儲能在山東電網(wǎng)中的應(yīng)用前景展望

張 浩

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021）

0 引言

目前，我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，能源結(jié)構(gòu)從化石燃料向可再生能源轉(zhuǎn)型，以風(fēng)電和太陽能為首的可再生能源發(fā)展迅速，在電力系統(tǒng)中所占比例不斷提高［1-3］。然而，規(guī)模化建設(shè)具有時間間歇性的可再生能源給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，不僅影響了電力系統(tǒng)調(diào)度的準(zhǔn)確性，還存在電網(wǎng)功率交換所引起的運(yùn)行安全和電能質(zhì)量問題［4-6］。儲能系統(tǒng)通過對電能的快速存、放，不僅可以參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、平抑波動、提升電網(wǎng)對可再生能源的消納能力，還在增強(qiáng)電網(wǎng)緊急控制能力、延緩設(shè)備投資等方面成效顯著［7-9］。

隨著力爭2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)提出，儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將會愈發(fā)廣泛，其應(yīng)用模式和容量配置的研究變得更加重要。文獻(xiàn)［10-11］闡述了儲能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)平滑新能源出力的控制方法，總結(jié)各類控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［12-13］從輸電側(cè)角度，針對儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制方法、經(jīng)濟(jì)性分析等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［14］分析了儲能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時儲能，負(fù)荷高峰時發(fā)電，參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性及經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［15-16］基于不同約束模型，根據(jù)儲能系統(tǒng)不同應(yīng)用場景，提出容量配置最優(yōu)配置方案。上述文獻(xiàn)從不同角度對儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但與山東電網(wǎng)發(fā)展及山東現(xiàn)有儲能政策結(jié)合不緊密。

結(jié)合山東電力系統(tǒng)特點(diǎn)對儲能系統(tǒng)在高占比可再生能源系統(tǒng)中的應(yīng)用價值進(jìn)行研究，探索適合山東地區(qū)開展的儲能系統(tǒng)應(yīng)用模式，并通過對儲能支持政策的解析，提出山東“十四五”期間儲能電站容量配置建議。

1 儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

隨著大規(guī)?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展以及儲能技術(shù)成本的持續(xù)下降，儲能系統(tǒng)的應(yīng)用正逐漸成為能源領(lǐng)域特別是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要支撐點(diǎn)［16-17］。不同應(yīng)用場景下，儲能系統(tǒng)配置在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配等不同環(huán)節(jié)，如表1 所示。目前，儲能典型應(yīng)用模式主要為調(diào)頻、調(diào)峰、跟蹤計劃出力、減少棄風(fēng)棄光等。

表1 儲能系統(tǒng)應(yīng)用場景

1.1 儲能調(diào)頻

儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻，可有效改善功率波動性和不確定性影響，而可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電將加深相關(guān)影響［18-19］。傳統(tǒng)調(diào)頻火電機(jī)組爬坡速度慢，存在反調(diào)問題；水電機(jī)組發(fā)電受自然資源制約，無法滿足隨時存在的調(diào)頻需求。儲能系統(tǒng)具有控制準(zhǔn)確、動作迅速的特點(diǎn)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)組的不足之處，對于電網(wǎng)有功功率供需的快速實時平衡及穩(wěn)定運(yùn)行有一定改善，提升電網(wǎng)可再生能源接納能力。貴州清水河電廠20 MW/10 MWh 儲能調(diào)頻電站投入運(yùn)營，主要參與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的輔助調(diào)頻任務(wù)，并作為電力系統(tǒng)備用電源，實際工程的應(yīng)用表明儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 儲能調(diào)峰

傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)峰響應(yīng)慢，從啟動到并網(wǎng)時間較長，且無法在負(fù)荷低谷時消納電網(wǎng)電量。抽水蓄能電站選址要求高、占地大，建設(shè)周期較長。相比較而言，儲能系統(tǒng)具有效率高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行溫度范圍廣、循環(huán)次數(shù)多、建設(shè)周期短、容量配置靈活等諸多優(yōu)勢，參與電網(wǎng)調(diào)峰是有效可行的，有助于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［20-22］。隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式日趨多樣化，儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中可通過參與調(diào)峰緩解因高比例可再生能源發(fā)電帶來的不穩(wěn)定隱患。在實際應(yīng)用中，微型或中型儲能系統(tǒng)協(xié)助電網(wǎng)調(diào)峰具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，且采用多類型混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰可減少投資成本。利用大規(guī)模儲能系統(tǒng)進(jìn)行“削峰填谷”，一般則需要統(tǒng)籌考慮容量配置與所期望達(dá)到的改善效果之間的關(guān)系，并以投資少、收效快為約束條件，以收益最大為目標(biāo)，求解得出儲能系統(tǒng)最優(yōu)容量配置及經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。深圳寶清4 MW/16 MWh 鋰電池儲能電站、大連液流電池儲能調(diào)峰電站（一期100 MW/400 MWh）等項目的建成投用，有效緩解了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)峰壓力。

1.3 跟蹤計劃出力

當(dāng)前以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源功率預(yù)測技術(shù)仍存在預(yù)測誤差大、預(yù)測算法優(yōu)化不足等問題，對電網(wǎng)調(diào)度準(zhǔn)確性和電力系統(tǒng)備用容量安排均造成困擾［23-24］。儲能系統(tǒng)憑借其易于擴(kuò)容、循環(huán)使用壽命長等特性，通過優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，可用于平滑風(fēng)電出力波動、跟蹤風(fēng)電計劃出力等場合，使風(fēng)儲聯(lián)合出力在一定允許范圍內(nèi)接近風(fēng)電功率預(yù)測曲線，從而提高可再生能源的可調(diào)度能力和輸出可信度，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性。山西朔州右玉風(fēng)場儲能項目采用模塊化集裝箱式儲能系統(tǒng)，主要包含電池系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，電池采用磷酸鐵鋰電池，主要實現(xiàn)風(fēng)電場跟蹤計劃出力應(yīng)用場景功能，是典型儲能示范工程［25］。

1.4 減少棄風(fēng)棄光率

因風(fēng)電、光伏發(fā)電受天氣實時影響較大，通常處于限制發(fā)電情況下，所發(fā)電量無法上網(wǎng)，而風(fēng)電、光伏電站項目又多建在偏遠(yuǎn)地區(qū)難以做到本地全部消納，因此儲能系統(tǒng)在能量管理系統(tǒng)的調(diào)控下，配合電站自動發(fā)電系統(tǒng)，在需要時將多發(fā)電量存儲在儲能系統(tǒng)中，避免了能源損耗。此外，在電站不限制發(fā)電情況下，儲能系統(tǒng)放電，提高電站收益。在當(dāng)前大力發(fā)展可再生能源的進(jìn)程中，儲能系統(tǒng)的需求配置成為影響新能源消納、減少棄風(fēng)棄光率的關(guān)鍵支撐技術(shù)，各地方政府和電網(wǎng)部門也相繼提出新增新能源項目需要配置一定比例儲能系統(tǒng)的要求。因此，新能源加儲能的應(yīng)用模式將成為未來發(fā)展主要方式。

2 山東電力系統(tǒng)現(xiàn)狀及政策研究

2.1 山東電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

截至2019 年底，全省裝機(jī)容量13 619 萬kW，其中常規(guī)水電及抽水蓄能108.1 萬kW，風(fēng)力發(fā)電1 354 萬kW，光伏發(fā)電1 620 萬kW，生物質(zhì)發(fā)電293 萬kW，火力發(fā)電9 604 萬kW。當(dāng)前仍以火力發(fā)電為主，占比70.5%。

山東電力系統(tǒng)隨著可再生能源裝機(jī)容量不斷增大、外電入魯電量持續(xù)增多等情況，主要存在以下特點(diǎn)：

1）電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，無法保障新能源并網(wǎng)消納，火電機(jī)組啟停頻繁造成機(jī)組故障率持續(xù)走高。當(dāng)前山東省已完成泰安抽水蓄能電站建設(shè)，沂蒙、文登、濰坊等地抽水蓄能電站項目作為山東省重點(diǎn)工程持續(xù)建設(shè)，上述工程建成投產(chǎn)后將提供近400萬kW裝機(jī)，會大大緩解調(diào)峰壓力。

2）外電入魯代替常規(guī)電源，在極端情況下，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行存在風(fēng)險。目前，山東省已實現(xiàn)與寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、河北等地區(qū)互聯(lián)互通，省外來電在整個電力系統(tǒng)中的比重越來越大，若出現(xiàn)直流閉鎖等故障，將導(dǎo)致大量功率缺額，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

3）用電高峰期供電緊張，山東省2019 年全網(wǎng)用電負(fù)荷超過最大負(fù)荷95%的單日持續(xù)時間為2～6 h，全年累計43 h，存在較大用電缺口。

4）儲能系統(tǒng)可參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、跟蹤計劃出力，可有效減少棄風(fēng)棄光，提高消納能力，與新能源協(xié)同發(fā)展。

基于上述儲能系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及山東電網(wǎng)現(xiàn)狀，可看出大力發(fā)展儲能系統(tǒng)是可行且必要的。此外，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，為我國綠色低碳發(fā)展提供了方向指引，必將促進(jìn)可再生能源的快速發(fā)展，也預(yù)示著儲能系統(tǒng)將迎來寶貴的發(fā)展機(jī)遇期。

2.2 山東電力系統(tǒng)政策研究

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用價值在于為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，因此其收益主要依靠政策補(bǔ)貼、現(xiàn)貨市場、電力輔助服務(wù)市場等方式實現(xiàn)。國家發(fā)改委、財政部等五部委發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確“十四五”儲能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展，提出儲能提升可再生能源利用水平應(yīng)用示范、提升電力系統(tǒng)靈活穩(wěn)定性應(yīng)用示范等五大重點(diǎn)領(lǐng)域。國家發(fā)改委制定《貫徹落實〈關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見〉2019—2020年行動計劃》明確要加快增量配電業(yè)務(wù)改革和電力現(xiàn)貨市場建設(shè)，推動儲能參與電力市場交易。

2021 年4 月21 日，國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，其對新型儲能的發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)全面的規(guī)劃和部署，為新型儲能的發(fā)展指明了方向、明確了目標(biāo)，對我國儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。同時，也表明儲能發(fā)展迎來重大利好政策，未來將會呈現(xiàn)加速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2.2.1 儲能系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場

山東省作為全國八個現(xiàn)貨市場試點(diǎn)省份之一，已發(fā)布適用于本地區(qū)的《山東省電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則（試行）》。隨著細(xì)則的不斷完善和中遠(yuǎn)期電力現(xiàn)貨市場的健全，應(yīng)準(zhǔn)許新能源發(fā)電和儲能設(shè)施參與現(xiàn)貨市場，通過電力現(xiàn)貨市場形成分時電價，引導(dǎo)儲能通過優(yōu)化運(yùn)行、發(fā)揮特性來獲取收益，并在高比例可再生能源系統(tǒng)中發(fā)揮對系統(tǒng)容量支撐作用。

此外，山東2020年10月召開的新聞發(fā)布會明確擬近期出臺儲能發(fā)展指導(dǎo)意見，通過政策指引，依托示范工程，建立健全政策體系和管理機(jī)制，力爭2025年實現(xiàn)儲能系統(tǒng)全面市場化。

2.2.2 儲能系統(tǒng)參與輔助服務(wù)市場

2020 年3 月，山東發(fā)布《關(guān)于開展儲能峰谷分時電價政策試點(diǎn)的通知（征求意見稿）》，通知指出儲能低谷電價再降低0.03 元，尖峰低谷電價差最高達(dá)0.744 5 元/kWh。2020 年10 月，山東發(fā)布《山東電力輔助服務(wù)市場運(yùn)營規(guī)則（試行）（2020年修訂版）》（征求意見稿），意見稿指出規(guī)模在5 MW/10 MWh 及以上獨(dú)立儲能設(shè)施、集中式新能源場站配套儲能設(shè)施等均可參與調(diào)峰，儲能設(shè)施有償調(diào)峰出清價格按照400 元/MWh 執(zhí)行。上述政策的發(fā)布，表明儲能系統(tǒng)已得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，明確了儲能進(jìn)入輔助服務(wù)市場的準(zhǔn)入資格，并鼓勵其作為優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)資源參與市場，拉動儲能發(fā)展。

2.2.3 儲能系統(tǒng)與可再生能源協(xié)同發(fā)展

為進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源消納，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》，目的促進(jìn)各區(qū)域優(yōu)先消納可再生能源，形成可再生能源電力消費(fèi)引領(lǐng)的長效發(fā)展機(jī)制。未來長期發(fā)展，可借鑒國外經(jīng)驗，對于配套建設(shè)儲能的風(fēng)電、光伏電站，給予超出其電量價值的“綠證”，推動市場合理補(bǔ)償儲能投資成本，加速儲能應(yīng)用推廣。此外，2020年6月山東發(fā)布的《關(guān)于2020年擬申報競價光伏項目意見的函》中明確申報項目根據(jù)承諾，儲能配置規(guī)模按項目裝機(jī)規(guī)模20%考慮，儲能時間2 h，可以與項目本體同步分期建設(shè)，此文件的發(fā)布對于推動儲能發(fā)展有積極作用。

3 儲能經(jīng)濟(jì)性分析及容量配置

近年來，以磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池、全釩液流電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)性能不斷提升、成本持續(xù)下降，儲能系統(tǒng)的規(guī)?；ㄔO(shè)已臨近商業(yè)化運(yùn)營的技術(shù)經(jīng)濟(jì)拐點(diǎn)，其商業(yè)化應(yīng)用機(jī)遇顯現(xiàn)。不同儲能技術(shù)具有不同特性，根據(jù)具體使用情況來選擇儲能類型，其經(jīng)濟(jì)性最佳［26-28］。表2針對不同類型儲能技術(shù)，通過放電時間、效率、建設(shè)周期等方面進(jìn)行對比，旨在為實際工程項目儲能選型提供參考。

表2 儲能技術(shù)性能對比

根據(jù)研究統(tǒng)計，以選用鉛酸電池建設(shè)儲能電站用于負(fù)荷削峰填谷和選用鋰離子電池用于調(diào)頻，均可呈現(xiàn)出一定經(jīng)濟(jì)性。儲能系統(tǒng)的建設(shè)，除了直接的經(jīng)濟(jì)收益外，還能夠協(xié)同可再生能源發(fā)展進(jìn)而減少發(fā)電側(cè)棄風(fēng)棄光；降低火電發(fā)電量，進(jìn)而減少各類污染物排放，助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；延緩電網(wǎng)投資建設(shè)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合考慮山東電力市場改革進(jìn)程和山東省煤炭去產(chǎn)能、落后煤炭機(jī)組關(guān)停淘汰力度加大等政策因素影響，預(yù)計2025 年山東省全網(wǎng)用電負(fù)荷超過最大負(fù)荷95%的電力約為610 萬kW，時長約45 h；根據(jù)不同類型儲能系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用前景，考慮超過最大負(fù)荷95%的負(fù)荷中，70%由抽水蓄能補(bǔ)充，30%由電化學(xué)儲能系統(tǒng)補(bǔ)充，考慮15%備用裝機(jī)，經(jīng)計算推薦山東省在“十四五”時期完成建設(shè)抽水蓄能電站容量500 萬kW、電化學(xué)儲能容量200 萬kW。此外，遼寧臥牛石風(fēng)儲電站、青海格爾木光儲電站、江蘇、河南以及湖南10 萬kW 級電網(wǎng)側(cè)儲能電站等項目的建設(shè)投運(yùn)［8］，以及山東依托新能源場站在德州、泰安、濱州、煙臺建成的儲能項目，都進(jìn)一步表明儲能系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

當(dāng)前在電力市場成熟穩(wěn)定、儲能設(shè)備價格大幅下降、配套服務(wù)體系不斷完善的基礎(chǔ)上，山東地區(qū)涉及儲能的相關(guān)政策支持傾向明顯，可預(yù)見未來儲能在高可再生能源比例下的山東電網(wǎng)中建設(shè)容量會逐步增多，不斷涌現(xiàn)規(guī)?；?、長放電時間的儲能電站項目，并會在“十四五”期間基本形成符合山東實際的儲能技術(shù)路徑，構(gòu)建起較為完善的儲能發(fā)展。