新型儲(chǔ)能應(yīng)用場景與商業(yè)模式綜述

張程翔丁 寧尹 峰邵喬樂張江豐鄭可軻

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,浙江省 杭州市 310014)

0 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的提出,國家積極加快以風(fēng)電、太陽能為主的可再生能源發(fā)展,規(guī)劃2030年裝機(jī)總量達(dá)到12億k W。習(xí)總書記在中央財(cái)經(jīng)委第九次會(huì)議指出,要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系,建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),為能源電力領(lǐng)域的“十四五”開局指明了方向。然而,集中式、分布式新能源的大規(guī)模接入,多省需求響應(yīng)負(fù)荷的廣泛邀約[1-2],導(dǎo)致能源電力產(chǎn)消結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革,傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段已難以維持新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,電網(wǎng)亟需填補(bǔ)自身調(diào)節(jié)能力缺口。

目前,抽水蓄能電站仍然是國內(nèi)電力系統(tǒng)依賴的主要儲(chǔ)能,但其物理選址與可調(diào)能力存在一定的局限性[3-4],近年來開發(fā)增量趨于緩和。而新型儲(chǔ)能作為除抽水蓄能外的儲(chǔ)能技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,靈活調(diào)節(jié)能力強(qiáng),可在應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)的“三高”特性方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用,是我國邁入能源轉(zhuǎn)型“快車道”的關(guān)鍵資源。自“十三五”以來,國家、地方頻頻出臺(tái)相關(guān)政策[5-9],不斷加大新型儲(chǔ)能及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的扶持力度,鼓勵(lì)相關(guān)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。亦有不少文獻(xiàn)對(duì)于新型儲(chǔ)能的特性與技術(shù)展開了分析研究,但就其在新型電力系統(tǒng)下的商業(yè)場景與運(yùn)營模式尚未有清晰的定論。

本文對(duì)新型儲(chǔ)能的品類進(jìn)行梳理,詳細(xì)闡述其在電力系統(tǒng)中的5種最具前景的應(yīng)用場合,研究儲(chǔ)能運(yùn)營商作為市場獨(dú)立主體時(shí)的盈利方式,并結(jié)合當(dāng)前形勢,對(duì)儲(chǔ)能共享共建的商業(yè)運(yùn)營模式進(jìn)行探討,最終給出新型儲(chǔ)能在未來的發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 新型儲(chǔ)能形式

截至2020年底,國內(nèi)以電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能為主的新型電力儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)為3.27 GW,預(yù)計(jì)2025年市場規(guī)模將超30 GW[10],年均復(fù)合增長率在50%以上。明確的規(guī)模與增速要求,將引導(dǎo)社會(huì)資本流入百花齊放的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè),助推萬億市場的快速到來。儲(chǔ)能市場裝機(jī)規(guī)模見圖1。

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能經(jīng)過近十幾年的蓬勃發(fā)展,已成為最重要的新型儲(chǔ)能技術(shù)。截至2020年,國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量較2019年增長1.56 GW,同比增長91.2%,占儲(chǔ)能總量的9.2%[3]。其中,又以能量密度高、功率密度高、效率高的鋰離子電池發(fā)展最為迅速,其不受地理位置的限制,電池成本逐年下行,已形成相對(duì)完備的上下游產(chǎn)業(yè)鏈,即將迎來大規(guī)模商業(yè)化階段。

1.2 機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展由來已久,傳統(tǒng)的抽水蓄能在國內(nèi)外已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。目前,國家發(fā)展改革委員會(huì)對(duì)另外2 類同樣具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的新型儲(chǔ)能——壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,亦提出了明確的發(fā)展目標(biāo)[6]。

壓縮空氣儲(chǔ)能被視作抽水蓄能的最佳替代品,相較于后者選址條件更寬松,對(duì)生態(tài)環(huán)境影響更小,其利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將高壓空氣存入儲(chǔ)氣罐,并在需要時(shí)釋放,推動(dòng)渦輪膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)使發(fā)電機(jī)輸出功率。歷經(jīng)幾十年的技術(shù)革新,壓縮空氣儲(chǔ)能種類從補(bǔ)燃型衍生出有外部熱源的非補(bǔ)燃型、無外部熱源的絕熱型,結(jié)合熱能回收、光伏儲(chǔ)熱、余熱利用等技術(shù),可大幅提高自身能效,并在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、綜合能源利用等方面均有建樹。當(dāng)前,國際首臺(tái)百兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能已在張家口順利并網(wǎng),系統(tǒng)效率超70%,而隨著政策傾斜與技術(shù)發(fā)展,容量大、壽命長、蓄能久的壓縮空氣儲(chǔ)能也將邁入商業(yè)化初期[11]。

飛輪儲(chǔ)能利用電力電子裝置控制飛輪電機(jī)繞定軸旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換,通過并聯(lián)技術(shù)可大規(guī)模上網(wǎng)。飛輪儲(chǔ)能瞬時(shí)功率大,具有毫秒級(jí)響應(yīng)速度與分鐘級(jí)持續(xù)時(shí)間,相較于其他儲(chǔ)能而言,更適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、改善電能質(zhì)量等場景。不少學(xué)者已提出在火電廠投建飛輪儲(chǔ)能輔助調(diào)頻,將飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用于電氣化鐵路以降低牽引變負(fù)序電流與電壓不平衡度等研究[12-13]。近十年來相關(guān)研究成果大幅增長[14],高強(qiáng)度復(fù)合材料、懸浮軸承等創(chuàng)新技術(shù),為加快飛輪儲(chǔ)能規(guī)?；痉厄?yàn)證打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3 氫儲(chǔ)能

國內(nèi)多省已在“十四五”規(guī)劃中對(duì)氫能作出明確的定位與計(jì)劃,并積極引進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)[15]。這不僅意味著氫能正得到越來越多的關(guān)注和認(rèn)可,還標(biāo)志著氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃已步入國家頂層設(shè)計(jì)。現(xiàn)階段,國內(nèi)仍然主要依賴化石燃料和工業(yè)副產(chǎn)氣制氫,但隨著能耗雙控向碳排雙控轉(zhuǎn)變,新能源大規(guī)模并網(wǎng),具備零碳優(yōu)勢與氫電耦合特質(zhì)的“綠電制氫”技術(shù)引起了業(yè)界矚目。

利用新能源棄風(fēng)棄光電量或峰時(shí)電量電解水制氫,并通過物理儲(chǔ)氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)長周期、跨季節(jié)存儲(chǔ),配合氫燃料電池并網(wǎng)發(fā)電,構(gòu)成氫電耦合的儲(chǔ)能系統(tǒng),為電網(wǎng)提供一種應(yīng)對(duì)新能源裝機(jī)驟增的跨季調(diào)峰手段。然而,受限于工藝技術(shù),“電-氫-電”的整體利用效率僅為35%～55%[16],難以媲美其他儲(chǔ)能。因此,開辟氫能的一體化產(chǎn)消體系、提升資源利用率是氫能技術(shù)走向商業(yè)應(yīng)用的前提。

除利用燃料電池長周期轉(zhuǎn)移風(fēng)光電量,氫能還可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,以滿足各種終端用能、供暖制冷的需求,實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到消費(fèi)的能源體系全面脫碳,是“碳達(dá)峰、碳中和”的重要媒介和應(yīng)用手段。氫能的應(yīng)用正從電力延伸至交通、建筑、工業(yè)等高耗能領(lǐng)域,逐步替代化石燃料,如圖2 所示。此外,在某海島氫能示范工程中,有專家在氫電轉(zhuǎn)換過程間,加入余熱回收系統(tǒng),通過板式換熱器、混合式冷凝器對(duì)“綠電制氫-儲(chǔ)氫加工-電池發(fā)電”3大主環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余熱和尾氣再利用,直接為周邊居民區(qū)、工業(yè)區(qū)提供暖氣與熱水。經(jīng)測算,該工程能源綜合利用效率可提升至72%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氫能利用模式,具備一定的規(guī)?；瘧?yīng)用潛力。

圖2 氫能產(chǎn)消網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Production and consumption network of hydrogen energy

2 新型儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的商業(yè)應(yīng)用

隨著新型電力系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)程的加快,電力系統(tǒng)不確定性與峰谷差問題日益突出,調(diào)節(jié)能力日趨匱乏。作為一種靈活資源,在電源側(cè)與用戶側(cè)布局新型儲(chǔ)能技術(shù)并研究其商業(yè)化應(yīng)用,可有效應(yīng)對(duì)源荷隨機(jī)波動(dòng)給電網(wǎng)帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.1 電源側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用

2.1.1 新能源按比配儲(chǔ)

截至2020 年底,我國光伏、風(fēng)機(jī)累計(jì)裝機(jī)為253、281 GW,分別占全球市場的33%和38%[17],連續(xù)五年位居世界第一。國內(nèi)21個(gè)省區(qū)新能源發(fā)電已成為省內(nèi)前兩大電源,青海省新能源裝機(jī)占比已超過60%。目前,新能源并網(wǎng)的主要矛盾已從棄風(fēng)棄光嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)性問題,轉(zhuǎn)向大規(guī)模并網(wǎng)帶來的安全性問題。已有標(biāo)準(zhǔn)要求35 k V 及以上電壓等級(jí)的電源需具備調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓能力[18],提高新能源場站自身調(diào)節(jié)能力的需求迫在眉睫。

儲(chǔ)能響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)能力強(qiáng),是應(yīng)對(duì)可再生能源隨機(jī)性與波動(dòng)性的理想選擇。隨著中標(biāo)價(jià)格突破規(guī)?；瘧?yīng)用拐點(diǎn),多地展開了“新能源+儲(chǔ)能”運(yùn)營模式的探索,超過19個(gè)省份倡導(dǎo)新建或已有的新能源項(xiàng)目配置儲(chǔ)能。新疆、青海、山東等多個(gè)地方政策明確要求新增風(fēng)電、光伏項(xiàng)目按新能源裝機(jī)比例5%～20%、配置容量時(shí)長1～2 h儲(chǔ)能系統(tǒng)。

通過按比配儲(chǔ),新能源場站既提升了自身可調(diào)能力,契合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,又可輔助調(diào)度運(yùn)行,豐富了電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段。但目前新上項(xiàng)目多受政策補(bǔ)貼激勵(lì)或強(qiáng)制執(zhí)行影響,難以形成長期效應(yīng)。綜上,需探索“新能源+儲(chǔ)能”更廣泛的商業(yè)模式,在支撐電網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)爭取收益最大化,力求以市場化手段驅(qū)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

1) 發(fā)電偏差替代。受限于可再生能源的中短期功率預(yù)測技術(shù),當(dāng)環(huán)境資源突變或電力電子設(shè)備不穩(wěn)定時(shí),風(fēng)機(jī)、光伏的計(jì)劃曲線與實(shí)際曲線將產(chǎn)生較大偏差。通過調(diào)控站內(nèi)儲(chǔ)能的動(dòng)作行為,多時(shí)間尺度的跟蹤風(fēng)、光計(jì)劃曲線,確保場站實(shí)際輸出功率連續(xù)穩(wěn)定并盡可能匹配申報(bào)計(jì)劃,從而規(guī)避由中短期功率預(yù)測偏差導(dǎo)致的考核懲罰。

2) 輔助服務(wù)盈利。按比配儲(chǔ)的新能源場站,在滿足自身需求之余,可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù),并從電力輔助服務(wù)市場中掙取可觀的收益[37]。場站儲(chǔ)能依據(jù)負(fù)荷曲線實(shí)施谷充峰放,一方面回收?qǐng)稣镜臈夛L(fēng)棄光,并從峰谷差價(jià)中獲利,另一方面降低地方電網(wǎng)峰谷差,為處在新能源高滲透率區(qū)域的送端電網(wǎng)緩解輸電線路通道阻塞,實(shí)現(xiàn)新能源的大范圍、長距離穩(wěn)定消納;通過儲(chǔ)能調(diào)控,使原本只能向下調(diào)節(jié)的新能源場站具備雙向一次調(diào)頻能力,并提升了調(diào)頻性能;利用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行無功、電壓的快速調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)場站并網(wǎng)點(diǎn)無功就地補(bǔ)償,改善新能源并網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)情況。

3) 增加綠電收益。國內(nèi)綠色交易市場正在建立健全,新能源場站按比配儲(chǔ)后,可替代基準(zhǔn)線情景下該區(qū)域電網(wǎng)的同等火電發(fā)電量,降低碳排量。通過綠電交易與綠證碳交易市場的有效銜接,新能源配儲(chǔ)企業(yè)可出售綠證或核減碳排量給指標(biāo)緊缺的其他能源企業(yè),從中收獲附加利益與競爭優(yōu)勢。

2.1.2 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻

隨著能耗雙控向碳排雙控的轉(zhuǎn)化,火力機(jī)組受新能源發(fā)電壓制及節(jié)能減碳的影響,其生存空間被進(jìn)一步壓縮,未來將更多地承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。但以浙江的火電為例,部分超臨界機(jī)組受蓄熱限制,多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組有熱壓要求,致使火電機(jī)組固有調(diào)頻能力較弱。此外,省內(nèi)大部分百萬機(jī)組的深調(diào)運(yùn)行結(jié)果表明,機(jī)組負(fù)荷越低、蓄熱量越小,自身綜合調(diào)頻指數(shù)越不理想。因此,亟待技術(shù)革新的火電行業(yè),提高自身的調(diào)峰調(diào)頻能力已刻不容緩。

飛輪儲(chǔ)能或電化學(xué)儲(chǔ)能快速精確的響應(yīng)特性,能完美匹配調(diào)度下達(dá)的自動(dòng)發(fā)電控制(automatic gain control,AGC)指令需求,顯著提升機(jī)組調(diào)頻性能[19],廣東、山西等省已開展一系列電廠儲(chǔ)能輔助調(diào)頻示范。故“火儲(chǔ)聯(lián)合”是一種提升電廠調(diào)頻性能與輔助服務(wù)市場競爭力的有效手段,也是將來火電機(jī)組靈活性改造的重要方向。

以文獻(xiàn)[20]“90%AGC 指令覆蓋法”選擇儲(chǔ)能容量,接于廠用電中壓母線。當(dāng)調(diào)度下發(fā)AGC 指令時(shí),機(jī)組保持原有控制方式不變,以分鐘級(jí)響應(yīng)速率追蹤AGC 曲線,而儲(chǔ)能則同時(shí)采集遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit,RTU)指令與分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)中機(jī)組出力參數(shù),利用毫秒級(jí)響應(yīng)速率彌補(bǔ)AGC 指令與機(jī)組出力的偏差。待機(jī)組出力逐漸接近指令值時(shí),儲(chǔ)能降低功率并在機(jī)組反調(diào)時(shí)充電,以維持儲(chǔ)能系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)平衡,保證火儲(chǔ)聯(lián)合功率與調(diào)度指令的一致性。調(diào)節(jié)過程如圖3所示,可見儲(chǔ)能參與輔助調(diào)頻后,機(jī)組的調(diào)節(jié)速率K1與調(diào)節(jié)精度K3得到顯著提升,由式(1)易得,機(jī)組綜合調(diào)頻指數(shù)K也將得到較大程度改善。

圖3 火儲(chǔ)聯(lián)合參與AGC調(diào)頻示意圖Fig.3 Diagram of thermal power equipped with energy storage in frequency modulation

K值的提高,在調(diào)頻輔助服務(wù)市場機(jī)制中,意味著更高的服務(wù)中標(biāo)可能性,更多的調(diào)頻收入。因此,火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的投建運(yùn)營,能有效增加火電廠調(diào)頻補(bǔ)貼、減免調(diào)頻不合格的考核,提升直接經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)多個(gè)示范工程的經(jīng)濟(jì)性測算,電廠僅需2～5年便可收回投資成本乃至盈利[20-22]。此外,縱觀廠、網(wǎng)全局,火儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行還具有3大間接效益:一是改善機(jī)組運(yùn)行條件,降低頻繁爬坡操作導(dǎo)致的機(jī)械損耗;二是精確機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍,校正區(qū)域控制誤差,減少全網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量;三是在二次調(diào)頻過程中,合理制定儲(chǔ)能充放電計(jì)劃,降低全廠煤耗與碳排放量,符合國家雙碳戰(zhàn)略的遠(yuǎn)景期望。

目前越來越多的省級(jí)電網(wǎng)著手制定電力輔助服務(wù)方案,電廠與儲(chǔ)能供應(yīng)商通過合同能源管理等模式,在電力供給側(cè)“火儲(chǔ)聯(lián)合”系統(tǒng)并參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù),具有廣闊的商業(yè)前景與實(shí)際意義。

2.2 用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用

2.2.1 基站冗余儲(chǔ)能喚醒

自5G 技術(shù)正式商用以來,各運(yùn)營商不斷擴(kuò)大5G 基站的建設(shè)投入,截至2021年8月,國內(nèi)已建成5G基站103.7萬個(gè),預(yù)計(jì)2030年將超1 500萬個(gè)[23]。

5G 基站通常由有源天線單元(active antenna unit,AAU)、基帶處理單元(base band unite,BBU)、照明、空調(diào)與儲(chǔ)能系統(tǒng)組成,結(jié)構(gòu)如圖4 所示,其中AAU 與BBU 負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、調(diào)制解調(diào)與發(fā)射,屬于直流負(fù)載,占基站總負(fù)荷的90%以上,其能耗與通信流量呈正相關(guān),可通過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制激發(fā)自身負(fù)荷的可調(diào)潛力。此外,自2018年以來,基站運(yùn)營商統(tǒng)一采購動(dòng)力鋰電池替換老舊鉛酸電池[24],并配置2～4 h的儲(chǔ)能容量作為基站后備電源,為通訊設(shè)備提供失電時(shí)的緊急支撐,保障通信服務(wù)。但在實(shí)際運(yùn)行中,基站備電容量往往過剩,儲(chǔ)能長期處于待機(jī)浮充狀態(tài),無法發(fā)揮鋰電池高倍率充放電的性能優(yōu)勢。隨著電力需求響應(yīng)的深入推進(jìn),集聚數(shù)額龐大、權(quán)屬單一的5G 基站群參與電網(wǎng)日前、實(shí)時(shí)需求響應(yīng)成為一種可行的商業(yè)模式:通過云邊協(xié)同技術(shù),管理區(qū)域基站的設(shè)備能耗與儲(chǔ)能運(yùn)行策略,為電網(wǎng)提供削峰填谷能力的同時(shí)獲取服務(wù)津貼。

圖4 5G 基站結(jié)構(gòu)Fig.4 5G base station structure

基站儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行能耗,預(yù)留規(guī)定的儲(chǔ)能備電時(shí)長,剩余容量便可主動(dòng)參與市場盈利。但5G 基站分布廣泛、服務(wù)群體特性鮮明,即使是配置相同,其服役時(shí)的能耗水平也大相徑庭。因此,精準(zhǔn)定義各個(gè)5G 基站儲(chǔ)能的可調(diào)能力是提升其需求響應(yīng)盈利能力的基礎(chǔ)。

1) 不同區(qū)域配電網(wǎng)的供電可靠性有所不同。城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村配電網(wǎng)的年平均停電時(shí)間與故障恢復(fù)速度有長短快慢之分,則位于不同區(qū)域的基站所需儲(chǔ)能備電容量也應(yīng)有所區(qū)別。但就浙江省內(nèi)調(diào)研結(jié)果表明,目前通信運(yùn)營商在基建時(shí)僅考慮了站內(nèi)設(shè)備的最大負(fù)荷,導(dǎo)致站內(nèi)儲(chǔ)能大量冗余。因此,通過構(gòu)建基站受電可靠性分析模型,準(zhǔn)確評(píng)估不同配電網(wǎng)下基站的備電需求極限,即配電網(wǎng)供電可靠性越高,故障停電概率越低,需用作備電的儲(chǔ)能容量越少,反之則備電容量越大。由此研判各基站儲(chǔ)能預(yù)留備電容量之余可參與需求響應(yīng)的能力。

2) 不同時(shí)段基站的通信流量也截然不同。利用通信需求預(yù)測技術(shù),在流量低谷時(shí)采取通道關(guān)斷、亞幀關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠等手段控制站內(nèi)通訊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),在保障通信服務(wù)的基礎(chǔ)上,降低設(shè)備能耗。如位于住宅、商圈等區(qū)域的宏基站,因白天用戶數(shù)量銳減,其在電力負(fù)荷高峰時(shí)段的功耗反而較低,可利用能耗管控技術(shù)優(yōu)化用電成本。此外,下調(diào)的基線電量還減少了基站的備電極限,從而釋放了基站儲(chǔ)能的可調(diào)空間。

通過受電可靠性分析與設(shè)備能耗管理技術(shù),可從最大容量與時(shí)變?nèi)萘績煞矫?提升不同區(qū)域配電網(wǎng)下、不同時(shí)段基站儲(chǔ)能的可調(diào)容量,利用“需求指令邀約+基站能量管理”的運(yùn)營模式喚醒海量用戶側(cè)沉睡資源,參與電力需求響應(yīng)服務(wù)盈利,為5G 基站降本增效、填補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰能力缺口提供了一種堅(jiān)實(shí)有效的手段。

2.2.2 電動(dòng)汽車技術(shù)應(yīng)用

截至2021年上半年,我國新能源汽車保有量為603萬輛,新增數(shù)同比增長234.92%,是全球最大的新能源汽車市場,其中純電動(dòng)汽車占81.86%。據(jù)國際可再生能源署對(duì)2050年能源場景的研究,屆時(shí)全球電動(dòng)汽車數(shù)量將超10億輛,超汽車總量的半數(shù)以上[25]。電車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展,推動(dòng)著電力與交通的能量交互,而作為“移動(dòng)型”儲(chǔ)能設(shè)備,車載動(dòng)力電池同樣是優(yōu)質(zhì)的用戶側(cè)靈活資源。目前對(duì)于電動(dòng)汽車的研究主要集中于充電站的選址定容規(guī)劃與車網(wǎng)互動(dòng)(vehicle to grid,V2G)技術(shù)。

充電站的選址定容需兼顧交通流場景和配電網(wǎng)阻塞管理。合理規(guī)劃布局充電站地點(diǎn),優(yōu)化調(diào)度電動(dòng)汽車充電時(shí)間與功率,一方面能夠轉(zhuǎn)移過量充電用戶,縮短車輛排隊(duì)時(shí)間,降低用戶時(shí)間成本,另一方面,可以均衡分布大量涌入的充電負(fù)荷,避免配電網(wǎng)在高峰時(shí)段出現(xiàn)局部過載,是在電動(dòng)汽車保有量飛速增長時(shí)期,電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

V2G 技術(shù)是通過改造通信、計(jì)量裝置,將充電樁升級(jí)為雙向變流器,則插入充電槍的電動(dòng)汽車即成為用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)了能量的雙向管理。據(jù)統(tǒng)計(jì),以目的地充電作為日常通勤方式的私人電車,平均90%的時(shí)間處于駐車狀態(tài),涵蓋了負(fù)荷曲線的“雙峰”時(shí)段。故車輛只需連接目的地充電樁即可獲取旋轉(zhuǎn)備用補(bǔ)償,其次,結(jié)合市場價(jià)格引導(dǎo)與激勵(lì)機(jī)制,在滿足用戶出行習(xí)慣的前提下優(yōu)化充電行為,轉(zhuǎn)移充電負(fù)荷填谷,或調(diào)控車載電池反送配電網(wǎng),緊急支撐尖峰供電成為可行的商業(yè)模式。我國華北地區(qū)已將V2G 充電樁資源納入調(diào)峰輔助服務(wù)市場并進(jìn)行結(jié)算[26],反映了電動(dòng)汽車輔助調(diào)峰的可行性與市場需求。同時(shí),為電動(dòng)公共汽車/出租車提供服務(wù)的大型充電站成為天然的電動(dòng)汽車聚合商,其大規(guī)模聚集車載動(dòng)力電池,調(diào)節(jié)能力更強(qiáng),對(duì)于調(diào)用頻率高、持續(xù)時(shí)間短的調(diào)頻服務(wù)而言是現(xiàn)成的可用資源。借鑒電廠AGC 技術(shù),讓大型充電站接受調(diào)度的實(shí)時(shí)指令并參與二次調(diào)頻,能豐富新型電力系統(tǒng)下電網(wǎng)的調(diào)頻品類。

綜上,多種電動(dòng)汽車應(yīng)用場景不僅為電網(wǎng)提供了電力輔助服務(wù),亦給車主創(chuàng)造了額外收益。但作為價(jià)格與行為敏感型資源,電動(dòng)汽車用戶參與交易的意愿較大程度受制于電力市場成熟度與電池技術(shù)的發(fā)展[27-29]。只有更多樣的交易形式與可持續(xù)的補(bǔ)貼機(jī)制,方可吸引更多的用戶響應(yīng)市場需求;只有更高的電池能量密度與更快更安全的充電技術(shù),才能調(diào)動(dòng)用戶參與電網(wǎng)雙向調(diào)節(jié)的積極性。此外,電力輔助服務(wù)對(duì)參與市場主體有最小準(zhǔn)入門檻限制,分散電動(dòng)汽車用戶若要參與輔助服務(wù)市場,必須依賴聚合商聚沙成塔的運(yùn)營模式,這將促進(jìn)負(fù)荷聚合商通訊信息處理技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度算法與計(jì)量采集技術(shù)的快速發(fā)展,形成利益驅(qū)動(dòng)的正向循環(huán)。

2.2.3 虛擬電廠應(yīng)用

虛擬電廠(virtual power plant,VPP)利用先進(jìn)的傳感、計(jì)量、通信技術(shù)打破資源的地理限制與異構(gòu)壁壘,對(duì)內(nèi)虛擬聚合分布式能源,對(duì)外呈現(xiàn)可調(diào)可控的“電廠”特性[30-31],是廣域分散資源聚合互聯(lián)的終極組態(tài)[32]。

隨著國內(nèi)整縣光伏的迅速推進(jìn),需求響應(yīng)市場的逐步健全,分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷以指數(shù)趨勢野蠻增長,大量不確定資源的接入給配電網(wǎng)電壓與頻率穩(wěn)定造成了嚴(yán)峻考驗(yàn)。分布式資源地理位置分散、技術(shù)特性多樣,難以精準(zhǔn)監(jiān)測,單獨(dú)調(diào)控成本昂貴,而僅依靠源、荷兩類資源互補(bǔ)又存在較大的隨機(jī)性,因此儲(chǔ)能對(duì)于資源的聚合互動(dòng)調(diào)控仍是至關(guān)重要的設(shè)備。合理聚合用戶側(cè)分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能等分散資源,打造兼具能源“產(chǎn)消一體”特性,多尺度時(shí)空互補(bǔ)、靈活可調(diào)的虛擬電廠符合當(dāng)下及未來的國情與政策需求[33-34]。

不同地域、不同類型的虛擬電廠內(nèi)部資源響應(yīng)能力與規(guī)模水平參差不齊,導(dǎo)致其接受直接調(diào)控時(shí)難以滿足嚴(yán)苛的調(diào)度要求。而虛擬電廠之間缺乏信息交互與能源共享機(jī)制,極易造成資源浪費(fèi),且無法最大化虛擬電廠集群的整體效益。因此,引入聚合商代理機(jī)制與分層分區(qū)動(dòng)態(tài)聚合架構(gòu),形成超大城市級(jí)或省級(jí)虛擬電廠,將廣域的、不同電壓等級(jí)的分散資源、虛擬電廠再次聚合,構(gòu)建立體化運(yùn)營體系。其次,利用“云邊協(xié)同”調(diào)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)更廣范圍、更大體量的資源聚合與最優(yōu)化集群管控,虛擬電廠分層分區(qū)立體化運(yùn)營體系如圖5所示。

當(dāng)虛擬電廠聚合商B 接收平臺(tái)層智能分解的需求指令后,將以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)或總成本最小等優(yōu)化目標(biāo)選擇性聚合邊緣層虛擬電廠1至n。各虛擬電廠利用邊緣計(jì)算優(yōu)化內(nèi)部源、荷、儲(chǔ)資源能量流,包括分散的5G 基站與數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車充電樁(站)、工商業(yè)分布式儲(chǔ)能等,以響應(yīng)聚合層發(fā)布的電力市場競標(biāo)或調(diào)用指令。或是通過平行交易、向上交易將富余資源出售給能量匱乏的其他平級(jí)虛擬電廠和上層聚合商。虛擬電廠聚合商代理與分層分區(qū)立體化運(yùn)營體系一方面整合更廣范圍的分布式資源,聚集虛擬電廠集群優(yōu)勢,進(jìn)一步提升云端調(diào)控能力,緩解電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力;另一方面,立體化運(yùn)營體系為虛擬電廠及其聚合商之間提供了聚合互動(dòng)與可信交易的平臺(tái),調(diào)動(dòng)聚合商與底層資源參與市場的積極性,充分利用內(nèi)部富裕資源,統(tǒng)籌優(yōu)化虛擬電廠集群的整體經(jīng)濟(jì)效益。

3 共享儲(chǔ)能商業(yè)模式

共享經(jīng)濟(jì)的成功為儲(chǔ)能的商業(yè)運(yùn)營打開了新的格局,相關(guān)政策也多次提出要打造儲(chǔ)能共建共享的新業(yè)態(tài)[5-6],支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展。共享儲(chǔ)能是由第三方或廠商負(fù)責(zé)投建、運(yùn)維,并作為供租方將儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量以商品形式租賃給目標(biāo)用戶的一種商業(yè)運(yùn)營模式,秉承“誰受益、誰付費(fèi)”的原則向承租方收取租金。用戶在服務(wù)時(shí)限內(nèi)享有儲(chǔ)能充放電權(quán)利,以滿足自身供能需求,無需自主建設(shè)儲(chǔ)能電站,大幅降低了原始資金投入。

3.1 青海運(yùn)營案例

為應(yīng)對(duì)新能源大規(guī)模建設(shè)布局,青海省于2019年4月率先開展了國內(nèi)首次共享儲(chǔ)能調(diào)峰輔助服務(wù)試點(diǎn)運(yùn)行。魯能海西多能互補(bǔ)示范工程的自建自用儲(chǔ)能系統(tǒng),在滿足自身使用需求之余,借助電網(wǎng)通道將剩余容量租用給同區(qū)的其他2座50 MW 光伏電站,提供“棄光消納,峰時(shí)放電”的充放服務(wù)。此次共享不僅提升了對(duì)側(cè)新能源場站發(fā)電量,緩解了地方電網(wǎng)的調(diào)峰壓力,還協(xié)助儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)租賃費(fèi)與場站增發(fā)電量利潤分?jǐn)偟膭?chuàng)收模式,拓寬了自建自用儲(chǔ)能的盈利渠道,是三方共贏的運(yùn)營模式。截至2021年7 月底,青海共享儲(chǔ)能市場累計(jì)成交2 648筆,新能源場站增發(fā)電量7 286萬k W·h[35],證明共享儲(chǔ)能具有市場可行性,也為儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展與商業(yè)化開辟了新的思路。

3.2 共享模式的探索

青海案例是為新能源服務(wù)的共享儲(chǔ)能,具有鮮明的區(qū)域特色,有一定的可復(fù)制性,但隨著國家補(bǔ)貼退坡,新能源實(shí)行平價(jià)上網(wǎng),共享儲(chǔ)能應(yīng)探索更清晰的商業(yè)模式,在遠(yuǎn)景年也具備盈利途徑。

1) 隨著越來越多的地區(qū)明確新能源場站按比配儲(chǔ)要求,共享儲(chǔ)能運(yùn)營商作為供租方,以低于用戶自建儲(chǔ)能單價(jià)的租賃費(fèi),吸引更多目標(biāo)群體購買共享服務(wù),為新能源場站省去配儲(chǔ)成本,為電網(wǎng)爭取主變、線路的增容擴(kuò)建時(shí)間,為工商業(yè)用戶降低容量電費(fèi)與電量電費(fèi),產(chǎn)生社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)利好。

2) 共享儲(chǔ)能運(yùn)營商統(tǒng)籌規(guī)劃多承租方充、放電需求的互補(bǔ)性,使共享儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)容量顯著低于所有用戶購買的服務(wù)容量總和,由此降低建設(shè)成本。另外,通過負(fù)荷預(yù)測研判用戶未來的租賃行為,優(yōu)化排布儲(chǔ)能先后使用權(quán),保證容量的最優(yōu)化利用,且運(yùn)營商在多數(shù)場景下可不必實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶充電需求,而是通過平移充電量至谷電時(shí)段,進(jìn)一步降低運(yùn)行電費(fèi)成本。

3) 運(yùn)營商可同時(shí)為多位承租方提供單一的或組合式服務(wù),進(jìn)而提升共享儲(chǔ)能單位容量的使用價(jià)值。如消納場站棄風(fēng)棄光的同時(shí)為電網(wǎng)提供無功電壓支撐、響應(yīng)調(diào)峰指令的同時(shí)改善工商業(yè)用戶電能質(zhì)量等等。相較于自建自用電站而言,共享儲(chǔ)能不僅可承接來自于不同承租方的需求,還有效提高了設(shè)備利用率,進(jìn)一步增加運(yùn)營收入。

因此,共享儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用有助于源網(wǎng)荷儲(chǔ)的全局效益,圍繞上述的優(yōu)化定容降低成本總額、多維調(diào)用增加營業(yè)利潤兩個(gè)方面,提升運(yùn)營商的投資回報(bào)率,吸引更多企業(yè)進(jìn)入共享賽道。同時(shí),鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)通過自建或購買調(diào)峰儲(chǔ)能能力以增加新能源裝機(jī)并網(wǎng)規(guī)模[7],倡導(dǎo)完善峰谷電價(jià)[8]等利好政策的出臺(tái),為共享儲(chǔ)能提供了更廣袤的舞臺(tái)。即便是投身市場交易、參與虛擬電廠等多種新興業(yè)態(tài),共享儲(chǔ)能依然可以為用戶提優(yōu)質(zhì)、低價(jià)的技術(shù)服務(wù),形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)全交互、多方互利互惠的共贏格局,是未來儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的重點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

為助推以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè),保障電網(wǎng)電力電量平衡與安全穩(wěn)定低碳運(yùn)行,研究新型儲(chǔ)能的技術(shù)應(yīng)用與商業(yè)模式至關(guān)重要。本文概述了以電化學(xué)儲(chǔ)能為典型代表的新型儲(chǔ)能類型,聚焦電源側(cè)與用戶側(cè)新型儲(chǔ)能的多種應(yīng)用場景,研究其參與輔助服務(wù)市場、需求響應(yīng)服務(wù)的盈利途徑以及共享形態(tài)下更清晰的商業(yè)運(yùn)營模式。然而,新型儲(chǔ)能若要大規(guī)模高效應(yīng)用,在未來仍有一些關(guān)鍵問題亟待解決,在此做簡要探討與展望。

1) 關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,提高儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)、儲(chǔ)能變流器(power conversion system,PCS)等單體設(shè)備的制造工藝、運(yùn)行能力、安全性能;加速降低儲(chǔ)能的系統(tǒng)成本,進(jìn)一步縮短投資回報(bào)率,通過可持續(xù)的政策手段,調(diào)動(dòng)第三方企業(yè)投身市場建設(shè)與運(yùn)營的積極性,形成良性的市場價(jià)格競爭。

2) 通訊、傳感、測控設(shè)備的技術(shù)革新。在推動(dòng)新型電力系統(tǒng)布局中,電力與通信領(lǐng)域愈發(fā)緊密融合。負(fù)荷聚合、虛擬電廠、共享儲(chǔ)能等新業(yè)態(tài)能否迅速步入市場化階段,依賴成熟的數(shù)據(jù)監(jiān)測與通訊控制體系,因此必須解決復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的通信時(shí)延與在線辨識(shí)難題。

3) 電力市場交易制度的健全完善。通過市場盈利是我國儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的基本方向,以商業(yè)價(jià)值驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能運(yùn)營商主動(dòng)響應(yīng)需求和參與電網(wǎng)調(diào)控是重要途徑。在國家層面已明確儲(chǔ)能獨(dú)立主體身份的背景下,各省市縣應(yīng)盡快研究確立電力輔助服務(wù)與需求響應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)價(jià)格,使新型儲(chǔ)能可全面參與電量、容量、輔助服務(wù)等市場交易。