大容量電池儲(chǔ)能電站在山東電網(wǎng)應(yīng)用的可行性分析

撖奧洋 ，何俊峰 ，張 冰 ，王 亮 ，周生奇

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展和新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，山東電網(wǎng)運(yùn)行特性發(fā)生了深刻變化，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特征突出，安全穩(wěn)定問(wèn)題呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化趨勢(shì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降，外電大幅增加，新能源消納形勢(shì)嚴(yán)峻［1］。

電池儲(chǔ)能電站具有建設(shè)周期短，控制靈活、快速，調(diào)峰能力大等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究及實(shí)踐的熱點(diǎn)［2-8］。大連200 MW超大容量電池儲(chǔ)能電站、格爾木美滿16MW/64MWh儲(chǔ)能電站、河南電網(wǎng)100 MW電池儲(chǔ)能示范工程等一批項(xiàng)目開(kāi)始大力推進(jìn)。近期江蘇鎮(zhèn)江建成投運(yùn)101 MW/202 MWh的儲(chǔ)能電站，成為目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的已投運(yùn)電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，該項(xiàng)目的建成可以為當(dāng)?shù)靥峁┙?0萬(wàn)kWh的高峰電力供應(yīng)，滿足17萬(wàn)居民生活用電需求［9］。電池儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、新能源接納等方面均可發(fā)揮重要作用［10-13］。

山東電網(wǎng)也開(kāi)展了電池儲(chǔ)能電站的相關(guān)研究，并在政策方面積極進(jìn)行探索。在分析大容量電池儲(chǔ)能電站解決山東電網(wǎng)調(diào)峰、新能源消納、局部供電不足等問(wèn)題可行性的基礎(chǔ)上，分析了大容量電池儲(chǔ)能電站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 山東電網(wǎng)運(yùn)行基本情況

山東電網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題有：電網(wǎng)峰谷差加大，調(diào)峰能力不足；特高壓交直流落戶山東后，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特征突出，電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題復(fù)雜化；嚴(yán)重故障條件下可能出現(xiàn)調(diào)頻容量不足；新能源發(fā)電快速增長(zhǎng)，新能源消納形勢(shì)不容樂(lè)觀；整體電力盈余與局部供電能力不足現(xiàn)象并存。

1.1 電網(wǎng)峰谷差加大與系統(tǒng)調(diào)峰能力不足問(wèn)題

山東電網(wǎng)目前主要的調(diào)峰手段包括：利用泰山抽水蓄能電站調(diào)峰；利用帶基本負(fù)荷的機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)；采取機(jī)組輪流開(kāi)停的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

目前，正常情況下，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)能力可滿足次日系統(tǒng)調(diào)峰需求。但對(duì)于天氣變化導(dǎo)致連續(xù)多日負(fù)荷水平急劇變化，需要充分利用泰山抽蓄及火電機(jī)組開(kāi)停機(jī)進(jìn)行調(diào)峰，個(gè)別情況下，需要采取臨時(shí)停機(jī)備用的手段。隨著關(guān)停小機(jī)組和冬季供熱機(jī)組增加，300 MW機(jī)組成為主力調(diào)峰機(jī)型，節(jié)假日期間仍需調(diào)用所有的調(diào)峰手段，多臺(tái)次開(kāi)停600 MW及以下機(jī)組。隨著新能源裝機(jī)容量特別是風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，調(diào)峰壓力日益增大，部分情況下需要采取棄風(fēng)、棄光的措施。這在很大程度上制約了對(duì)新能源的消納。

隨著特高壓交流和直流落戶山東及山東海陽(yáng)核電的投運(yùn)，山東電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)的調(diào)峰措施可謂捉襟見(jiàn)肘，這給大小方式轉(zhuǎn)換和小方式安排帶來(lái)較大困難。同時(shí)，系統(tǒng)調(diào)峰容量不足也壓縮了新能源的消納空間。

1.2 山東電網(wǎng)新能源消納情況

截至2017年10月底風(fēng)電總裝機(jī)容量1007萬(wàn)kW，光伏總裝機(jī)容量902萬(wàn)kW，其中集中式光伏裝機(jī)容量536萬(wàn)kW。2018年底，預(yù)計(jì)全網(wǎng)裝機(jī)容量1.02億kW，其中直調(diào)火電裝機(jī)容量將達(dá)到6 371.5萬(wàn)kW、抽蓄100萬(wàn)kW、核電250萬(wàn)kW、風(fēng)電1 280萬(wàn)kW、集中式光伏820萬(wàn)kW。目前山東電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光比例分別為1.11%，0.45%。未來(lái)隨著新能源裝機(jī)的進(jìn)一步增長(zhǎng)，棄風(fēng)、棄光比例將會(huì)上升。

影響電網(wǎng)對(duì)新能源接納能力的因素主要有2個(gè)方面：系統(tǒng)調(diào)峰容量及調(diào)峰能力與電網(wǎng)送出能力。電網(wǎng)送出能力主要包括線路額定功率、考慮電網(wǎng)穩(wěn)定控制要求后的斷面功率限制等，山東電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)大部分地區(qū)還有較大的送出裕度。影響山東電網(wǎng)新能源發(fā)電接納能力的首要因素是系統(tǒng)備用調(diào)節(jié)容量不足。目前山東電網(wǎng)主要依靠直調(diào)公用機(jī)組以及泰山抽水蓄能電站調(diào)峰，直調(diào)公用機(jī)組深度調(diào)峰能力約為700 MW，泰山抽蓄抽水負(fù)荷約為530 MW，調(diào)峰能力遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)新能源繼續(xù)增長(zhǎng)的需求。

綜上所述，山東電網(wǎng)的新能源消納形勢(shì)已經(jīng)不容樂(lè)觀。提高新能源消納水平，需要增加系統(tǒng)的備用調(diào)節(jié)容量，就當(dāng)前而言，水電、抽水蓄能機(jī)組受自然條件限制，短時(shí)無(wú)法增加。煤電機(jī)組基本都是超大容量機(jī)組，這類(lèi)機(jī)組只有在設(shè)計(jì)優(yōu)化的負(fù)載區(qū)間內(nèi)效率最優(yōu)；當(dāng)進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組效率下降，煤耗大幅上升。同時(shí)，伴隨在特高壓交直流落戶山東，以及海陽(yáng)核電機(jī)組陸續(xù)投運(yùn)，在發(fā)電與供電平衡中整體發(fā)電存在盈余的情況下，大量增加煤電機(jī)組，顯然會(huì)進(jìn)一步降低在運(yùn)火電機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)，對(duì)于社會(huì)整體而言顯然是一種巨大的浪費(fèi)。

1.3 電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題

隨著特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展和新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行特性發(fā)生深刻變化，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特征突出，安全穩(wěn)定問(wèn)題呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：多回直流集中饋入，交流電網(wǎng)支撐不足；系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降，安全基礎(chǔ)明顯削弱；交直流混聯(lián)特性復(fù)雜，受電能力約束增多；故障沖擊不斷加大，連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)劇增，網(wǎng)內(nèi)多條500 kV及220 kV線路故障將導(dǎo)致3回直流同時(shí)換相失敗，對(duì)送、受端電網(wǎng)均產(chǎn)生巨大的有功、無(wú)功沖擊；網(wǎng)內(nèi)2回及以上直流閉鎖，易造成華北—華中特高壓聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)南I線解列，華北電網(wǎng)頻率可能跌破49.25Hz，觸發(fā)低頻減載動(dòng)作等方面。

1.4 電力整體盈余與局部地區(qū)供電能力不足問(wèn)題

2017年隨著特高壓“兩交兩直”相繼投產(chǎn)（榆橫—濰坊交流、臨沂特高壓交流、上海廟—臨沂直流、扎魯特—青州直流），山東電網(wǎng)通過(guò)4回1 000 kV線路、4回500 kV線路，3回直流與外網(wǎng)聯(lián)系，山東電網(wǎng)的受電比例大幅增加。與此同時(shí)，網(wǎng)內(nèi)海陽(yáng)核電陸續(xù)投產(chǎn)，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)供電電源，而負(fù)荷的增長(zhǎng)則趨緩，總體而言，山東電網(wǎng)處于一個(gè)大多數(shù)時(shí)間段電力盈余，只有極短的時(shí)間處于夏季高峰負(fù)荷電力供應(yīng)趨緊時(shí)段的狀態(tài)。另一方面，山東電網(wǎng)存在局部地區(qū)由于負(fù)荷密集程度高、電網(wǎng)送電能力有限導(dǎo)致的供電不足問(wèn)題，如青島嶗山片，即存在夏季大負(fù)荷方式主變壓器下送及線路輸送能力不足的問(wèn)題。該類(lèi)地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，城區(qū)用地緊張，線路和主變壓器改造相對(duì)困難，在一定程度上給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來(lái)了不利影響。

電池儲(chǔ)能電站建站靈活，可以充分利用現(xiàn)有變電站的空地，采取分散建設(shè)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的模式，在實(shí)際運(yùn)行中起到一個(gè)大電站的作用。電池儲(chǔ)能電站在低谷負(fù)荷時(shí)充電，在高峰負(fù)荷時(shí)發(fā)電，可以減少在高峰負(fù)荷時(shí)上級(jí)主變壓器的下送功率同時(shí)減少輸電線路的輸送功率需求，從而解決局部地區(qū)供電能力不足的問(wèn)題。

1.5 系統(tǒng)調(diào)頻問(wèn)題

目前山東電網(wǎng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻基本能滿足需求，特高壓交直流落戶山東后，在正常小擾動(dòng)方式下，山東電網(wǎng)的頻率波動(dòng)范圍滿足嚴(yán)格的電網(wǎng)頻率控制要求。但在特高壓直流單極閉鎖（N-1故障一般不采取穩(wěn)控措施）疊加新能源大量脫網(wǎng)的情況下，系統(tǒng)的頻率偏差將會(huì)加大，需要采取緊急調(diào)控措施。如果有大容量?jī)?chǔ)能電站緊急輸出功率，可以減少系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。

2 大容量電池儲(chǔ)能電站對(duì)山東電網(wǎng)的作用

2.1 大容量電池儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的作用

電池儲(chǔ)能電站建站靈活，既可大容量集中建設(shè)，又可小容量分散建設(shè)協(xié)調(diào)控制。而火電機(jī)組建設(shè)周期長(zhǎng)，集中占地面積大；另一方面，為了降低度電煤耗，現(xiàn)有政策不允許新建小容量火電機(jī)組，新投產(chǎn)的火電機(jī)組容量大都在60萬(wàn)kW以上，新上大容量火電機(jī)組勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步降低本來(lái)已經(jīng)很低的火電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)，對(duì)社會(huì)資源來(lái)說(shuō)是巨大的浪費(fèi)。儲(chǔ)能電站本質(zhì)上是將負(fù)荷在時(shí)間上進(jìn)行重新排布，并不是新增電源。儲(chǔ)能電站的建設(shè)有利于提高現(xiàn)有機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)，減輕大小方式轉(zhuǎn)換和小方式安排的困難程度，同時(shí)又可以增加在高峰負(fù)荷時(shí)的發(fā)電容量。因此儲(chǔ)能電站對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度來(lái)說(shuō)其優(yōu)點(diǎn)不言而喻。

儲(chǔ)能電站可以在正反2個(gè)功率方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以在高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷2個(gè)時(shí)段增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)容量，可以有效解決系統(tǒng)調(diào)峰容量不足的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)包含儲(chǔ)能電站的多電源聯(lián)合優(yōu)化，采取削峰填谷的控制策略，制定優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃，可以大大緩解系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。

儲(chǔ)能電站的削峰填谷，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供備用容量，同時(shí)減少常規(guī)機(jī)組啟停次數(shù)，較大程度地降低系統(tǒng)總能耗，改善電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)儲(chǔ)能電站達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，將大大縮減電網(wǎng)的峰谷差，降低裝機(jī)投資成本，減少火電調(diào)峰的次數(shù)。

2.2 大容量電池儲(chǔ)能對(duì)新能源消納的作用

新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，高滲透率的新能源接入將給電網(wǎng)潮流、電壓、頻率等帶來(lái)不利影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致潮流大范圍變化，系統(tǒng)電壓頻率大幅波動(dòng)。

電池儲(chǔ)能電站比常規(guī)電廠出力調(diào)節(jié)速度更快，具有控制響應(yīng)速度快，有功、無(wú)功四象限解耦控制的優(yōu)異性能，若能對(duì)儲(chǔ)能與風(fēng)電光伏等新能源發(fā)電聯(lián)合調(diào)度，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥墒闺S機(jī)變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定的輸出，滿足并網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)要求。從而可以提高新能源發(fā)電功率的可控性，抑制其波動(dòng)性，提高電能質(zhì)量，大大提升電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電的接納能力。

2.3 大容量電池儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的作用

電池儲(chǔ)能可以在幾十毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電、放電狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換。在制定安全穩(wěn)定控制策略時(shí)，優(yōu)先使用電池儲(chǔ)能電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以達(dá)到 “以調(diào)代切”的效果，減少切機(jī)切負(fù)荷量。

2.4 大容量電池儲(chǔ)能對(duì)改善局部電網(wǎng)潮流的作用

山東電網(wǎng)局部地區(qū)存在高峰負(fù)荷時(shí)段供電能力不足的問(wèn)題，部分線路及主變壓器長(zhǎng)期處在重載狀態(tài)。利用大容量?jī)?chǔ)能在低谷時(shí)段儲(chǔ)能，高峰時(shí)段發(fā)電可以大大緩解高峰時(shí)段輸電線路和主變壓器的負(fù)載率。

青島地區(qū)高峰負(fù)荷下，青聯(lián)線故障會(huì)導(dǎo)致青南線、李南線重載甚至過(guò)載問(wèn)題。若在南京路站或附近布置儲(chǔ)能裝置，則加裝不同容量?jī)?chǔ)能時(shí)，線路負(fù)載率變化情況如表1所示。從表1可見(jiàn)儲(chǔ)能對(duì)局部潮流的改善作用非常明顯。

表1 夏季高峰電池儲(chǔ)能電站對(duì)局部潮流的改善作用

2.5 大容量電池儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻的作用

常規(guī)機(jī)組對(duì)調(diào)度指令從開(kāi)始響應(yīng)到完全響應(yīng)，動(dòng)輒幾百毫秒，抽水蓄能機(jī)組從發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)入抽水狀態(tài)或從抽水狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)中間需要停機(jī)，時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾分鐘甚至更長(zhǎng)，而電池儲(chǔ)能可在幾十毫秒之內(nèi)完全響應(yīng)上級(jí)調(diào)度的控制指令，可以實(shí)現(xiàn)從發(fā)電、儲(chǔ)能狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，因此利用電池儲(chǔ)能電站來(lái)進(jìn)行調(diào)頻或平抑新能源出力波動(dòng)，可以使得電網(wǎng)頻率、功率控制更加精細(xì)、快速。此外，電池儲(chǔ)能電站調(diào)頻時(shí)優(yōu)先動(dòng)作可以減少常規(guī)機(jī)組調(diào)門(mén)動(dòng)作次數(shù)，提高常規(guī)機(jī)組調(diào)門(mén)的使用壽命，產(chǎn)生綜合的社會(huì)效益。

2.6 大容量電池儲(chǔ)能電站對(duì)電網(wǎng)黑啟動(dòng)的作用

大容量?jī)?chǔ)能電站具有自啟動(dòng)特性，可以在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致局部或全網(wǎng)失電時(shí)充當(dāng)黑啟動(dòng)電源，為重要負(fù)荷供電，也可以給火電廠提供廠用電，幫助火電廠進(jìn)行啟動(dòng)。

2.7 大容量電池儲(chǔ)能電站的短路電流特性

由于逆變器本身的限流控制，電池儲(chǔ)能電站在系統(tǒng)故障期間可以看作是一個(gè)電流源，其大小一般不超過(guò)額定電流，因此對(duì)于系統(tǒng)短路容量的增加貢獻(xiàn)較小，相比于同等容量的同步發(fā)電機(jī)相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)。這對(duì)于部分短路電流水平較高同時(shí)又因新能源消納等而產(chǎn)生有新增發(fā)電機(jī)組需求的地區(qū)而言無(wú)疑是一個(gè)更優(yōu)的選擇。

3 大容量電池儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性

隨著電池材料的進(jìn)步及電池的規(guī)?；瘧?yīng)用，電池儲(chǔ)能的價(jià)格特別是鋰電池的價(jià)格呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。在各種類(lèi)型的電池里面，鋰離子電池工作電壓高、體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)；鋰電池具有所有儲(chǔ)能電池中最高的能量密度和綜合循環(huán)效率。目前鋰電池的最低報(bào)價(jià)已經(jīng)接近1 500元/kWh，基本達(dá)到電站運(yùn)營(yíng)的盈虧平衡點(diǎn)。隨著材料科學(xué)的發(fā)展及規(guī)模化應(yīng)用，大容量?jī)?chǔ)能電站的成本還將進(jìn)一步下降，大容量?jī)?chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步凸顯。

電池儲(chǔ)能電站的政策方面，2016年11月，東北能監(jiān)局發(fā)布了《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》，為儲(chǔ)能設(shè)施參與電力輔助服務(wù)提供了依據(jù)。2017年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等5部門(mén)聯(lián)合印發(fā) 《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確了促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義、總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施。2017年12月，南方監(jiān)管局發(fā)布了《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）》，鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)、電力用戶、儲(chǔ)能企業(yè)或其他市場(chǎng)主體投資建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施，促進(jìn)儲(chǔ)能電站為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓、黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)。2018年7月，山東經(jīng)信委聯(lián)合山東物價(jià)局制定印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展電力需求響應(yīng)市場(chǎng)試點(diǎn)工作的通知》（魯經(jīng)信電力［2018］244號(hào)），明確將通過(guò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，儲(chǔ)能設(shè)施應(yīng)具備單獨(dú)控制條件，補(bǔ)償價(jià)格為每響應(yīng)1 kW負(fù)荷最高可補(bǔ)償30元。上述政策的出臺(tái)明確了電池儲(chǔ)能參與電力輔助服務(wù)并獲取收益的地位，有利于電池儲(chǔ)能電站的健康發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

山東電網(wǎng)近年來(lái)面臨電網(wǎng)峰谷差加大，系統(tǒng)調(diào)峰容量不足，新能源接納能力不足，局部電網(wǎng)供電能力不足等問(wèn)題。大容量電池儲(chǔ)能電站可以改變電能生產(chǎn)、輸送與消費(fèi)必須同步完成的傳統(tǒng)模式，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可以發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)節(jié)潮流、提供黑啟動(dòng)電源等作用，隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)特別是材料科學(xué)的進(jìn)步以及規(guī)?；瘧?yīng)用，電池儲(chǔ)能成本將進(jìn)一步下降，其經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步凸顯，電池儲(chǔ)能電站必將在未來(lái)電網(wǎng)中扮演更加重要的角色，發(fā)揮更大的作用。