

調(diào)頻、提供旋轉(zhuǎn)備用使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性得以提升，另外同負(fù)荷跟蹤作用類似，由于發(fā)電機(jī)無(wú)需留出一部分熱備用容量，從而為發(fā)電廠降低了成本，發(fā)電機(jī)效率的提升也為社會(huì)帶來(lái)節(jié)能減排的效益。

提升電能質(zhì)量，避免影響用電設(shè)備可以為用電客戶減少由于閃動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于電力公司來(lái)說(shuō)，該作用是提高了其供電的安全性。

儲(chǔ)能效益可以總結(jié)為三類，包括經(jīng)濟(jì)效益、電網(wǎng)運(yùn)行效益和社會(huì)效益，如表5所示。經(jīng)濟(jì)效益大多數(shù)情況下可以用貨幣金額來(lái)評(píng)估衡量。電網(wǎng)運(yùn)行效益很難直接用金錢來(lái)衡量，通常可以采用等效替代、成本核算的方法進(jìn)行評(píng)估。社會(huì)效益無(wú)法用金錢來(lái)衡量，可以采用減少的碳排放進(jìn)行評(píng)估，未來(lái)如果碳交易機(jī)制成熟后則可以通過(guò)交易來(lái)獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益。

表5 儲(chǔ)能效益分類

2.4 儲(chǔ)能綜合效益體系

通過(guò)分析儲(chǔ)能的五大功能，然后得到儲(chǔ)能的14個(gè)主要作用，并總結(jié)出儲(chǔ)能的三大類效益，從而形成一個(gè)如表6所示的綜合的多維度的儲(chǔ)能功能作用與效益體系。

表6 儲(chǔ)能效益綜合體系

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析儲(chǔ)能的五大功能，14個(gè)主要作用，并總結(jié)出儲(chǔ)能的三大類效益，形成了一個(gè)清晰全面的多維度的儲(chǔ)能功能作用與效益綜合體系。我們希望在國(guó)內(nèi)外科研技術(shù)人員的共同努力下，該綜合效益體系可以不斷補(bǔ)充和完善。儲(chǔ)能效益綜合體系可以為儲(chǔ)能電站的效益分析提供理論和框架指導(dǎo)，并使得儲(chǔ)能效益的評(píng)估更加科學(xué)合理，相關(guān)成果將在后續(xù)文章中展示。通過(guò)儲(chǔ)能綜合效益體系，將為儲(chǔ)能的規(guī)劃建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)管理提供科學(xué)的依據(jù)，提高儲(chǔ)能規(guī)劃及運(yùn)營(yíng)水平。

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Design of holistic benefit system of energy storage

Energy Storage(ES)was a key part of smart grid.Deeper analysis and evaluation of holistic benefit of ES were required by optimized planning and operation of ES substations and systems.Based on the analysis of related research,a multi-dimension system of ES functions,applications and benefits were formed.Quantitative evaluation of ES could be achieved,and scientific support could be provided for ES deployment and operation.

energy storage system;energy storage benefit;system of benefit

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0638-04

2015-02-11

高峰(1977—)，男，河北省人，博士，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、電網(wǎng)生產(chǎn)與運(yùn)行的分析與優(yōu)化。