廣東用戶側(cè)電池儲(chǔ)能應(yīng)用模式及其實(shí)施效益分析

王卿瑋，李 震，邵志奇，鄭 赟

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 中國(guó)能建廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

近年來，電池儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展, 出現(xiàn)了集中式的儲(chǔ)能電站、分布式的用戶側(cè)電池儲(chǔ)能等多種形式。用戶側(cè)電池儲(chǔ)能主要指位于用戶附近、所發(fā)電能以就地消納為主的可進(jìn)行電能存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換及釋放的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。從電網(wǎng)側(cè)看，用戶側(cè)電池儲(chǔ)能位于用戶與電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量表計(jì)的用戶側(cè)，屬用戶資產(chǎn)。

截至2019年底，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能在用戶側(cè)的應(yīng)用占比最大，達(dá)到59%，其次集中式可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用占比分別為29%，12%[1]。用戶側(cè)巨大的儲(chǔ)能市場(chǎng)需求主要是由于企業(yè)用電峰谷不平衡、工商業(yè)用戶執(zhí)行兩部制和峰谷平電價(jià)機(jī)制等原因造成的。大量工商業(yè)企業(yè)出現(xiàn)了降低用電成本的需求，企業(yè)通過調(diào)整用電行為，將部分高峰時(shí)段的工藝流程在低谷時(shí)段開工進(jìn)行，根據(jù)高峰時(shí)段和低谷時(shí)段的差異化市場(chǎng)價(jià)格來主動(dòng)降本[2]。與此同時(shí)，由于電池儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用和成本的降低，企業(yè)用電行為中不能改變的部分耗能，可通過儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行峰谷差套利，從而進(jìn)一步降低用電成本。

文獻(xiàn)[3-4]主要針對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)或微電網(wǎng)的規(guī)劃進(jìn)行了研究，考慮了電池儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)優(yōu)化選址和定容問題[3-4]。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)電池儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)估[5-6]。但上述研究考慮問題較為理想, 尚沒有針對(duì)當(dāng)前實(shí)際電價(jià)政策和儲(chǔ)能實(shí)際造價(jià)詳細(xì)分析用戶側(cè)電池儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式和經(jīng)濟(jì)性。隨著電池儲(chǔ)能成本逐漸降低, 部分儲(chǔ)能制造商和綜合能源公司對(duì)在用戶側(cè)推廣電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性偏于樂觀，但我國(guó)在配用電側(cè)的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和用戶側(cè)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)等方面的市場(chǎng)機(jī)制尚未真正建立。在用戶側(cè)電池儲(chǔ)能目前僅能從峰谷電價(jià)套利的現(xiàn)狀下，是否到了大規(guī)模推廣應(yīng)用用戶側(cè)電池儲(chǔ)能的拐點(diǎn)值得審慎對(duì)待和思考。基于此，本文以廣東某大工業(yè)用戶為例，采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析, 測(cè)算了不同電池類型、不同充放電運(yùn)行方式等對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的影響, 并對(duì)用戶側(cè)電池儲(chǔ)能激勵(lì)政策進(jìn)行了討論與展望[7]。

1 用戶側(cè)電池儲(chǔ)能收益渠道來源

用戶側(cè)電池儲(chǔ)能的收益來源包括削峰填谷價(jià)差套利、降低需量電費(fèi)、節(jié)省動(dòng)態(tài)擴(kuò)容費(fèi)用、需求響應(yīng)獲利等方面。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式下，用戶側(cè)儲(chǔ)能收益是上述幾種來源的一種或多種組合。

峰谷套利，實(shí)際是指基于分時(shí)電價(jià)的價(jià)格機(jī)制，賺取峰期電價(jià)與谷期電價(jià)差的電量電費(fèi)收益。電量電費(fèi)指可視電量，即計(jì)量電表抄表數(shù)值，是用戶當(dāng)月實(shí)際用電總量。可視電量與相對(duì)應(yīng)時(shí)期的電量電價(jià)乘積就是電量電費(fèi)。以東莞某大工業(yè)用戶為例，由于其按峰谷電價(jià)繳納電費(fèi)，東莞高峰電價(jià)為1.034 8元/kWh，低谷電價(jià)為0.335 1元/kWh，峰谷價(jià)差接近0.7元/kWh。如安裝儲(chǔ)能進(jìn)行峰谷套路，1 MWh儲(chǔ)能裝置充放電一次可獲益700元。

需量電費(fèi)，是針對(duì)大工業(yè)用戶專用變壓器收取的容量費(fèi)用，也叫基礎(chǔ)電費(fèi)。如大工業(yè)用戶變壓器沒有備案報(bào)停，則需每月固定繳納需量電費(fèi)。針對(duì)需量電費(fèi)，供電公司一般給出兩種選擇模式，第一種是按照專用變壓器容量收取，與用戶實(shí)際用電負(fù)荷無關(guān)，價(jià)格按國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的電價(jià)執(zhí)行；第二種是按照用戶月最大負(fù)荷收取費(fèi)用。譬如東莞某廠區(qū)安裝了一臺(tái)5 000 kVA的變壓器，廠區(qū)月最大負(fù)荷為3 000 kW。選擇第一種模式，固定容量電價(jià)為23元/(kVA·月)，則每月須固定繳納11.5萬元的容量費(fèi)；選擇第二種模式，需量電價(jià)為32元/(KW·月)，每月繳納的容量費(fèi)為9.4萬元。如廠區(qū)安裝500 kW電池儲(chǔ)能，每月可減少需量電費(fèi)1.6萬元。

動(dòng)態(tài)增容是在特殊場(chǎng)合下企業(yè)用戶的一種剛性需求，例如已建成小區(qū)進(jìn)行充電樁改造，完畢后發(fā)現(xiàn)滿額運(yùn)行時(shí)，變壓器過載；或者商場(chǎng)改造時(shí)，把原來用電量小的服裝店改成高用電量的餐飲店，導(dǎo)致在下午7:00-9:00就餐高峰時(shí)段，變壓器過負(fù)荷。面對(duì)超容問題，第一種解決方案為向供電局提出靜態(tài)擴(kuò)容申請(qǐng)，流程長(zhǎng)且費(fèi)用高，以東莞地區(qū)為例，如靜態(tài)擴(kuò)容100 kW，約需要60萬元的費(fèi)用。第二種是動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，通過加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)增，一套100 kW/200 kWh的鉛碳電池儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)估成本為40萬元(磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)50萬元)。很顯然，動(dòng)態(tài)擴(kuò)容不但節(jié)約擴(kuò)容費(fèi)用，還可以為用戶帶來長(zhǎng)期穩(wěn)定收益。

需求側(cè)響應(yīng)確切來說是電網(wǎng)行為，電網(wǎng)公司通過調(diào)度用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)整體負(fù)荷供需平衡的調(diào)節(jié)。電網(wǎng)租借用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，是有償付費(fèi)行為，比如南方電網(wǎng)給出了0.5元/kWh的調(diào)度補(bǔ)償價(jià)格。需求側(cè)響應(yīng)獲得收益的基本條件是必須要把儲(chǔ)能系統(tǒng)納入到省級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度平臺(tái)，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略不是由企業(yè)用電行為自主決定，簽署調(diào)度協(xié)議后，必須把儲(chǔ)能資源讓渡給電網(wǎng)調(diào)度。由于電力調(diào)度給出的指令是根據(jù)電力運(yùn)行情況確定的，有較大的隨機(jī)性，需求側(cè)響應(yīng)的收益目前具有較強(qiáng)的不確定性。

2 用戶側(cè)儲(chǔ)能運(yùn)行策略分析

用戶側(cè)電池儲(chǔ)能收益渠道決定著儲(chǔ)能運(yùn)行充放電策略，結(jié)合儲(chǔ)能的全壽命周期成本，用戶側(cè)儲(chǔ)能調(diào)峰主要有每日單次和多次充放電循環(huán)運(yùn)行模式[8-9]。

2.1 日單次充放電循環(huán)運(yùn)行模式

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照自身收益最大化方式運(yùn)行，僅在低谷電價(jià)時(shí)段滿充，在高峰電價(jià)時(shí)段完全放電。在此運(yùn)行方式下，儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商一方面通過用戶按照當(dāng)?shù)胤骞饶夸涬妰r(jià)向電網(wǎng)公司支付低谷時(shí)段的充電電量費(fèi)用，另一方面按照當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)，給予用戶一定額度的優(yōu)惠，向用戶收取儲(chǔ)能放電電量對(duì)應(yīng)的費(fèi)用。該模式下，儲(chǔ)能不參與電網(wǎng)削峰輔助服務(wù)或需求響應(yīng)。

此模式適用于儲(chǔ)能循環(huán)壽命周期和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)計(jì)算周期相同的場(chǎng)景。工程上儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)計(jì)算周期一般取儲(chǔ)能變流器(PCS)壽命為10年，例如某調(diào)峰能量型儲(chǔ)能項(xiàng)目，結(jié)合企業(yè)經(jīng)營(yíng)用能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能每天執(zhí)行充放電操作，則10年計(jì)算期內(nèi)最低總循環(huán)次數(shù)為3 650次，鉛碳/鉛酸電池4 500次壽命能滿足這個(gè)最低要求。

2.2 日多次滿充滿放循環(huán)運(yùn)行模式

當(dāng)電池壽命達(dá)到經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)周期內(nèi)企業(yè)經(jīng)營(yíng)運(yùn)行總天數(shù)的幾倍，則這類電池執(zhí)行每天滿充滿放多次循環(huán)策略。

儲(chǔ)能在一天當(dāng)中進(jìn)行多次充放電循環(huán)，可以在壽命期和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)周期內(nèi)最大化地賺取峰谷平之間的電價(jià)差套利。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)不一定在谷段充電、峰段放電，其每日最大充放電循環(huán)次數(shù)與項(xiàng)目?jī)?chǔ)能配置容量、當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)機(jī)制有關(guān)。

以廣東某市現(xiàn)行峰谷電價(jià)機(jī)制為例(如圖1所示)，假設(shè)在某工業(yè)園區(qū)建設(shè)運(yùn)營(yíng)容量為0.5 MW/1 MWh的鋰離子電池。該電池儲(chǔ)能每次充(或放)電時(shí)間為2 h，電池按最佳方式運(yùn)行，即電池儲(chǔ)能由SOC(荷電狀態(tài))下限連續(xù)充電至SOC上限，然后由SOC上限連續(xù)放電至SOC下限，則此項(xiàng)目配置的用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)每日最多可完成3次完整的充放電循環(huán)。

圖1 廣東某市現(xiàn)行典型峰平谷電價(jià)時(shí)段圖

2.3 不同場(chǎng)景下運(yùn)行策略

1)用戶側(cè)削減最大需量運(yùn)行策略。當(dāng)削減用戶用能最大需量的時(shí)候執(zhí)行優(yōu)先放電，此時(shí)可以削減用電最高負(fù)荷，即使原用能行為的最大需量出現(xiàn)在平期和谷期，也執(zhí)行放電操作。在進(jìn)行儲(chǔ)能配置時(shí)，需對(duì)企業(yè)過去運(yùn)行用能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，計(jì)算削減最大需量的收益，并與單次充放電成本以及電價(jià)逆差購(gòu)電成本比較。如儲(chǔ)能執(zhí)行操作所獲收益大于這兩者成本之和，則利用儲(chǔ)能放電執(zhí)行消減最大需量策略。同時(shí)為了成本最低，充電操作優(yōu)先選擇電價(jià)谷期用電時(shí)間段。

2)微網(wǎng)消納可再生能源運(yùn)行策略。光伏系統(tǒng)或者風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受天氣因素的影響很大，在陽光照射條件不好或無風(fēng)時(shí)系統(tǒng)出力明顯降低，這會(huì)造成供電的不穩(wěn)定甚至斷電。出力波動(dòng)大以及不確定性，極大地影響了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

為解決上述問題，可制定儲(chǔ)能系統(tǒng)相應(yīng)的運(yùn)行策略。當(dāng)光伏或風(fēng)資源較好時(shí)，根據(jù)負(fù)載情況，對(duì)比負(fù)載和可再生能源出力，若負(fù)載大于可再生能源出力，則優(yōu)先消納可再生能源并網(wǎng)，儲(chǔ)能處于放電選擇模式。當(dāng)負(fù)載小于可再生能源出力，則儲(chǔ)能處于充電狀態(tài)，可再生能源所發(fā)多余電量存儲(chǔ)在電池儲(chǔ)能中。當(dāng)夜晚沒有光照或者白天沒有風(fēng)資源時(shí)段，可再生能源發(fā)電出力低時(shí)，儲(chǔ)能可進(jìn)行放電滿足負(fù)載運(yùn)行需求。

3)電網(wǎng)削峰輔助服務(wù)或需求響應(yīng)運(yùn)行策略。需求響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力需求側(cè)管理由傳統(tǒng)行政調(diào)控向經(jīng)濟(jì)與行政相結(jié)合調(diào)控過渡，是調(diào)配電力負(fù)荷最為有效的手段，可以通過經(jīng)濟(jì)激勵(lì)、價(jià)格補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)尖峰時(shí)段和緊急事態(tài)下的用電負(fù)荷削減。在這種情況下，儲(chǔ)能的充放電策略須隨著調(diào)度的指令執(zhí)行，具有較大的隨機(jī)性和不確定性。

3 廣東用戶側(cè)電池儲(chǔ)能應(yīng)用效益分析

東莞某大耗能企業(yè)典型日的運(yùn)行負(fù)荷曲線如圖2所示。

用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝在企業(yè)用戶計(jì)量電表后，用于峰谷電價(jià)差套利和最大需量電費(fèi)的節(jié)省兩種渠道。該企業(yè)安裝的專變?nèi)萘繛? 000 kVA，最大用電負(fù)荷為6 300 kW。經(jīng)測(cè)算，選擇按變壓器固定容量繳納基本電費(fèi)，月基本電費(fèi)為18.4萬元；選擇按最大需量繳納基本電費(fèi)，月基本電費(fèi)為20.16萬元，因此儲(chǔ)能削減最大需量不能節(jié)省基本電費(fèi)，本項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和運(yùn)行策略中不計(jì)削減最大需量目標(biāo)，僅考慮峰谷差套利(見表1、表2)。

表1 東莞分時(shí)電價(jià)峰谷平時(shí)段(時(shí))

表2 東莞現(xiàn)行電價(jià)表

統(tǒng)計(jì)前一年8 760 h用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，結(jié)合電池儲(chǔ)能的運(yùn)行策略，選擇全年平均負(fù)荷典型日作為計(jì)算基礎(chǔ)。

1)假設(shè)采用鉛碳電池，采用單次滿充滿放，儲(chǔ)能運(yùn)行策略如圖2所示。

從圖2可以看出，企業(yè)用能在峰期電價(jià)和平期電價(jià)的時(shí)段出現(xiàn)有三個(gè)峰值。由于選擇鉛碳電池執(zhí)行單次滿充滿放策略，為了收益最大化，在0～8點(diǎn)谷期充電，在兩個(gè)峰期9～12點(diǎn)以及19～22點(diǎn)放電消峰。由于平期放電收益降低，在考慮儲(chǔ)能容量成本和壽命時(shí)，執(zhí)行策略并不在平期放電，以提高儲(chǔ)能的利用小時(shí)數(shù)。

圖2 某企業(yè)典型日電負(fù)荷逐時(shí)曲線和鉛碳電池儲(chǔ)能運(yùn)行策略

2)假設(shè)采用磷酸鐵鋰電池，性能保證充放電循環(huán)壽命約為6 000次。因此采用每天兩次滿充滿放，儲(chǔ)能運(yùn)行策略如圖3所示。

圖3 某企業(yè)典型日電負(fù)荷逐時(shí)曲線和鋰電池儲(chǔ)能運(yùn)行策略

由于選擇磷酸鐵鋰電池可以執(zhí)行每天兩次滿充滿放策略，為了收益最大化，在0～8點(diǎn)谷期第一次充電，在第一個(gè)峰期9～12點(diǎn)第一次放電，在12:30～18:30第二次充電，以及19～22點(diǎn)第二次放電消峰。為了減少儲(chǔ)能配置容量，降低初投資成本，提高儲(chǔ)能的利用小時(shí)數(shù)，可以在第一個(gè)峰期放電完成后的平期補(bǔ)充部分電量，從而滿足第二個(gè)峰期的負(fù)荷需求。在14～17點(diǎn)用電負(fù)荷疊加了儲(chǔ)能充電負(fù)荷，這個(gè)疊加峰值必須小于報(bào)裝的變壓器容量，保證企業(yè)的正常安全穩(wěn)定用能(見表3、表4)。

表3 平均典型負(fù)荷日收益和全年收益計(jì)算表

表4 平均典型負(fù)荷日收益和全年收益計(jì)算表

從本案例大耗能企業(yè)用戶的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)分析可知，峰谷套利和降低需量電費(fèi)是用戶側(cè)節(jié)能降本的最基本途徑。用電行為中，峰谷負(fù)荷差大且峰值負(fù)荷出現(xiàn)在高峰電價(jià)期，峰期用電量大，企業(yè)配置儲(chǔ)能收益將越大。

4 結(jié) 語

本文分析了電池儲(chǔ)能在廣東大工業(yè)用戶側(cè)的應(yīng)用模式、運(yùn)行策略和實(shí)施效益。根據(jù)用電負(fù)荷曲線和當(dāng)?shù)氐姆骞入妰r(jià)機(jī)制，選擇合適性能的儲(chǔ)能電池，通過執(zhí)行優(yōu)化的充放電策略進(jìn)行削峰填谷，能有效降本增效。需要指出的是，由于目前儲(chǔ)能電池造價(jià)還較高，單純利用儲(chǔ)能來進(jìn)行峰谷電價(jià)差套利，經(jīng)濟(jì)效益并不顯著，但如果將電池儲(chǔ)能與太陽能、風(fēng)能等新能源配套建設(shè)，提高新能源的利用效率并將其轉(zhuǎn)化為高峰電價(jià)時(shí)段的電力供給，則可顯著提升用戶側(cè)電池儲(chǔ)能的效益，這也是電池儲(chǔ)能今后重要的發(fā)展方向。