寧夏電網(wǎng)電化學儲能需求分析

耿天翔，李 峰，馬天東，梁忠豪，李雅欣，李建林

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏回族自治區(qū) 銀川市 750001；2.儲能技術工程研究中心(北方工業(yè)大學)，北京市 石景山區(qū) 100144)

0 引言

在“雙碳”目標愿景下，國家各省市、自治區(qū)均在大力推進清潔能源開發(fā)利用，助力我國能源結構轉(zhuǎn)型，減少碳排放。然而，隨著我國能源轉(zhuǎn)型的不斷深入，電源側(cè)新能源裝機快速增長，用戶側(cè)負荷呈多樣性變化，電力系統(tǒng)面臨能源利用率低、電能質(zhì)量差、運行靈活性受限及抗風險能力弱等諸多問題。

目前，我國寧夏地區(qū)就存在上述問題。寧夏電網(wǎng)新能源裝機目前達2 573萬 kW，最大出力僅1 134萬 kW，并且未來2～3年受補貼退坡和自治區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需要，預計新增新能源裝機500萬 kW，新能源消納形勢嚴峻，而儲能技術的利用可有效解決上述問題。儲能不僅可改善新能源場站調(diào)節(jié)能力，提高常規(guī)機組調(diào)頻性能，減少棄風棄光，支撐新能源大規(guī)模開發(fā)和并網(wǎng)，而且還有利于提高能源利用效率和經(jīng)濟性。此外，儲能在“風光水火儲一體化”和“源網(wǎng)荷儲一體化”系統(tǒng)中，有利于實現(xiàn)綜合能效、能源電力利用效率和電能質(zhì)量的提升。目前，儲能技術已經(jīng)從電網(wǎng)有益補充的“小角色”，演變?yōu)椴豢苫蛉钡摹爱敿一ǖ薄Ｆ浯笠?guī)模應用，將深刻影響電力系統(tǒng)中資源配置結構和開發(fā)規(guī)模，影響電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行與控制。

綜上，在寧夏電網(wǎng)中為新能源場站配置儲能單元成為解決新能源消納、支撐新能源可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。本文從國內(nèi)外儲能發(fā)展現(xiàn)狀入手，結合寧夏地區(qū)電網(wǎng)及政策支持現(xiàn)狀，分析寧夏電網(wǎng)對電化學儲能的需求，并論述了目前儲能容量配置方法，為寧夏電網(wǎng)儲能容量配置提供參考。

1 國內(nèi)外儲能發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外儲能發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模為189.8 GW，同比增長2.8%。其中，電化學儲能的累計裝機規(guī)模為13 081.2 MW，占比6.9%(見圖1)。

圖1 全球電化學儲能裝機規(guī)模Fig.1 Global installed capacity of electrochemical energy storage

截止2020年底，全球多個國家在新能源場站配置儲能單元，例如：韓國、美國、中國、日本、澳大利亞、英國、法國、蘇格蘭、新西蘭、智力等，此舉有助于形成儲能與新能源發(fā)電標配的大趨勢，目前國外已經(jīng)建成的在新能源場站配置儲能的部分工程見表1。

表1 國外部分儲能應用工程Table 1 Part of the foreign energy storage application projects

1.2 國內(nèi)儲能發(fā)展現(xiàn)狀

在“30·60”目標驅(qū)動下，國內(nèi)儲能技術作為支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術，其規(guī)?；l(fā)展已成為必然趨勢。2021年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《國家發(fā)展改革委 國家能源局關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見(征求意見稿)》[1]，不僅明確了3 000萬 kW儲能發(fā)展目標，助推儲能實現(xiàn)跨越式發(fā)展；而且提出容量電價機制，給予儲能價值出口。此政策將對未來儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

截至2020年底，我國已投運儲能項目的累計裝機規(guī)模為35.1 GW，其中電化學儲能累計裝機規(guī)模為2 808 MW，占比8.0%；2020年，我國新增投運電化學儲能項目的裝機規(guī)模為1 083.3 MW，同比增長70%(見圖2)。

圖2 我國電化學儲能新增裝機規(guī)模Fig.2 New installed capacity of electrochemical energy storage in China

在過去10年里，我國建立起了全球最大的光伏產(chǎn)業(yè)供應鏈，位居全球第一。與此同時，在新能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電技術的設備制造與施工能力上，我國企業(yè)也日趨成熟。國內(nèi)在新能源場站配置儲能的部分工程見表2。

表2 國內(nèi)部分儲能應用工程Table 2 Part of the domestic energy storage application projects

2 寧夏電網(wǎng)現(xiàn)狀

截止2019年底，寧夏電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)總裝機容量為49 379.264 MW，其中火電廠28座，機組66臺，容量為寧夏電網(wǎng)主要特點如下：1)直流群送電功率提升，交直流故障沖擊幅度、范圍擴大。2020年，寧夏直流群外送能力提升至17 300 MW，其中銀東和昭沂同送、同受端直流總功率達到9 300 MW。特高壓直流雙極閉鎖、同送同受直流同時換相失敗以及直流群近區(qū)交流設備跳閘等嚴重故障引起的沖擊幅度、范圍都將進一步擴大。故障引起電網(wǎng)潮流大范圍重組，頻率、電壓以及斷面功率大幅波動，對電源涉網(wǎng)性能和網(wǎng)源協(xié)調(diào)水平提出了更高的要求。2)電源波動幅度增大，電力平衡安排及實時控制更加困難。2019年寧夏電網(wǎng)新能源最大同時率超過60%，發(fā)電出力超過當時全網(wǎng)用電負荷。2020年新能源預計還將新增3 085 MW，裝機容量及占比持續(xù)提高，電源出力波動幅度繼續(xù)增大，火電機組開機方式進一步壓縮，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量下降，對電網(wǎng)電力平衡安排、實時監(jiān)視控制、安全穩(wěn)定管理帶來更大挑戰(zhàn)。3)輸變電設備可靠性不足，為設備管理提出了更高的要求。隨著±800 kV特高壓靈州換流站的投運及大規(guī)?；üこ痰慕Y束，寧夏電網(wǎng)設備總量及電壓等級跨入新階段，750 kV雙環(huán)網(wǎng)主網(wǎng)架建成，電網(wǎng)短路電流超標問題凸顯；直流換流站設備復雜、技術難度大，部分關鍵設備安全隱患仍未徹底解決，“首臺首套”產(chǎn)品數(shù)量多，部分設備設計裕度低，長時間大負荷運行后設備隱患逐步暴露；電網(wǎng)設備智能監(jiān)測手段、狀態(tài)感知能力仍然不足，設備管理信息化建設中信息孤島、數(shù)據(jù)價值挖掘不充分、一線信息化支撐手段不足、效率不高等問題依然存在，設備狀態(tài)精益化管控和智能化仍需進一步提升。4)新能源裝機規(guī)模持續(xù)增長，新能源消納形勢更加嚴峻。近10年來寧夏電網(wǎng)新能源裝機容量快速增長，年均增長率為49.2%。受風電、光伏補貼退坡政策影響，2020年前新能源仍將保持快速增長勢頭。經(jīng)測算，新增裝機將導致2020年寧夏新能源棄電量相比2019年大幅上升，新能源利用率同比下降。隨著國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的實施，“十四五”期間新能源裝機仍將保持快速增長，確保新能源利用率95%以上的目標壓力巨大。

28 660.4 MW，占總?cè)萘康?8.04%；水電廠2座，機組15臺，容量為422.3 MW，占總?cè)萘康?.85%；風電場94座，容量為11 160.78 MW，占總?cè)萘康?2.60%；光伏電站148座，容量為8 441.596 MW，占總?cè)萘康?7.10%；分布式光伏68座，容量為694.188 MW，占總?cè)萘康?.41%；風電和光伏容量占總?cè)萘康?1.10%。

因此，2021年5月，寧夏回族自治區(qū)發(fā)展改革委再次征求《關于加快促進自治區(qū)儲能健康有序發(fā)展的通知(征求意見稿)》意見[2]。文件對新能源+儲能項目投運時間做了明確要求，新能源項目儲能配置比例不低于10%、連續(xù)儲能時長2 h以上；在市場機制方面，文件提出將電儲能交易納入現(xiàn)行寧夏電力輔助服務市場運營規(guī)則中，對于采購本地電池達到一定比例的儲能項目給予獎勵基礎利用小時數(shù)。另外，2021年6月，在國家能源局綜合司正式下發(fā)《關于報送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》之后，寧夏發(fā)改委下發(fā)《關于報送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，并且文件上明確要求原則上其各縣(市、區(qū))分布式光伏開發(fā)儲能配置比例不低于10%[3-4]。

總之，隨著寧夏地區(qū)新能源裝機容量的不斷增加，寧夏電網(wǎng)存在的若干問題也日益突出，而儲能裝置則有利于支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運行及解決新能源可持續(xù)發(fā)展問題。另外在政策方面，寧夏大力支持鼓勵儲能項目發(fā)展，并對新建新能源項目中最低儲能配置容量提出要求。

3 寧夏地區(qū)電化學儲能需求分析

通過研究新能源出力特性可以正確掌握新能源出力的變化規(guī)律，參考其變化規(guī)律，可以為其配置儲能及選擇配置容量，也可以優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，提高電力調(diào)度的靈活性，最終減輕新能源波動對電網(wǎng)的沖擊，降低電網(wǎng)事故的發(fā)生[5]。文獻[6]從不同的天氣類型下分析了光伏電站出力的波動特性及對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來的影響。文獻[7]根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)風電的實時數(shù)據(jù)，運用概率統(tǒng)計分析和時間序列分析的方法，對全網(wǎng)風電出力的波動特性進行了分析。文獻[8]分析了甘肅酒泉風電基地的出力特性，比較了在不同時間和空間尺度下風電基地出力特性的特點。文獻[9]利用黑龍江地區(qū)不同區(qū)域風電場出力實測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)的風電出力進行全面分析，并引入4種概率模型，最終得出黑龍江地區(qū)的風速具有明顯的季節(jié)性、時域性和地域性，風速的這3種特性很大程度上決定了風電場出力的隨機波動性。近幾年關于寧夏電網(wǎng)新能源出力特性的研究文獻較少，我們可以借鑒以上研究方法，基于寧夏電網(wǎng)目前新能源高并網(wǎng)率的實際情況，對寧夏地區(qū)電網(wǎng)已投產(chǎn)的風電場或光伏電站出力運行的歷史數(shù)據(jù)進行分析，采用時間序列分析的方法，研究寧夏地區(qū)新能源出力特性以及對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響參數(shù)。

新能源出力隨著季節(jié)、時域等不同呈現(xiàn)出不同的隨機性和波動性的特點，并且大規(guī)模集群式新能源場站更易引起電網(wǎng)功率較大的變化，且其有功功率調(diào)節(jié)能力較弱，將大量占用系統(tǒng)備用資源，影響電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行[10-12]。隨著寧夏電網(wǎng)新能源裝機的快速增加，寧夏電網(wǎng)同樣存在以上經(jīng)濟穩(wěn)定性問題。然而，電化學儲能電池具有快速雙向調(diào)節(jié)能力，在寧夏電網(wǎng)的新能源場站中配備電化學儲能電池可有效減少新能源的隨機波動性對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性及新能源消納，跟蹤計劃出力，削峰填谷，主動參與電網(wǎng)調(diào)度等。

2020年8月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布了《國家發(fā)展改革委 國家能源局關于開展“風光水火儲一體化”“源網(wǎng)荷儲一體化”的指導意見(征求意見稿)》，其中強調(diào)多電源互補發(fā)電、合理配置儲能并以儲能等先進技術和體制機制創(chuàng)新為支撐，探索構建風光水火儲及源網(wǎng)荷儲高度融合的新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑[13]。可見在新能源場站配置電化學儲能電池可為寧夏電網(wǎng)新能源消納問題提供解決思路[14-17]。

新能源消納問題是多方需求平衡的綜合性問題。寧夏電網(wǎng)要實現(xiàn)能源結構順利轉(zhuǎn)型，積極促進新能源發(fā)電穩(wěn)定并網(wǎng)消納，不僅需要政策引導和市場機制配合，也需要技術驅(qū)動。寧夏電網(wǎng)中新能源消納的關鍵影響因素，可表示為“3+1”，“3”指“源-網(wǎng)-荷”三方，決定新能源消納的潛力；“1”指政策及市場機制，決定新能源消納潛力發(fā)揮的程度，具體如圖3所示。

圖3 寧夏電網(wǎng)中影響新能源消納的關鍵因素Fig.3 Key factors affecting the consumption of new energy in Ningxia power grid

針對寧夏電網(wǎng)中不同服務模式下的大規(guī)模儲能系統(tǒng)對促進新能源消納水平的評估問題，定義了評價消納水平的指標，如在電源側(cè)的新能源發(fā)電比例、新能源發(fā)展強度等；在電網(wǎng)側(cè)的新能源裝機并網(wǎng)率、電網(wǎng)負荷率、系統(tǒng)儲能容量占比、外送電量中新能源換電量占比；在用戶側(cè)的新能源電量消納占比、新能源汽車有序充電用戶占比等。在寧夏電網(wǎng)的模擬仿真平臺上，首先，逐步隨機削減特定區(qū)域和應用場景下儲能出力水平，分析消納水平指標變化程度；其次，利用熵權法定義各指標的權重，并統(tǒng)一指標度量，用于衡量不同儲能電站對新能源消納水平的影響；最后，利用機器學習中的回歸方法建立儲能變化與評價度量的函數(shù)關系，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析和評估儲能系統(tǒng)促進電網(wǎng)中新能源消納水平，具體過程如圖4所示。

圖4 儲能系統(tǒng)促進新能源消納水平的評估過程Fig.4 Evaluation process of energy storage system to promote the level of new energy consumption

總之，在寧夏電網(wǎng)中，針對不同新能源的出力特性，合理配置儲能可大大提升新能源在電網(wǎng)中的消納能力，在此大背景下，可進一步推動寧夏地區(qū)電網(wǎng)安全與穩(wěn)定性發(fā)展。

4 儲能容量配置方法論述

4.1 以經(jīng)濟性為指標的儲能容量配置

將光伏裝置和儲能裝置配合使用，可以減少棄光，提高光伏消納率。但隨之而來的是容量配置問題。當前儲能容量配置存在的困境是儲能電池成本較高，因此配置的儲能容量不宜過大，過大的儲能容量使得初始建設成本過高，經(jīng)濟性較差。然而過小的儲能容量又無法滿足可能出現(xiàn)的集中且較大的負荷需求。在該背景下，國內(nèi)外學者主要以經(jīng)濟性為目標，考慮儲能系統(tǒng)的建設成本、運行成本、運維成本以及置換成本等和收益之間的關系，研究儲能容量配置。文獻[18]考慮儲能系統(tǒng)運行時的各項成本及削峰填谷收益，以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標建立優(yōu)化配置模型。文獻[19]考慮儲能系統(tǒng)的投資成本和經(jīng)濟效益，以年收益最大化為目標函數(shù)，通過遺傳算法得出儲能容量分配的最優(yōu)值。文獻[20]建立由儲能投資成本、運維成本、設備更換成本和資金收益構成的以凈現(xiàn)值最優(yōu)為目標的容量優(yōu)化模型。文獻[21]考慮儲能系統(tǒng)投資成本、運行年限對容量配置的影響，研究表明，隨著儲能系統(tǒng)成本降低、儲能壽命增加，其最優(yōu)配置容量也隨之增加。文獻[22]提出以建設與運行成本之和最小為目標，考慮儲能系統(tǒng)從建設投入到運行的各項支出，并計算棄風成本、荷電狀態(tài)超限懲罰成本，以及期望輸出懲罰成本，建立成本優(yōu)化模型確定最佳容量配比，同時利用風力季節(jié)性規(guī)律差異，在風電出力不足季節(jié)采用電池儲能電站參與電網(wǎng)調(diào)峰，提出以實時運行效益最大為目標的運行策略，根據(jù)實際風能的季節(jié)性差異調(diào)整運行模式。

4.2 以性能為指標的儲能容量配置

經(jīng)濟性只是影響容量配置的一個方面，新能源發(fā)電的某些性能指標如新能源波動、電網(wǎng)可靠性、電壓、負荷偏差等也是容量配置的影響因素，這些性能指標的波動也直接影響到電站的正常運行，因此有學者針對性能指標問題對儲能容量配置進行研究。文獻[23]根據(jù)風力、光照以及負荷的歷史數(shù)據(jù)進行分析，利用序貫蒙特卡洛法對微電網(wǎng)進行可靠性模擬，以主網(wǎng)故障時間的概率作為可靠性約束，建立以等年值投資費用最低為目標的微網(wǎng)容量配置模型。文獻[24]提出鉛酸蓄電池與全釩液流電池復合儲能系統(tǒng)的容量配置計算方法，依據(jù)儲能介質(zhì)特性，將期望平抑目標分解為對應的任務目標，構建各介質(zhì)優(yōu)勢相互協(xié)調(diào)融合的充放電策略，以建設成本、棄風成本以及期望功率波動懲罰成本之和最小為目標函數(shù)建立容量優(yōu)化配置模型。文獻[25-26]考慮了負荷偏差、電壓偏差和儲能容量3個指標，選用粒子群算法進行儲能容量的求解。

儲能系統(tǒng)的容量直接決定了其平衡源網(wǎng)荷間矛盾的能力，同時也決定了其服務應用模式和邊界。目前，儲能系統(tǒng)的容量配置方式大都在基于特點控制方式下圍繞技術要求、經(jīng)濟收益2個方面建立模型和約束，利用優(yōu)化算法計算出儲能系統(tǒng)容量，寧夏電網(wǎng)儲能配置方法可參考上述研究內(nèi)容，為儲能系統(tǒng)建設提供理論基礎。

5 結論

近年來，電化學儲能發(fā)展迅速，其技術研究一直是各國關注的重點。新能源的規(guī)模化發(fā)展與儲能商業(yè)化息息相關，儲能的配置與否以及容量大小等很大程度上決定了新能源的消納比例。隨著電化學儲能技術逐漸成熟，其成本逐年下降，發(fā)展前景光明。在我國減排壓力下，寧夏地區(qū)選擇合理的新能源出力分析方法分析新能源出力特性，并根據(jù)出力特性選擇合理的儲能類型及容量配置方法進行儲能配置，可以有效解決寧夏電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，提高電網(wǎng)對于新能源的消納能力，促進寧夏地區(qū)能源轉(zhuǎn)型力度。