儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在湖南電網(wǎng)中的可行性分析

● 國(guó)網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司 黃博文 周雨樺 易浩波 單周平

隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，規(guī)?；姵貎?chǔ)能技術(shù)開(kāi)始在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括間歇性電源出力波動(dòng)平抑、削峰填谷與系統(tǒng)調(diào)峰、電網(wǎng)調(diào)頻、暫態(tài)電壓調(diào)整與動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐、輔助暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制、緊急電源保障和黑啟動(dòng)等方面。

1 背景分析

近年來(lái)，湖南電網(wǎng)峰谷差呈現(xiàn)快速增大趨勢(shì)，2017年電網(wǎng)最大峰谷差約50%，在國(guó)網(wǎng)各省級(jí)電網(wǎng)公司中排名前3，凸顯出湖南電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前整體調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，存在無(wú)調(diào)節(jié)能力水電占比高問(wèn)題，面臨風(fēng)電、光伏間歇性新能源增長(zhǎng)迅猛，低谷棄電難以消納難題。祁韶特高壓直流入湘后，湖南電網(wǎng)亟需解決電網(wǎng)特性突變所帶來(lái)的安全運(yùn)行隱患及問(wèn)題。湖南電網(wǎng)快速增長(zhǎng)的負(fù)荷需求受限于電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度，致使高峰負(fù)荷期間長(zhǎng)沙等地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)供電能力嚴(yán)重不足，“不缺電量缺電力”等問(wèn)題。

儲(chǔ)能系統(tǒng)(EES)具有快速響應(yīng)及對(duì)功率進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)的能力，可以實(shí)現(xiàn)電能的時(shí)空平移。近年來(lái)規(guī)模化的儲(chǔ)能技術(shù)，如電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能示范工程在電力系統(tǒng)中逐漸推廣應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)局部調(diào)峰調(diào)頻，解決分布式電源給電網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)性等問(wèn)題。因此緊密結(jié)合湖南電網(wǎng)的特點(diǎn)，積極探索規(guī)模化電池儲(chǔ)能在湖南電網(wǎng)的應(yīng)用模式和建設(shè)示范工程，具有重要的理論研究意義和迫切的現(xiàn)實(shí)工程價(jià)值。但由于EES造價(jià)昂貴，如何對(duì)其進(jìn)行合理的選址定容從而獲得較好的電網(wǎng)柔性調(diào)節(jié)和較高的經(jīng)濟(jì)效益成為現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。

本文將從電網(wǎng)電池儲(chǔ)能選型、湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)環(huán)境和儲(chǔ)能發(fā)展建議與政策需求三方面，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在湖南電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。

2 電網(wǎng)電池儲(chǔ)能選型分析

電池本體是儲(chǔ)能電站的核心部件，也是主要的成本構(gòu)成，目前用于規(guī)模化儲(chǔ)能的電池主要是以鉛炭、鋰離子電池以及全釩液流電池為主。鉛炭電池成本較低，度電成本約0.44～0.71元/千瓦時(shí)，但電池存在倍率性能低、循環(huán)壽命短、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題；全釩液流電池具有較高的倍率特性、循環(huán)次數(shù)高，但存在功率及能量密度低、電池效率低以及占地面積大、初始投資成本高等問(wèn)題；鋰離子電池具有較高的能量、功率密度及循環(huán)、倍率性能，磷酸鐵鋰鋰離子電池由于存在穩(wěn)定的P-O鍵，凸顯出良好的安全特性而適應(yīng)電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能，目前度電成本約為0.69～1.11元/千瓦時(shí)。

對(duì)于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站而言，選擇儲(chǔ)能電池側(cè)重于考慮安全性、響應(yīng)速度、循環(huán)壽命、利用效率、集成可行性以及初始投資等因素。磷酸鐵鋰鋰離子電池性能優(yōu)越，是目前國(guó)內(nèi)電池儲(chǔ)能電站主流技術(shù)路線，且實(shí)施方案相對(duì)成熟；全釩液流電池循環(huán)壽命長(zhǎng)，具備一定潛力。在湖南電池電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能示范工程中，可結(jié)合場(chǎng)地條件、負(fù)荷特性、應(yīng)用場(chǎng)景等因素，選用磷酸鐵鋰電池與全釩液流電池的混合應(yīng)用方案。

對(duì)于用戶側(cè)電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能電站主要通過(guò)峰谷電價(jià)差實(shí)現(xiàn)獲利，因此選擇儲(chǔ)能電池側(cè)重于考慮成本因素，鉛碳電池投資成本相對(duì)較低，在峰谷電價(jià)差具備條件情況下投資回收期較短，目前實(shí)施方案較成熟，江蘇電網(wǎng)用戶側(cè)有大量鉛碳電池應(yīng)用案例。

對(duì)于電源側(cè)電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能電站可改善可再生能源發(fā)電的輸出特性，向常規(guī)電源特性靠近。目前發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能電站主要以磷酸鐵鋰鋰離子為主，或搭配小容量全釩液流電池。

3 湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)環(huán)境分析

3.1 湖南電網(wǎng)現(xiàn)狀分析

2010～2016年，湖南電網(wǎng)平均峰谷差保持10%左右的年均增速，而同期統(tǒng)調(diào)電量的平均增速不到5%。2017年，峰谷差呈現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，調(diào)峰困難。目前湖南夏季電力缺口較大，用電緊張、限電現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)“缺電力不缺電量”現(xiàn)象。長(zhǎng)株潭負(fù)荷中心電網(wǎng)不僅存在220千伏網(wǎng)絡(luò)通道重載和過(guò)載問(wèn)題，而且在高峰負(fù)荷時(shí)段，部分配網(wǎng)設(shè)備也出現(xiàn)重載和過(guò)載問(wèn)題；預(yù)計(jì)2018年湖南冬季高峰負(fù)荷時(shí)段亦將存在電力缺口，同時(shí)部分?jǐn)嗝孑斔凸β试较蕖?/p>

新能源消納方面，截至2018年6月，湖南風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為278.5萬(wàn)千瓦，預(yù)計(jì)“十三五”末風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到600萬(wàn)千瓦、光伏規(guī)模將達(dá)到300萬(wàn)千瓦。由于湖南省風(fēng)電大風(fēng)期與水電豐水期存在重疊，且負(fù)荷峰谷差較大，勢(shì)必造成風(fēng)電出力具有反調(diào)峰特性，光伏發(fā)電規(guī)模的增加可能造成電網(wǎng)腰荷時(shí)段電力盈余，未來(lái)?xiàng)壦夛L(fēng)、棄光問(wèn)題將比較突出。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)的認(rèn)知分析

目前，盡管湖南社會(huì)、企業(yè)客戶對(duì)儲(chǔ)能的了解大多停留在過(guò)去的概念，未能充分認(rèn)識(shí)到儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)的巨大進(jìn)步，以及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行管理的良好支撐，但湖南省政府與電網(wǎng)公司高度重視湖南電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能示范工程，湖南電網(wǎng)企業(yè)主動(dòng)作為正加大對(duì)社會(huì)的推介力度，大力推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)在湖南電網(wǎng)的推廣應(yīng)用，并引導(dǎo)社會(huì)資源參與湖南電網(wǎng)建設(shè)，為湖南發(fā)展保駕護(hù)航。此外，國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司正積極向省政府溝通匯報(bào)，將電池儲(chǔ)能技術(shù)納入電力輔助服務(wù)市場(chǎng)范疇，在輔助服務(wù)補(bǔ)償政策的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)峰、調(diào)頻等方式獲取收益。

3.3 湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能效益分析

從儲(chǔ)能電站投資成本構(gòu)成分析可知，電網(wǎng)電池儲(chǔ)能成本偏高仍是制約儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的主要因素，目前適合電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站建設(shè)的磷酸鐵鋰鋰離子電池技術(shù)路線，其度電成本約為0.69～1.11元/千瓦時(shí)，系統(tǒng)成本約為3500元/千瓦時(shí)，10兆瓦/20兆瓦時(shí)規(guī)模儲(chǔ)能電站投資成本約7000萬(wàn)元。

盡管如此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電池成本將會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)步及量產(chǎn)規(guī)?；饾u降低，加之若儲(chǔ)能相關(guān)配套電價(jià)政策和輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制逐步建立，電網(wǎng)電池儲(chǔ)能將逐步呈現(xiàn)較好的投資經(jīng)濟(jì)價(jià)值；且隨著政策支持，電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站成為電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備，建設(shè)成本納入輸配電價(jià)成本核定，電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站亦將會(huì)凸顯社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

以下將從5個(gè)方面分析12萬(wàn)千瓦/24萬(wàn)千瓦時(shí)規(guī)模的電池儲(chǔ)能電站示范工程效益。

（1）節(jié)約電廠及電網(wǎng)配套投資。儲(chǔ)能電站示范工程建成后，可提高湖南電網(wǎng)供電能力12萬(wàn)千瓦，在電量富余電力緊缺的情況下，可替代相同容量的常規(guī)燃煤電廠，并可節(jié)約相應(yīng)的電網(wǎng)配套投資。

（2）社會(huì)效益。示范工程投運(yùn)將有助于推動(dòng)省內(nèi)能源變革轉(zhuǎn)型發(fā)展，儲(chǔ)能電站的快速響應(yīng)和靈活性能夠彌補(bǔ)可再生能源的隨機(jī)性和間隙性，大幅提升湖南電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力，可減少二氧化碳排放1.6萬(wàn)噸、二氧化硫排放480噸，提高能源系統(tǒng)整體利用效率，加快能源生產(chǎn)、綠色轉(zhuǎn)型，推動(dòng)省內(nèi)主體能源由化石能源向可再生能源更替。

（3）示范效益。示范工程將為湖南電網(wǎng)引入首套大規(guī)模毫秒級(jí)響應(yīng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)，有助于推動(dòng)湖南省電池儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立與應(yīng)用體系完善，推進(jìn)儲(chǔ)能領(lǐng)域技術(shù)研究及成果培育，驅(qū)動(dòng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)發(fā)展。

另外，示范工程將發(fā)揮引領(lǐng)帶動(dòng)作用，推動(dòng)全省電源側(cè)、用戶側(cè)協(xié)同開(kāi)展電池儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，有助于在全省范圍形成“電網(wǎng)側(cè)作為示范引導(dǎo)、用戶側(cè)作為發(fā)展主體、電源側(cè)協(xié)同推進(jìn)”的發(fā)展局面，真正發(fā)揮大規(guī)模儲(chǔ)能協(xié)同聚合效應(yīng)，促進(jìn)湖南能源利用效率提升。

（4）電網(wǎng)安全效益。當(dāng)重要輸電斷面發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，配置電池儲(chǔ)能可避免相關(guān)設(shè)備發(fā)生重過(guò)載而導(dǎo)致設(shè)備損壞或?yàn)楸苊庠O(shè)備重過(guò)載而出現(xiàn)的拉停負(fù)荷的情況，可有效提升調(diào)度部門對(duì)重要輸電斷面的控制功率極限，提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。

受區(qū)間輸電能力或交流系統(tǒng)整體的事故備用不足限制，祁韶直流對(duì)湖南電網(wǎng)送電能力一直受到制約。電池儲(chǔ)能電站具備快速響應(yīng)能力，事故時(shí)可迅速提供有功、無(wú)功支撐，初步測(cè)算，當(dāng)電池儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到百萬(wàn)千瓦規(guī)模，從暫態(tài)穩(wěn)定角度來(lái)看，可提升祁韶直流超過(guò)百萬(wàn)千瓦送電能力，從熱穩(wěn)角度來(lái)看，可提升儲(chǔ)能電站群同等容量送電能力。

（5）其他投資收益方式。在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、示范效益和安全效益的基礎(chǔ)上，還可以在電力需求側(cè)響應(yīng)、電價(jià)或電力輔助服務(wù)等方面尋求政策支持，進(jìn)一步提升示范工程投資效益。

4 湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展建議與政策需求

目前湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能發(fā)展缺乏政策配套，應(yīng)該重點(diǎn)提及到的是到目前為止，中國(guó)還沒(méi)有達(dá)到類似美國(guó)、日本將儲(chǔ)能當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)業(yè)加以看待并出臺(tái)專門扶持政策的程度，尤其在缺乏為儲(chǔ)能付費(fèi)機(jī)制的前提下，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化模式尚未成形，儲(chǔ)能電站盈利性不明顯，融資也比較難。商業(yè)模式是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大痛點(diǎn)。

另外，我國(guó)電力市場(chǎng)開(kāi)放程度還不夠高，儲(chǔ)能的價(jià)值收益無(wú)法體現(xiàn)，儲(chǔ)能的買單機(jī)制尚未形成，嚴(yán)重阻礙了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展中的應(yīng)用。目前電池儲(chǔ)能技術(shù)正逐步融入電力體系，很多儲(chǔ)能項(xiàng)目是依靠峰谷電價(jià)差來(lái)賺錢，投資回報(bào)周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)較大。為快速啟動(dòng)并推進(jìn)湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目的發(fā)展，解決湖南電網(wǎng)用電緊張問(wèn)題，建議爭(zhēng)取以下幾方面政策支持電網(wǎng)電池儲(chǔ)能發(fā)展。

4.1 參與電力需求響應(yīng)收益

儲(chǔ)能電站通過(guò)參與電力需求響應(yīng)而獲得相應(yīng)補(bǔ)貼。假設(shè)每天在高峰時(shí)段參與電力需求響應(yīng)1次，以緩解電網(wǎng)負(fù)荷壓力，那么以電池儲(chǔ)能電站規(guī)模為12萬(wàn)千瓦為例，如果電力需求響應(yīng)10元/千瓦·次，按迎峰度夏、迎峰度冬期間各執(zhí)行20天，每天執(zhí)行1次電力需求響應(yīng)計(jì)算，每年可獲得電力需求響應(yīng)收益：12萬(wàn)千瓦×40天×1次×10元/千瓦·次＝4800萬(wàn)元。

4.2 基于電價(jià)政策收益

目前國(guó)家尚未出臺(tái)儲(chǔ)能電站充放電量的電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)電價(jià)政策能夠落地實(shí)施，電池儲(chǔ)能電站充放電量?jī)r(jià)格參照相應(yīng)電壓等級(jí)的大工業(yè)用戶電度電價(jià)執(zhí)行，那么峰谷電價(jià)差如果按照0.65元/千瓦時(shí)計(jì)算，放電深度為85%，電池平均循環(huán)壽命為4000次，12萬(wàn)千瓦/24萬(wàn)千瓦時(shí)規(guī)模儲(chǔ)能電站充放電價(jià)差收益則為0.65×240000×0.85×4000＝5.3 億元。

4.3 參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)收益

2016年6月國(guó)家能源局發(fā)布的 《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場(chǎng))機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》(以下簡(jiǎn)稱《通知》)提到：“儲(chǔ)能作為獨(dú)立主體，充電功率應(yīng)在10兆瓦及以上、持續(xù)充電時(shí)間應(yīng)在4小時(shí)及以上，即可參與輔助服務(wù)市場(chǎng)交易?！贝苏咴陔娏o助服務(wù)市場(chǎng)中首次確認(rèn)多類型、多主體儲(chǔ)能電站的參與身份以及“按效果付費(fèi)”的價(jià)格機(jī)制，并且提出電儲(chǔ)能設(shè)施充放電價(jià)格機(jī)制以及參與門檻，既對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出要求和約束，也為其實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件。目前，東北、福建、甘肅、新疆、山西、南方區(qū)域等省和地區(qū)都出臺(tái)輔助服務(wù)市場(chǎng)相關(guān)文件，鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)、電力用戶、獨(dú)立輔助服務(wù)提供商等投資建設(shè)電儲(chǔ)能設(shè)施參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)，有些省和地區(qū)還規(guī)定付費(fèi)方法。2018年1月《南方區(qū)域電化學(xué)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)運(yùn)行管理及輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》發(fā)布，指出“為根據(jù)電力調(diào)度指令進(jìn)入充電狀態(tài)的儲(chǔ)能電站，按其提供充電調(diào)峰服務(wù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)充電電量進(jìn)行0.5元/千瓦時(shí)的補(bǔ)償”。

5 湖南電網(wǎng)電池儲(chǔ)能發(fā)展建議

（1）建議充分發(fā)揮電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站示范引導(dǎo)作用，同時(shí)加強(qiáng)政策建議研究和技術(shù)宣傳，以電網(wǎng)為樞紐，帶動(dòng)全省用戶側(cè)及電源側(cè)電池儲(chǔ)能協(xié)同發(fā)展。

（2）建議圍繞電池儲(chǔ)能應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展深入系統(tǒng)研究，從儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置、儲(chǔ)能并網(wǎng)互動(dòng)方式、規(guī)?；嚎刂?、儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)服務(wù)及商業(yè)模式等方面開(kāi)展課題攻關(guān)，為省內(nèi)電池儲(chǔ)能業(yè)務(wù)發(fā)展掃清技術(shù)障礙。

（3）建議加強(qiáng)與政府溝通，在電池儲(chǔ)能投資成本納入輸配電價(jià)、儲(chǔ)能參與需求側(cè)響應(yīng)以及電力輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制等方面爭(zhēng)取政策支持，為儲(chǔ)能電站投資提供明確的收益渠道，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

（4）建議加強(qiáng)政企研合作，結(jié)合湖南省制造強(qiáng)省行動(dòng)方案，充分調(diào)動(dòng)省內(nèi)各方優(yōu)勢(shì)資源，促進(jìn)電池儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

（5）建議加強(qiáng)電池儲(chǔ)能接入管理，盡早制定用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)或接入管理規(guī)定，盡快建立電網(wǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行監(jiān)控及調(diào)度管理平臺(tái)，保障電池儲(chǔ)能有序接入、科學(xué)發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從電網(wǎng)電池儲(chǔ)能選型、湖南電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)環(huán)境和儲(chǔ)能發(fā)展建議與政策需求三方面對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在湖南電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)介紹與分析。

（1）電池選型方面。鑒于安全因素，電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能適宜采用磷酸鐵鋰電池；鑒于成本和經(jīng)濟(jì)效益，用戶側(cè)電池儲(chǔ)能宜使用鉛炭電池；電源側(cè)電池儲(chǔ)能建議采用磷酸鐵鋰電池。

（2）儲(chǔ)能效益方面。目前湖南電網(wǎng)電池儲(chǔ)能投資效益主要體現(xiàn)在節(jié)約電廠或電網(wǎng)配套投資、社會(huì)效益以及示范效益等方面，暫無(wú)實(shí)質(zhì)性商業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。■

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