多能互補(bǔ)系統(tǒng)化學(xué)儲能電站建設(shè)需求分析

張桂紅，張雨津，劉 飛，傅 旭

(1.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海省 西寧市 810008；2.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西省 西安市 710075)

0 引言

目前，我國已經(jīng)成為了全球風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家，與之相伴而生的則是棄風(fēng)、棄光等問題日益突出[1-7]，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃成為近年來的研究熱點(diǎn)[8-11]。因此如何確定多能互補(bǔ)系統(tǒng)中儲能電站需求是多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的重點(diǎn)[12-13]。目前的研究大多針對儲能電站的優(yōu)化運(yùn)行，如：文獻(xiàn)[14]建立了儲能選址定容雙層規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[15]提出了儲能電站參與電網(wǎng)分區(qū)控制的分配策略；文獻(xiàn)[16]分析了儲能電站對電網(wǎng)購電特性的影響；文獻(xiàn)[17]利用電化學(xué)儲能的快速響應(yīng)特性和功率雙向調(diào)節(jié)能力，將其納入頻率安全第3道防線中，應(yīng)對大功率缺額引起的低頻問題；文獻(xiàn)[18]探討了利用儲能的閑置容量和功率參與電力能量市場和備用輔助服務(wù)市場的可行性和兼容性，以提高儲能利用率。

由于新能源出力的不確定性，儲能電站充放電策略具有不確定性，儲能電站的需求和效益評估復(fù)雜。本文以西北某省區(qū)接入大量新能源的多能互補(bǔ)系統(tǒng)為研究對象，采用新能源棄電量、火電發(fā)電量、儲能電源發(fā)電量、運(yùn)行煤耗等多種指標(biāo)全方位衡量化學(xué)儲能的發(fā)電成本和效益，計(jì)算了化學(xué)儲能電站的容量效益、電量效益和儲能時長。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮政策約束、新能源棄電率約束、供電可靠性約束，分析了化學(xué)儲能電站的合理規(guī)模。研究成果可為多能互補(bǔ)系統(tǒng)儲能需求和優(yōu)化提供參考。

1 儲能電站需求分析方法

1.1 分析流程

多能互補(bǔ)系統(tǒng)中儲能電站的需求和效益分析流程如下：

1) 采用全時段8 760 h生產(chǎn)模擬，計(jì)算多能互補(bǔ)系統(tǒng)各種運(yùn)行指標(biāo)，采用等可靠性法計(jì)算化學(xué)儲能電站的容量效益和電量效益。

2) 采用全時段8 760 h生產(chǎn)模擬，優(yōu)化研究化學(xué)儲能的儲能時長，從而使化學(xué)儲能電站能發(fā)揮最大的效益。

3) 對電化學(xué)儲能電站進(jìn)行國民經(jīng)濟(jì)評價(jià)，綜合考慮新能源棄電率約束、供電可靠性約束，分析化學(xué)儲能電站的合理規(guī)模。

1.2 容量效益和電量效益

儲能電站的容量價(jià)值是指儲能電站可以替代常規(guī)電源的容量。本文采用文獻(xiàn)[19]中的等可靠性指標(biāo)法評估儲能電站的容量效益和電量效益。

1) 容量效益計(jì)算：該方法通過儲能電站加入系統(tǒng)前后的可靠性指標(biāo)(本文采用電量不足期望指標(biāo))變化情況，分析儲能電站的容量效益?；舅悸窞椋簝δ茈娬就度脒\(yùn)行后會提高可靠性水平，如果保持原有的可靠性水平不變，則由于儲能電站的建設(shè)，一部分常規(guī)電源(火電)可以降低裝機(jī)規(guī)模，將此減少的常規(guī)電源的裝機(jī)規(guī)模稱作儲能電站的替代容量(容量效益)。圖1給出采用等可靠性指標(biāo)法計(jì)算儲能電站容量效益示意圖。

圖1 儲能電站容量效益示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy storage power station capacity benefit

2) 電量效益計(jì)算：確定容量效益后，對儲能電站的節(jié)煤效益和降低新能源棄電量效益進(jìn)行分析。由于在計(jì)算容量效益的過程中，儲能電站各種運(yùn)行工況下的生產(chǎn)模擬結(jié)果已經(jīng)計(jì)算出來，此處并不需要重復(fù)計(jì)算，只需要統(tǒng)計(jì)結(jié)果即可。

在計(jì)算儲能電站的容量效益和電量效益時，采用基于全年8 760 h的生產(chǎn)模擬，以周為尺度，在滿足負(fù)荷需求約束下，盡量減少新能源棄電和發(fā)電煤耗，約束條件包括系統(tǒng)平衡約束、電站/機(jī)組運(yùn)行約束、地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率約束等，生產(chǎn)模擬的數(shù)學(xué)模型見文獻(xiàn)[16]。

2 算例分析

2.1 研究基礎(chǔ)

文中涉及的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。其中標(biāo)煤價(jià)格為我國電煤價(jià)格指數(shù)，按照熱值折算為標(biāo)煤后，增加800元環(huán)境成本得來。負(fù)荷預(yù)測見表2。

表1 經(jīng)濟(jì)測算指標(biāo)Table 1 Economic calculation indicators

表2 負(fù)荷預(yù)測Table 2 Load forecast

2.2 研究結(jié)果

2.2.1 容量效益及電量效益分析

以該省區(qū)新能源利用率達(dá)95%的新能源規(guī)模作為研究的基礎(chǔ)方案：風(fēng)電裝機(jī)1 400萬 kW，光伏裝機(jī)2 000萬 kW。測算新增50萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站及100萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站時的容量效益及電量效益，儲能建設(shè)方案見表3。

表3 儲能電站建設(shè)方案Table 3 Energy storage power station construction plan

計(jì)算結(jié)果見附表A1及圖2—4，可以看出：

圖2 不同規(guī)模儲能容量效益對比Fig.2 Comparison of capacity benefit under different energy storage scales

1) 新建50萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站的容量效益為4萬 kW，火電裝機(jī)替代率為8%；電量效益方面，化學(xué)儲能電站電量損耗增加0.6億 kW·h，新能源消納電量增加4.7億 kW·h，火電電量減少3.9億 kW·h，全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤年耗量減少11萬 t。在新增化學(xué)儲能電站后，化學(xué)儲能電站在系統(tǒng)需要調(diào)峰時段充電，并在系統(tǒng)缺電時刻清庫，從而降低系統(tǒng)電量不足期望，體現(xiàn)出部分容量替代效益。

圖3 不同規(guī)模儲能棄電率對比Fig.3 Comparison of abandonment rate under different energy storage scales

圖4 不同規(guī)模儲能的電量效益對比Fig.4 Comparison of electricity benefits under different energy storage scales

2) 新建100萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站的容量效益為8萬 kW，火電裝機(jī)替代率為8%；電量效益方面，化學(xué)儲能電站電量損耗增加1.2億 kW·h，新能源消納電量增加8.3億 kW·h，火電電量減少6.9億 kW·h，全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤年耗量減少21萬 t。

3) 新建150萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站的容量效益為11萬 kW，火電裝機(jī)替代率為7%；電量效益方面，化學(xué)儲能電站電量損耗增加1.7億 kW·h，新能源消納電量增加10.7億 kW·h，火電電量減少8.8億 kW·h，全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤年耗量減少27萬 t。

4) 新建200萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站的容量效益為14萬 kW，火電裝機(jī)替代率為7%；電量效益方面，化學(xué)儲能電站電量損耗增加2.1億 kW·h，新能源消納電量增加12.1億 kW·h，火電電量減少9.9億 kW·h，全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤年耗量減少31萬 t。

2.2.2 化學(xué)儲能合理時長選擇

測算新增25萬 kW、4 h和50萬 kW、4 h化學(xué)儲能電站的效益，分別與50萬 kW、2 h、100萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站結(jié)果作對比，儲能建設(shè)方案見表4，計(jì)算結(jié)果見附表A2和圖5—7，可以看出：

圖5 不同儲能時長容量效益對比Fig.5 Comparison of capacity benefit under different energy storage duration

表4 儲能最優(yōu)時長測試方案Table 4 Test plan for optimal duration of energy storage

1) 新增50萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站，較25萬 kW、4 h方案容量效益提高1萬 kW，消納新能源電量增加0.9億 kW·h，儲能損耗電量增加0.1億 kW·h，火電電量減少0.8億 kW·h，煤耗減少3.8萬 t；

圖6 不同儲能時長棄電率對比Fig.6 Comparison of abandonment rate under different energy storage durations

圖7 不同儲能時長電量效益對比Fig.7 Comparison of electricity benefits under different energy storage durations

2) 新增100萬 kW、2 h化學(xué)儲能電站，較50萬 kW、4 h方案容量效益提高2萬 kW，消納新能源電量增加1.7億 kW·h，儲能損耗電量增加0.3億 kW·h，火電電量減少1.4億 kW·h，煤耗減少7.4萬 t。

2.2.3 國民經(jīng)濟(jì)評價(jià)

對不同規(guī)模化學(xué)儲能電站的國民經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較，比較方案見表5，國民經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果見表6—7。在本文的造價(jià)指標(biāo)下(造價(jià)場景1)，建設(shè)化學(xué)儲能電站不具備國民經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)儲能電站總體成本下降至當(dāng)前水平的50%時(造價(jià)場景2)，建議建設(shè)化學(xué)儲能電站采用2 h時長。此時在150萬 kW、2 h以內(nèi)規(guī)模的儲能電站，均具有正的國民經(jīng)濟(jì)效益，但隨著規(guī)模增大，增量部分效益逐漸降低，單位千瓦時的效益逐步降低。推薦儲能規(guī)模為100萬 kW、2 h。

表5 儲能電站國民經(jīng)濟(jì)比選方案Table 5 National economic comparison plan ofenergy storage power stations

表6 儲能電站國民經(jīng)濟(jì)比較(造價(jià)場景1)Table 6 National economic comparison of energy storage power stations (cost scenario 1)

表7 儲能電站國民經(jīng)濟(jì)比較(造價(jià)場景2)Table 7 National economic comparison of energy storage power stations (cost scenario 2)

3 結(jié)論

1) 研究了多能互補(bǔ)系統(tǒng)電化學(xué)儲能的需求和效益，采用新能源棄電量、火電發(fā)電量、儲能電源發(fā)電量、運(yùn)行煤耗等多種指標(biāo)衡量化學(xué)儲能成本和效益，計(jì)算儲能電站的容量效益、電量效益和儲能時長。

2) 以西北某省區(qū)實(shí)際系統(tǒng)為仿真算例，綜合新能源棄電率約束、供電可靠性約束，分析了多能互補(bǔ)系統(tǒng)的化學(xué)儲能電站的合理規(guī)模，研究成果可為“十四五”該省儲能電站建設(shè)提供參考。