余蘇敏,蘇浩,方陳,桂強,周云,馮冬涵
(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海200240;2.國網(wǎng)上海電力公司 電力科學(xué)研究院,上海200437)
電力儲能技術(shù)是促進新能源消納的重要手段,在實現(xiàn)電力行業(yè)碳減排、促進能源轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前,儲能已被廣泛部署于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的各個環(huán)節(jié)。在電源側(cè),儲能的應(yīng)用主要集中在協(xié)調(diào)并網(wǎng)發(fā)電機組出力,包括輔助傳統(tǒng)發(fā)電機組調(diào)峰和自動發(fā)電控制、平滑新能源出力波動、跟蹤計劃曲線等;在電網(wǎng)側(cè),儲能系統(tǒng)是提升電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性的重要設(shè)備,主要參與負荷峰谷、電網(wǎng)頻率、電壓調(diào)節(jié),潮流分布優(yōu)化,并在緊急情況下提供功率支撐;在用戶側(cè),儲能系統(tǒng)承擔著電網(wǎng)故障下的后備電源角色。然而,隨著供電可靠性的提升、儲能成本的下降以及聚合商模式的出現(xiàn),用戶側(cè)儲能的應(yīng)用場景逐漸擴展至分時電價套利、需量管理、提供電網(wǎng)輔助服務(wù)等方面。
目前,部分研究已對儲能在平滑新能源出力波動[1]、輔助并網(wǎng)[2]、參與調(diào)頻[3]、緩解調(diào)峰壓力[4]等方面的應(yīng)用進行了細致而充分的總結(jié)。然而,上述文獻大多聚焦于儲能在源網(wǎng)側(cè)的運行研究,對用戶側(cè)儲能涉及較少。由于配置主體、配置環(huán)境、商業(yè)模式等方面的不同,用戶側(cè)儲能表現(xiàn)出了與發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)儲能較大的差異。首先,配置儲能所帶來的利益回報是關(guān)系用戶安裝儲能積極性的重要因素,在價格政策及市場環(huán)境下,用戶側(cè)儲能的應(yīng)用場景選擇、效益分析就顯得尤為重要;其次,電力儲能(如電化學(xué)儲能)在運行過程中會產(chǎn)生設(shè)備老化,其壽命折損成本的精細表征直接影響著用戶配置儲能的經(jīng)濟效益;此外,因應(yīng)用場景的差異,用戶側(cè)儲能的運行優(yōu)化問題呈現(xiàn)出一些新的邊界條件(如最大需量),其運行策略并不能與源網(wǎng)側(cè)儲能一概而論。
隨著戶用光伏和電動汽車的逐漸普及,全球用戶側(cè)儲能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。根據(jù)國際能源署最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5],近5年全球用戶側(cè)儲能新增裝機容量5.2 GW,自2017年以來,連續(xù)多年保持年均1.5 GW的高速增長,增長速度已超過電網(wǎng)側(cè)儲能的增長速度。作為用戶側(cè)儲能的主要形式,預(yù)計到2030年,用戶側(cè)電池系統(tǒng)將占據(jù)電池儲能系統(tǒng)總?cè)萘康?0%~64%[6]。另一方面,近年來世界范圍內(nèi)多起因極端氣候?qū)е碌墓╇姽收弦布由盍擞脩襞渲米杂脙δ艿囊庠浮?021年2月,因多日嚴寒天氣,被稱為美國“能源心臟”的得克薩斯州發(fā)生重大停電事故,部分地區(qū)電價比平日高出300倍左右。光伏儲能系統(tǒng)及電動汽車為幫助部分用戶度過此次危機發(fā)揮了重要支撐作用。
基于上述背景,本文將從電池儲能的壽命折損成本建模出發(fā),分析世界范圍內(nèi)用戶側(cè)儲能的應(yīng)用場景以及運行效益,并在此基礎(chǔ)上梳理各應(yīng)用場景下用戶側(cè)儲能優(yōu)化運行的研究成果及實際案例。通過總結(jié)用戶側(cè)儲能的商業(yè)價值,提出相關(guān)問題的研究建議,并對未來用戶側(cè)儲能的發(fā)展進行展望。
電池老化指隨著電池儲能系統(tǒng)的運行,電極與電池內(nèi)部將發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng),從而引起電池能量容量的下降。當電池能量容量下降至某一水平時,電池達到退役條件需要更換,認為此時電池壽命衰減至0。電池的運行成本一般以該運行時段電池壽命衰減程度來等效計算,因此又被稱為壽命折損成本。
電池老化一般包括日歷老化和循環(huán)老化。日歷老化表達了不以運行與否為轉(zhuǎn)移的時間流逝對電池壽命的影響,一般認為其與環(huán)境溫度、放置時間、平均荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)有關(guān),在當前儲能系統(tǒng)的運行優(yōu)化研究中一般將其忽略或作為常數(shù)處理[7]。循環(huán)老化揭示了電池的日常充放電行為對電池壽命的影響,也是當前電池儲能系統(tǒng)成本分析與運行優(yōu)化的關(guān)鍵。本文將重點歸納電池儲能循環(huán)壽命衰減方面的研究成果。
電池的循環(huán)老化與運行溫度、電流(功率)大小、放電深度(depth of discharge,DOD)、充放電起始SOC有關(guān)。文獻[8]和文獻[9]分別通過限制電池儲能運行時的SOC范圍、充放電循環(huán)次數(shù)來達到在實際運行中計及循環(huán)老化、延長電池使用壽命的目的。但是該類方法并未對儲能壽命折損成本進行測算,因而無法充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的效益最優(yōu)性[7]。為了量化電池儲能的循環(huán)壽命折損,當前業(yè)界的建模方法可大致歸納為以下方面。
1.2.1 基于實驗的電池壽命損耗建模
部分研究采用現(xiàn)代物理測試技術(shù)和電化學(xué)檢測手段實測電池的壽命損耗程度,通過鋰電池短期老化試驗等試驗手段,基于數(shù)據(jù)和模型分析不同影響因素對電池壽命的影響。文獻[10]通過電化學(xué)檢測-計算機模擬聯(lián)合建立電池的壽命模型,建立容量衰減隨循環(huán)次數(shù)、環(huán)境溫度、放電倍率以及充放電深度的冪函數(shù)模型。文獻[11]以容量衰減程度表征儲能壽命損耗,通過對電池容量衰減化學(xué)實驗對比以及機理分析,研究了充放電電流、DOD、終止電壓、內(nèi)阻以及過電壓對容量衰減的影響,建立儲能壽命損耗模型。文獻[12]建立了基于容量衰減機理分解分析的電池壽命預(yù)測模型,通過研究電池平衡電位方程,并基于老化實驗進行衰減預(yù)測擬合,最終確定電池的壽命預(yù)測模型。
1.2.2 基于疲勞分析的電池壽命損耗建模
部分研究采用在材料疲勞壽命計算中廣泛使用的雨流計數(shù)法計算儲能壽命損耗。該方法將SOC變化曲線分解為等效的全循環(huán)或半循環(huán)的充放電深度統(tǒng)計累積循環(huán)次數(shù),再基于儲能電池的壽命循環(huán)次數(shù)與儲能充放電深度關(guān)系曲線,確定各DOD的衰減系數(shù),最終評估壽命衰減情況。然而,由于儲能SOC一般為待優(yōu)化變量,因此雨流計數(shù)法屬于后驗的評估算法,難以嵌入優(yōu)化過程之中[13]。文獻[14]提出一種改進的在線雨流計數(shù)法,同時考慮到儲能SOC以及電流對壽命的影響,將儲能壽命損耗計算時間控制在15 ms以內(nèi),但該方法仍未脫離后驗評估算法的范疇。
1.2.3 基于總吞吐電量的電池壽命損耗建模
儲能的總吞吐電量可以表示為儲能額定電量、充放電循環(huán)次數(shù)與DOD乘積的2倍[15]。文獻[16]近似認為儲能生命周期內(nèi)的總吞吐量是一個固定值,將儲能的配置成本除以不同DOD下的平均總吞吐量,確定單位電量儲能損耗成本。文獻[17]不再以固定的度電成本量化損耗成本,而是考慮了DOD與度電成本的動態(tài)關(guān)系,并將儲能損耗項作為目標函數(shù)優(yōu)化儲能運行策略。
1.2.4 考慮多種因素影響的電池壽命損耗建模
目前考慮多種因素影響的儲能壽命損耗的建模方法包括后驗的評估模型和可嵌入優(yōu)化的計算模型。區(qū)別于雨流計數(shù)法等后驗式壽命損耗模型,考慮多種因素的復(fù)雜電池壽命損耗模型可嵌入優(yōu)化中。文獻[18]綜合考慮了充電起始SOC、終止SOC、充放電功率等因素建立儲能的壽命損耗模型,但該方法建立的模型復(fù)雜度較高。文獻[19]通過求解原函數(shù)的思路疊加,考慮了放電深度、SOC對電池壽命損耗的影響,并對其進行了分段線性化處理,在儲能的實時調(diào)度方面取得了良好的效果。
降低用戶的用電成本是用戶側(cè)儲能推廣和發(fā)展的主要驅(qū)動因素。圍繞用戶側(cè)儲能的資本回收與盈利模式,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進行了一定程度的探索。
分時電價是一種用電價格隨時間、季節(jié)和日期類型(工作日或節(jié)假日)而變化的費率計劃?;谶@一費率計劃,在電價低谷時充電、電價高峰時放電的分時套利成為用戶側(cè)儲能的基本盈利手段。文獻[20]以紐約州分時電價模型為例,評估了該州各地區(qū)配置儲能用于套利的經(jīng)濟性。特別地,對于集成了戶用光伏的家庭用戶,其儲能充電成本因廉價的光伏電力而得到進一步降低,有利于減少用戶電價高峰期的用電電費。此外,美國、日本等國家相繼推出了電力反饋計劃,允許用戶將過剩的電力饋入電網(wǎng),勢必將進一步擴大分時套利的盈利前景。
在分時套利模式中,峰谷價差和儲能的壽命折損成本是能否盈利的關(guān)鍵。文獻[21]通過比較儲能系統(tǒng)全生命周期度電成本與等效電價差,給出了用戶側(cè)儲能參與分時套利的經(jīng)濟性判據(jù)。文獻[22]指出,在當前電池儲能的技術(shù)成本及運行效率下,單靠分時套利很難確保能收回儲能的投資成本。
對于大型工商業(yè)用戶,一般采用兩部制電價征收電費,包括根據(jù)用戶實際用電電量核算的電度電費以及按照用戶用電容量計算的基本電費?;倦娰M一般定價較高,以上海為例,按照變壓器容量和月度最大需量結(jié)算的基本電價,分別約為平均電度價格的46倍和70倍[23]。因此,雖然僅根據(jù)“用戶最大容量(需量)×電價”一次性收取,但基本電費仍占據(jù)了工商業(yè)用戶用電成本的30%~70%[24]。巨大的成本削減空間為用戶側(cè)儲能提供了新的應(yīng)用場景。文獻[25]指出,利用儲能削減用戶的最大負荷可以帶來20%的電費節(jié)省。
分時套利和基本電費削減為儲能系統(tǒng)在用戶自身提供成本節(jié)約服務(wù)方面的應(yīng)用。當戶用儲能系統(tǒng)的配置或聚合容量達到一定水平時,用戶可以進一步利用其參與電網(wǎng)輔助服務(wù)(如調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、需求響應(yīng)等)以獲取經(jīng)濟收益。文獻[26]開展了用戶側(cè)儲能設(shè)備參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的技術(shù)經(jīng)濟性分析。文獻[27]比較了當前不同儲能技術(shù)提供電網(wǎng)服務(wù)的性能表現(xiàn),指出鋰離子電池的巨大技術(shù)優(yōu)勢。由于儲能的快速響應(yīng)特性,儲能參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)被認為是最有前景的服務(wù)類型之一[28]。文獻[29]以廣義儲能(樓宇負荷和電池儲能)為基礎(chǔ),闡釋了參與調(diào)頻收益優(yōu)于充當旋轉(zhuǎn)備用的運行機理。此外,國內(nèi)外對用戶側(cè)儲能提供多種用戶、電網(wǎng)服務(wù)的盈利模式和最優(yōu)搭配也展開了有益探索[30—31]。值得說明的是,參與電網(wǎng)調(diào)頻始終是上述研究中用戶側(cè)儲能運行效益最佳的運行場景。
用戶側(cè)儲能的最優(yōu)運行,關(guān)系著用戶的投資回收年限和經(jīng)濟效益。結(jié)合具體的應(yīng)用場景,對其的研究可分為單一場景下用戶側(cè)儲能運行優(yōu)化和考慮多場景的聯(lián)合優(yōu)化。
分時套利是用戶側(cè)儲能應(yīng)用最廣泛的場景。文獻[32]固定了住宅電池儲能的充放電功率,對充放電時間進行了優(yōu)化。文獻[33]提出了一個基于分時電價、住宅負荷、儲能容量的運行規(guī)則,通過邏輯條件判斷來設(shè)定儲能各時段的充放電功率。在用戶需量管理方面,設(shè)定需量閾值、利用儲能放電對用戶負荷進行平抑是用戶側(cè)儲能運行的基本思路[34]。部分研究將需量電費顯性地融入用戶的日電費最小化函數(shù)[35],然而,需量電費一般以月為單位收取,該方法忽視了各日最大需量的耦合影響。文獻[36]創(chuàng)新性地將動態(tài)規(guī)劃引入用戶月度需量電費的最優(yōu)性模型,取得了明顯的優(yōu)化效果。文獻[37]提出了基于調(diào)節(jié)自由度的運行策略以使服務(wù)提供商在響應(yīng)頻率控制信號的同時適當補充電池電量。此外,學(xué)術(shù)界在利用用戶側(cè)儲能緩解線路潮流阻塞[38]、參與電壓調(diào)節(jié)[39]等方面的研究也取得了積極進展。
近年來,為了最大化用戶的投資收益,用戶側(cè)儲能的多場景聯(lián)合運行優(yōu)化逐漸受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注。計及多種收益流的儲能經(jīng)濟運行有利于充分發(fā)揮儲能在各自場景的盈利潛力,甚至產(chǎn)生1+1>2的收入聚合效應(yīng)[16]。
將儲能系統(tǒng)分組,使不同組別的儲能承擔不同的功能,是實現(xiàn)儲能系統(tǒng)同時參與多種盈利模式的有效手段。此外,考慮到時段解耦,在不同時段運行儲能可承擔不同的功能[40]。上述拆分思路均在一定意義上忽略了多場景運行的相互影響,有利于簡化問題建模。然而,大多研究選擇從多場景、多時段耦合角度出發(fā),構(gòu)建統(tǒng)一的儲能綜合經(jīng)濟運行模型。文獻[30]以德國電力市場為例,提出了一種用戶側(cè)儲能同時參與調(diào)頻和削減用戶峰值負荷的調(diào)度策略,將累計最大需量作為各日狀態(tài)變量,計及了月度需量電費的影響。文獻[41]建立了基于動態(tài)規(guī)劃的儲能運行嵌套模型,通過不同優(yōu)化時域的子模型層層深入,解決了參與調(diào)頻和電價套利時間尺度不一的問題。文獻[42]提出了融合分時套利、需量管理和電網(wǎng)調(diào)頻的兩階段優(yōu)化模型,在日前階段對目標日的調(diào)頻申報容量、最大需量閾值以及儲能最優(yōu)SOC軌跡進行決策,在日內(nèi)階段實時調(diào)度儲能出力,盡可能跟蹤日前軌跡并保證峰值負荷不越限。
當前,用戶側(cè)儲能已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段。美國、澳大利亞等儲能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先國家在居民住宅、工商業(yè)用戶儲能系統(tǒng)方面發(fā)展較快。在國內(nèi),受限于居住空間條件,居民住宅儲能系統(tǒng)部署較少,故用戶側(cè)儲能項目多集中在工商業(yè)用戶。國內(nèi)外部分用戶側(cè)儲能典型案例如表1所示。
表1 國內(nèi)外用戶側(cè)儲能典型案例Table 1 Typical cases of domestic and foreign user side energy storage
表1所列案例中,美國舊金山Stem儲能項目以租賃模式將儲能提供給自有分布式光伏的企業(yè),使用戶以低成本享有儲能使用權(quán),提高光伏利用率,有效降低企業(yè)的需量電費;墨西哥ON Energy Storage項目運營的用戶側(cè)電池儲能系統(tǒng)可向電網(wǎng)提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù);無錫星洲工業(yè)園儲能項目通過谷電峰用,可有效降低工業(yè)園區(qū)變壓器負載率,延緩變壓器增容速度,同時參與電網(wǎng)臨時性調(diào)峰需求響應(yīng);福建和意農(nóng)業(yè)儲能項目在承擔削峰填谷作用的同時,兼作用戶側(cè)應(yīng)急電源。
總體而言,隨著電池成本的下降、戶用光伏的興起和電動汽車的推廣,用戶側(cè)儲能在全球范圍內(nèi)展現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢頭。然而,當前用戶側(cè)儲能的商業(yè)機制發(fā)展略顯滯后,應(yīng)用場景較為單一,特別是在國內(nèi)市場,目前投入運行的用戶側(cè)儲能項目多集中在發(fā)揮削峰填谷、分時套利的作用上,在提供電網(wǎng)服務(wù)方面仍有較大發(fā)展空間。
本文對用戶側(cè)儲能的效益分析和經(jīng)濟運行研究進行了系統(tǒng)性梳理,對用戶側(cè)儲能的壽命折損成本建模、多元收益流盈利模式、多應(yīng)用場景聯(lián)合優(yōu)化、實際典型案例等方面進行了介紹。
為實現(xiàn)用戶側(cè)儲能的商業(yè)化發(fā)展前景,還有許多方向需要繼續(xù)深入研究,包括:
(1)用戶側(cè)儲能壽命-效率精細化建模?;谶\行電氣量的電池壽命折損成本建模思路已被學(xué)術(shù)界廣泛采用,然而目前研究多聚焦于建模電池成本與某一影響因素的關(guān)系,很少研究綜合考慮電流大小、放電深度、SOC狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)的儲能壽命折損。此外,除成本建模外,電池儲能系統(tǒng)的運行效率建模也是影響用戶側(cè)儲能運行成本的重要方面。
(2)用戶側(cè)儲能商業(yè)模式研究。單一用戶往往儲能配置容量較小,可參與的應(yīng)用場景受限。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,發(fā)揮多用戶聚合效應(yīng)、多主體共享機制的互補優(yōu)勢將有利于用戶側(cè)儲能降本增效,并提高用戶收益。探索建立新型運營機制將有望成為用戶側(cè)儲能領(lǐng)域新的研究點。
(3)新型“機制-場景”下用戶側(cè)儲能運行優(yōu)化。用戶側(cè)儲能的優(yōu)化調(diào)度是其經(jīng)濟運行的核心,在未來新的商業(yè)運營機制背景下,發(fā)揮用戶側(cè)儲能在需量管理、電網(wǎng)調(diào)頻等提供用戶、電網(wǎng)服務(wù)的優(yōu)勢并合理規(guī)劃用戶充放電行為,將成為決定用戶投資收益的關(guān)鍵。