基于山西省能源稟賦的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用前景分析

張 敏，常 瀟，李 冉

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

山西是全國(guó)極為重要的綜合能源基地，不僅有以燃煤為主的火力發(fā)電，近年來(lái)以風(fēng)電、光伏為主的新能源發(fā)電比例也在日益增加[1]。但新能源發(fā)電仍有波動(dòng)性和間歇性兩個(gè)問(wèn)題亟待改善，而儲(chǔ)能技術(shù)則是解決此問(wèn)題的有效途徑之一。2019年初，國(guó)家電網(wǎng)公司辦公廳印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能健康有序發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的建設(shè)與發(fā)展方向有了更進(jìn)一步的引導(dǎo)。該文件闡述了國(guó)家電網(wǎng)各級(jí)公司對(duì)于儲(chǔ)能發(fā)展的邊界與重點(diǎn)對(duì)象，意見(jiàn)中指出，國(guó)網(wǎng)各省級(jí)公司可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能開展試點(diǎn)示范應(yīng)用，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新的手段解決電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中的問(wèn)題。本文從儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)特性入手，立足于山西省新能源發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，分析儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響。從儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)各層面的應(yīng)用，提出山西省開展儲(chǔ)能技術(shù)落地實(shí)踐的建議和策略。

1 山西省能源結(jié)構(gòu)分析

1.1 山西省能源現(xiàn)狀

山西省擁有豐富的化石能源儲(chǔ)量及可再生能源發(fā)電潛力，具有重要的戰(zhàn)略地位。截至2018年9月底，山西省發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到8 473.52萬(wàn)kW。其中，火電裝機(jī)6 468.83萬(wàn)kW，水電裝機(jī)222.75萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)978萬(wàn)kW，太陽(yáng)能裝機(jī)803.94萬(wàn)kW。各地區(qū)風(fēng)電、光伏和分布式裝機(jī)情況如圖1所示。

對(duì)于山西省能源稟賦而言，目前化石能源儲(chǔ)量較多。近年來(lái)，山西省積極貫徹國(guó)家新能源發(fā)展政策，以風(fēng)電、光伏為主的新能源發(fā)電形式發(fā)展迅猛。隨著傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，可再生能源滲透率的日益提高，可再生能源存在的并網(wǎng)難、消納難、長(zhǎng)距離傳輸能效低、損耗大、設(shè)備利用率低、系統(tǒng)增容投資邊際效率差等問(wèn)題亟待解決[2]。

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，能源轉(zhuǎn)型面臨著需求放緩、傳統(tǒng)產(chǎn)能過(guò)剩、環(huán)境問(wèn)題突出、整體效率較低等問(wèn)題。因此，山西省需要立足自身能源經(jīng)濟(jì)特性，圍繞風(fēng)能、太陽(yáng)能、水電等可再生能源，加強(qiáng)新能源并網(wǎng)消納能力，打造高比例新能源的綜合能源基地。

圖1 山西電網(wǎng)2018年風(fēng)電、光伏和分布式裝機(jī)情況（萬(wàn)kW）

1.2 山西省能源結(jié)構(gòu)的局限性

“十三五”期間，山西省立足于新型能源基地建設(shè)，大力發(fā)展綜合能源系統(tǒng)示范基地。但在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的壓力逐漸增加，前景不容樂(lè)觀。另外，新一輪電力體制改革即將開啟，這一輪改革將會(huì)對(duì)電力運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制產(chǎn)生較大的影響，也會(huì)對(duì)風(fēng)、光等新能源產(chǎn)生更高的要求，例如促進(jìn)清潔能源的并網(wǎng)消納、降低可再生能源上網(wǎng)電價(jià)以及提高電網(wǎng)購(gòu)電能源中清潔能源的比例等。

山西是國(guó)家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，發(fā)展煤基分布式能源，建立煤炭和新能源協(xié)調(diào)融合、與需求側(cè)相適應(yīng)的能源供給體系，有利于促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的綠色化和合理化。為了適應(yīng)山西新能源的快速發(fā)展，消除高滲透率分布式可再生能源接入帶來(lái)的負(fù)面影響，亟待開展相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用研究，以解決大規(guī)模新能源并網(wǎng)消納的相關(guān)問(wèn)題。

2 儲(chǔ)能技術(shù)特性

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)概況

儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用可有效提升可再生能源大規(guī)模接入水平并改善棄風(fēng)、棄光等問(wèn)題[3]，同時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于改善電網(wǎng)峰谷波動(dòng)、提高發(fā)輸電效率、增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著重要的作用[4]。目前，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展已十分廣泛，主要包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能等形式，其中當(dāng)前最常用的儲(chǔ)能類型是電化學(xué)儲(chǔ)能。多種儲(chǔ)能技術(shù)的落地實(shí)踐不僅可以促進(jìn)新能源并網(wǎng)消納，更能改善能源結(jié)構(gòu)，減少對(duì)化石能源發(fā)電形式的依賴，加強(qiáng)環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)[5]。從儲(chǔ)能的技術(shù)層面而言，對(duì)于風(fēng)電這類波動(dòng)性較高的能源，儲(chǔ)能裝置可以平抑其輸出功率的波動(dòng)，有效降低其對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。對(duì)于山西電網(wǎng)而言，現(xiàn)有的風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量較大，儲(chǔ)能技術(shù)有較大的應(yīng)用空間和效益前景。電化學(xué)儲(chǔ)能主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 電化學(xué)儲(chǔ)能主要技術(shù)參數(shù)

2.2 山西省儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

迄今為止，山西已在全省多個(gè)地區(qū)開展了儲(chǔ)能技術(shù)示范應(yīng)用工程。例如，大同市銀隆新能源儲(chǔ)能模組和三電配套項(xiàng)目作為儲(chǔ)能技術(shù)的先行實(shí)踐工程，擁有1 GW儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)能動(dòng)力電池項(xiàng)目，該項(xiàng)目的年產(chǎn)目標(biāo)為：新能源汽車動(dòng)力電池包12 000臺(tái)、集裝箱儲(chǔ)能電池包200個(gè)。生產(chǎn)的動(dòng)力電池包和儲(chǔ)能電池包均用于風(fēng)力、光伏發(fā)電，助力綜合能源系統(tǒng)和新能源電站的建設(shè)。除此之外，總投資90.7億元的國(guó)網(wǎng)新源渾源150萬(wàn)kW抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能技術(shù)落地應(yīng)用的關(guān)鍵項(xiàng)目，對(duì)于協(xié)助火電機(jī)組進(jìn)行峰谷協(xié)調(diào)也會(huì)起到不可替代的作用。

2017年初，《10 MW級(jí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工程示范》正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目作為山西省儲(chǔ)能技術(shù)的重點(diǎn)示范工程，立足于山西電網(wǎng)目前火電機(jī)組為主的實(shí)際情況，技術(shù)重點(diǎn)是對(duì)于鈦酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制。該項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)于加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力、促進(jìn)可再生能源消納、研發(fā)相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)并配合火電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行，促進(jìn)儲(chǔ)能電站與電網(wǎng)友好互動(dòng)，提升電網(wǎng)接納可再生能源的能力和整體運(yùn)行質(zhì)量有著重要的作用。

上述山西省儲(chǔ)能項(xiàng)目的落地實(shí)踐，將會(huì)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷突破，并以此帶動(dòng)山西省儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，為山西省的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有力支持，提高電網(wǎng)發(fā)展質(zhì)量效益。

3 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景

山西省在不同領(lǐng)域均已開展了儲(chǔ)能技術(shù)的落地實(shí)踐，未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展將會(huì)從經(jīng)濟(jì)性、低碳性、安全性等方面助力山西電網(wǎng)的建設(shè)。以下從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)闡述各類儲(chǔ)能技術(shù)的具體應(yīng)用前景。

3.1 發(fā)電側(cè)

在當(dāng)前政策環(huán)境背景下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括新能源自我消納、可再生能源平滑出力、調(diào)頻輔助服務(wù)、清潔供暖等[6]。

3.1.1 新能源自我消納

在大型地面電站建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以在風(fēng)光資源充足時(shí)將可再生能源多發(fā)的電儲(chǔ)存起來(lái)，在風(fēng)光資源不足時(shí)輸送出去，從而可以有效緩解新能源電站“棄風(fēng)棄光限電”的現(xiàn)象，提高新能源電站自我消納的能力。

3.1.2 可再生能源平滑出力

由于風(fēng)電、光伏等可再生能源出力情況受當(dāng)?shù)貧庀髼l件制約，且輸出功率波動(dòng)頻繁，在外界環(huán)境變化的情況下通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑可再生能源發(fā)電出力波動(dòng)，穩(wěn)定輸出水平，平滑發(fā)電出力曲線，以滿足新能源出力考核要求。

3.1.3 調(diào)頻輔助服務(wù)

能量供需不平衡與系統(tǒng)突發(fā)事件是電力系統(tǒng)運(yùn)行的固有特性，因此調(diào)頻是電力系統(tǒng)的內(nèi)在需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，出力控制精確，且具有雙向調(diào)節(jié)能力，幾乎能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻跟蹤曲線與指令曲線完全一致。因此，在發(fā)電側(cè)配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，獨(dú)立或聯(lián)合火電機(jī)組提供調(diào)頻輔助服務(wù)，能夠有效增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)頻能力，對(duì)提高供電質(zhì)量、保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

3.1.4 實(shí)現(xiàn)熱電解耦和清潔供暖

通過(guò)配置儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)清潔供暖，可以顯著提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，有利于提高火電靈活性，促進(jìn)清潔能源供暖，同時(shí)使得熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力更好地匹配間歇性、波動(dòng)性的風(fēng)電出力，從而提升電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力。

3.2 電網(wǎng)側(cè)

對(duì)于電網(wǎng)側(cè)而言，大力推廣儲(chǔ)能技術(shù)可以提高我國(guó)電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力，解決跨區(qū)域供需矛盾。

3.2.1 提高供電可靠性與電能質(zhì)量

為了防止極端天氣災(zāi)害或突發(fā)事件導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰后，某些重要場(chǎng)所（如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、通信等）可能會(huì)出現(xiàn)的電力中斷，可以利用儲(chǔ)能技術(shù)將其作為旋轉(zhuǎn)備用，減小外部的擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提高暫態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)有效提升本區(qū)域的電能質(zhì)量。

3.2.2 提高電網(wǎng)峰谷負(fù)荷的自調(diào)節(jié)能力

對(duì)于目前電網(wǎng)電能消耗特性中的峰谷差較大、周期性較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以通過(guò)建設(shè)儲(chǔ)能電站將低谷時(shí)期的冗余電能進(jìn)行儲(chǔ)存，在高峰時(shí)刻由儲(chǔ)能電站進(jìn)行釋放，一方面緩解部分城市用電高峰時(shí)需要限電的問(wèn)題，另一方面對(duì)于低谷時(shí)段電網(wǎng)電能的損失有一定的改善作用。

3.3 用戶側(cè)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)有多種典型應(yīng)用場(chǎng)景，其中包括峰谷價(jià)差套利、形成園區(qū)綜合能源系統(tǒng)、需求響應(yīng)等。

3.3.1 峰谷價(jià)差套利

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)用電結(jié)構(gòu)改變，電網(wǎng)峰谷日益增大，對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊，在用戶側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可以從源頭緩解峰谷差的問(wèn)題。目前我國(guó)主要實(shí)行分時(shí)電價(jià)政策，用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)可依據(jù)分時(shí)電價(jià)采取低充高放策略，在負(fù)荷低谷和低電價(jià)時(shí)段充電，在負(fù)荷高峰和高電價(jià)時(shí)段放電，利用峰谷電價(jià)差獲取經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.2 形成園區(qū)綜合能源系統(tǒng)

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)作為靈活可調(diào)節(jié)的用戶側(cè)資源，一般以分布式光伏、小型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、熱泵、儲(chǔ)熱罐等分布式能源設(shè)備為主。該系統(tǒng)的分布式發(fā)電占有一定的比例，但分布式光伏或分散式風(fēng)電都具有間歇性和波動(dòng)性，因此在綜合能源系統(tǒng)中安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效地利用分布式可再生能源，減少柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，提高供電可靠性并降低環(huán)境污染，同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)也可獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益。

3.3.3 需求響應(yīng)

用戶側(cè)儲(chǔ)能參與需求響應(yīng)，一方面可以提升用戶經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)電價(jià)差獲取收益，另一方面還可以獲得需求響應(yīng)政策補(bǔ)貼。同時(shí)，用戶側(cè)儲(chǔ)能參與需求響應(yīng)可以避免多余投資，通過(guò)引導(dǎo)用戶側(cè)儲(chǔ)能夏季參與削峰需求響應(yīng)，冬季參與填谷需求響應(yīng)，可以有效降低發(fā)電廠投資支出。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了山西省能源稟賦以及風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)展情況，探討了不同類型儲(chǔ)能技術(shù)的概況及應(yīng)用前景。多種儲(chǔ)能技術(shù)的示范、推廣及規(guī)?；瘧?yīng)用，可以有效提升山西電網(wǎng)深度調(diào)峰能力，從而增強(qiáng)山西省綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行水平，對(duì)提升山西省風(fēng)電、光伏的消納能力，增加清潔能源的利用率及建設(shè)綜合能源系統(tǒng)示范區(qū)具有重要的工程實(shí)踐意義。

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于改善當(dāng)前山西省能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)有著重要的作用。未來(lái)的研究方向可以著重于發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)使其降低成本，探索更多的適用場(chǎng)景以擴(kuò)大應(yīng)用面，優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略以延長(zhǎng)其運(yùn)行壽命，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行梯級(jí)利用以提高其利用效率。