電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站規(guī)模配置研究

陳昆燦

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003）

0 引言

近年來， 國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目越來越多，根據(jù)國網(wǎng)公司2019年1 號文件，年度首位重點(diǎn)工作是推動(dòng)電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合， 著力構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。 承載電力流的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與承載數(shù)據(jù)流的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，相輔相成、融合發(fā)展，形成強(qiáng)大的價(jià)值創(chuàng)造平臺，共同構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)。由此，國網(wǎng)公司進(jìn)一步提出了變電站、充換電站（儲(chǔ)能站）和數(shù)據(jù)中心站“三站合一”的實(shí)施方案。 儲(chǔ)能作為其中一項(xiàng)主要業(yè)務(wù)，不僅可以保證數(shù)據(jù)中心供電可靠性，還可以起到電網(wǎng)削峰填谷等作用。

目前電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用剛剛起步， 國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未頒布相關(guān)的規(guī)模配置原則， 本文基于統(tǒng)計(jì)方法，對電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站的充放電功率、充放電時(shí)間等規(guī)模配置進(jìn)行分析測算， 以便為后續(xù)三站合一項(xiàng)目儲(chǔ)能規(guī)模選擇提供參考。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能電池及電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用簡介

目前我國電化學(xué)儲(chǔ)能電池較為主流的技術(shù)路線有鉛酸／鉛碳電池、鋰離子電池、液流電池等［1-2］，各電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，具體如下：

鉛酸／鉛碳電池：技術(shù)成熟，使用安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便。 但該類電池突出缺點(diǎn)是能量密度低，深度、快速、大功率放電時(shí)，可用容量下降［3-4］。

鋰離子電池：充放電效率高，能量密度高，循環(huán)壽命較好。但鋰離子電池生產(chǎn)成本較高、不耐過充過放、安全性需進(jìn)一步提高。

液流電池：具有循環(huán)壽命長、充放電特性良好、電池荷電狀態(tài)準(zhǔn)確可控等優(yōu)勢。 但是液流電池儲(chǔ)能密度偏低， 導(dǎo)致體積很大， 另外電池系統(tǒng)增加的管道、泵、閥、換熱器等輔助部件也一定程度上影響其可靠性。

可見，鋰離子電池（特別是磷酸鐵鋰電池）在能量密度、充放電次數(shù)方面優(yōu)勢較為明顯，更能符合電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能需求。 液流電池循環(huán)壽命長，但占地大，目前國內(nèi)主要應(yīng)用在北方地區(qū)（如在建的大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站）。

2018年以來，我國在電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目（含分布式、集中式）驟然爆發(fā)，其中，至2018年底江蘇、河南兩省已建的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到201.8 MW／327.8 MW·h（電池均采用磷酸鐵鋰電池），2019年湖南長沙、江蘇南京、福建泉州等地也已陸續(xù)開工建設(shè)百兆瓦級電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目。 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能正從技術(shù)角度出發(fā)，尋求市場化商業(yè)價(jià)值，電網(wǎng)側(cè)也勢必會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)成為我國儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域［5-6］。

2 研究的基本前提

電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站的一個(gè)主要作用是削峰填谷，并希望它達(dá)到的理想效果是將變電站波動(dòng)的負(fù)荷曲線調(diào)整成一條幾近平穩(wěn)的負(fù)荷曲線， 本文電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模研究主要基于以下基本前提：

1）僅針對存在下網(wǎng)負(fù)荷（或少量上網(wǎng)負(fù)荷）的變電站。

2）變電站最高負(fù)載率在60%以上，在削峰填谷的同時(shí)，也一定程度上減輕了變壓器降壓壓力。

3）變電站負(fù)荷特性曲線應(yīng)與所在省市負(fù)荷曲線一致或近似一致。

4）儲(chǔ)能電站考慮采用磷酸鐵鋰電池，系統(tǒng)充放電轉(zhuǎn)換效率按90%。

5）儲(chǔ)能系統(tǒng)考慮接入變電站10 kV 及以下電壓等級。

6）現(xiàn)階段大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能還處于示范階段。

3 儲(chǔ)能規(guī)模配置原則

本文從儲(chǔ)能規(guī)模的利用率以及最大限度滿足電網(wǎng)側(cè)需求兩個(gè)角度出發(fā)，考慮了3 種儲(chǔ)能規(guī)模（包括能量、功率規(guī)模）配置原則。

3.1 能量配置原則

3.1.1 能量配置原則一

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日每一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段的功率高于（或低于）當(dāng)天平均功率得到正功率差（或負(fù)功率差），并結(jié)合該功率差所持續(xù)的時(shí)間段，計(jì)算得出該時(shí)間段的可放電（或可充電）能量，進(jìn)而累加得出當(dāng)天總的可放電（或可充電）能量，本文以下簡稱“能量偏差”。

2）設(shè)定連續(xù)若干個(gè)能量偏差區(qū)間，計(jì)算在各區(qū)間的概率分布。

3）選擇能量偏差區(qū)間概率較大對應(yīng)的平均能量偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。

3.1.2 能量配置原則二

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日能量偏差。

2）統(tǒng)計(jì)大于等于某一充／放電能量的總概率K能量。

3）選擇一定的 K能量值、對應(yīng)的充／放電能量（計(jì)及充放電轉(zhuǎn)換效率）作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。考慮到目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于發(fā)展階段， 大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、 安全性等問題還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，K能量值按 90%以上選取。

3.1.3 能量配置原則三

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日能量偏差。

2）求每日能量偏差的中心值（均值）和標(biāo)準(zhǔn)差。

3）根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則，把每日的能量偏差看作隨機(jī)變量，把區(qū)間（μ-3σ，μ+3σ）看作是隨機(jī)變量實(shí)際可能的取值區(qū)間， 進(jìn)而作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。

3.2 功率配置原則

3.2.1 功率配置原則一

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日最高／最低負(fù)荷與當(dāng)日平均負(fù)荷之差的最大值MAX（Pmax-Pave，Pave-Pmin），本文以下簡稱“負(fù)荷偏差”。

2）設(shè)定連續(xù)若干個(gè)負(fù)荷偏差區(qū)間，計(jì)算在各區(qū)間的概率分布。

3）選擇負(fù)荷偏差區(qū)間概率較大對應(yīng)的平均負(fù)荷偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)。

3.2.2 功率配置原則二

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日負(fù)荷偏差。

2）統(tǒng)計(jì)大于等于某一負(fù)荷偏差的概率K功率。

3） 選擇一定的K功率值對應(yīng)的負(fù)荷偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)。 考慮到目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于發(fā)展階段，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性等問題還有待進(jìn)一步驗(yàn)證［7］，K功率值按 90%以上選取。

3.2.3 功率配置原則三

1）統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)（一年365 天）的逐日負(fù)荷偏差。

2）求每日負(fù)荷偏差的中心值（均值）和標(biāo)準(zhǔn)差。

3）根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則，把每日的負(fù)荷偏差看作隨機(jī)變量，把區(qū)間（μ-3σ，μ+3σ）看作是隨機(jī)變量實(shí)際可能的取值區(qū)間， 進(jìn)而作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)［8］。

3.3 配置原則使用建議

配置原則一、 二主要是從儲(chǔ)能規(guī)模的利用率方面考慮， 配置原則三則從最大限度滿足電網(wǎng)側(cè)需求面考慮。

結(jié)合 《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》（發(fā)改能源〔2017〕1701 號）提出的“十三五”期間儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡，“十四五” 期間儲(chǔ)能項(xiàng)目廣泛應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，考慮到目前儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展成熟度，建議近期儲(chǔ)能規(guī)模配置宜采用原則一、二，中遠(yuǎn)期在占地等條件允許下儲(chǔ)能規(guī)模配置可按原則三預(yù)留。

4 舉例說明

本文選取某省南部地區(qū)部分最高負(fù)載率大于60%的10 座典型220kV 變電站，按照上一節(jié)提出 3 種配置原則，分別測算各變電站配置儲(chǔ)能規(guī)模，包括能量規(guī)模、功率規(guī)模以及充放電時(shí)間，測算結(jié)果如表1所示。

4.1 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能能量測算

經(jīng)測算，各原則下，各變電站儲(chǔ)能能量配置結(jié)果為：

1）按配置原則一，各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在100～500 MW·h，占所在變電站日最高用電量的2%～10%，均值約5%。

2）按配置原則二，K能量值取90%，各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在100～300 MW·h，占所在變電站日最高用電量的2%～5%，均值約4%。

3）按配置原則三，各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在250～900 MW·h，占所在變電站日最高用電量的7%～14%，均值約10%。

4.2 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能功率測算

經(jīng)測算，各原則下，各變電站儲(chǔ)能功率配置結(jié)果為：

1）按配置原則一，各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在20～70 MW，占所在變電站年最高負(fù)荷的12%～21%，均值約17%。

2）按配置原則二，K功率值取90%，各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在15～45 MW，占所在變電站年最高負(fù)荷的8%～15%，均值約12%。

3）按配置原則三，各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在40～120 MW， 占所在變電站年最高負(fù)荷的22%～41%，均值約30%。

4.3 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能充放電時(shí)間測算

經(jīng)測算，各原則下，各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間結(jié)果為：

1）按配置原則一，各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在3～10 h。

2）按配置原則二，各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在6～7 h。

3）按配置原則三，各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在5～8 h。

4.4 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模配置建議

考慮到大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于示范階段， 現(xiàn)階段儲(chǔ)能功率建議取所在變電站最高負(fù)荷的12%左右，并結(jié)合國內(nèi)儲(chǔ)能電池參數(shù)情況，為節(jié)省投資，充放電時(shí)間建議取3～4 h。隨著大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的提升和應(yīng)用的成熟，在占地等條件具備情況下，遠(yuǎn)期規(guī)?？砂此谧冸娬咀罡哓?fù)荷的30%左右預(yù)留， 充放電時(shí)間仍建議取3～4 h。

表1 各配置原則下的變電站配置儲(chǔ)能規(guī)模匯總

另外，為節(jié)省占地及投資成本，本文電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站建議通過10 kV 及以下電壓等級接入，若220 kV變電站站址周邊位置、間隔等受限，也可考慮分散接入其供電的110 kV 變電站10 kV 側(cè)。

5 結(jié)論

針對用于削峰填谷的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站， 本文提出3 種規(guī)模配置原則， 通過舉例分析多個(gè)變電站負(fù)荷數(shù)據(jù)，得出了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模（包括能量、功率、充放電時(shí)間）與所在變電站負(fù)荷、電量的關(guān)聯(lián)性，并提出本期、遠(yuǎn)景電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站規(guī)模的選取辦法。

本文旨在提出電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模配置的思路與方法，由于不同地方、不同用電性質(zhì)等的負(fù)荷曲線特性指標(biāo)不太一樣， 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模仍需結(jié)合具體地區(qū)變電站進(jìn)一步分析后確定。