儲(chǔ)能電站在城市軌道交通的應(yīng)用性分析

劉禺貝，林曉鴻，趙云云，黎俊杰

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

隨著習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)鄭重提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)成為未來(lái)40年最明確的發(fā)展趨勢(shì)之一。中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議強(qiáng)調(diào)“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動(dòng)，工業(yè)領(lǐng)域要推進(jìn)綠色制造，建筑領(lǐng)域要提升節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，交通領(lǐng)域要加快形成綠色低碳運(yùn)輸方式”，工業(yè)生產(chǎn)、交通、居民生活等重點(diǎn)領(lǐng)域的能源脫碳進(jìn)程將在此目標(biāo)下加速進(jìn)行，城市軌道交通作為最重要的公共出行方式之一，將向“零碳城市軌道交通”進(jìn)化。

城市軌道交通是電氣化運(yùn)營(yíng)的大運(yùn)量公共交通工具，人均能耗和碳排放是公路運(yùn)輸?shù)?/11～1/15，屬于低碳環(huán)保運(yùn)輸方式。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程仍在持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，線網(wǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，能耗和碳排放仍未達(dá)峰，“雙碳”目標(biāo)下行業(yè)發(fā)展與節(jié)能降碳的矛盾愈加突出。

儲(chǔ)能由于其電量及電力特點(diǎn)，可作為解決新能源消納難題的可靠方案，同時(shí)確保電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)各大場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用及推廣，如用于發(fā)電側(cè)的西藏崗巴儲(chǔ)能項(xiàng)目、深圳寶清電池儲(chǔ)能站項(xiàng)目等，用戶側(cè)的臺(tái)灣AFC儲(chǔ)能項(xiàng)目、東莞松山湖園區(qū)儲(chǔ)能項(xiàng)目等。

然而儲(chǔ)能電站尚未在城市軌道交通應(yīng)用，本文將從電網(wǎng)能源架構(gòu)調(diào)整、電力市場(chǎng)改革要求及軌道交通儲(chǔ)能建設(shè)需求3個(gè)方面梳理儲(chǔ)能電站在城市軌道交通的應(yīng)用性，著重闡述了城市軌道交通儲(chǔ)能電站建設(shè)需求，并以某市電力負(fù)荷為例，探討了儲(chǔ)能電站在城市軌道交通的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 電網(wǎng)能源架構(gòu)調(diào)整

在“雙碳”目標(biāo)提出的大背景下，我國(guó)電網(wǎng)公司及能源公司發(fā)布實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的工作計(jì)劃，并定下實(shí)現(xiàn)路線的目標(biāo)計(jì)劃。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，新能源將大規(guī)模并網(wǎng)，如風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等，新型用能設(shè)備將廣泛接入，電力系統(tǒng)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征日益凸顯，電網(wǎng)能源架構(gòu)將不斷深化調(diào)整，電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷”生態(tài)將發(fā)生重大變化。

新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，電力系統(tǒng)的凈負(fù)荷波動(dòng)不斷加劇，安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大。儲(chǔ)能在提升系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用[1]，電力系統(tǒng)及用戶側(cè)對(duì)儲(chǔ)能的需求也隨之增強(qiáng)。為確保軌道交通電源的可靠性，進(jìn)行儲(chǔ)能的配置是必要的。

2021年7月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]，明確碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下新型儲(chǔ)能的功能定位，提出新型儲(chǔ)能是提升能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措。同時(shí)提出到2025年，新型儲(chǔ)能步入規(guī)模化發(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件；到2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展的目標(biāo)。

國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》[3]提出推動(dòng)新型儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展，支撐構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，其中主要包括3個(gè)方面：(1)加大力度發(fā)展電源側(cè)新型儲(chǔ)能，提高新能源風(fēng)電光伏基地、海上風(fēng)電的消納，提高電源調(diào)節(jié)能力；(2)因地制宜發(fā)展電網(wǎng)側(cè)新型儲(chǔ)能，提高電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和供電保障能力、應(yīng)急保障能力，延緩和替代輸變電設(shè)施投資；(3)靈活多樣發(fā)展用戶側(cè)新型儲(chǔ)能，推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化協(xié)同發(fā)展，加快跨領(lǐng)域融合發(fā)展(智慧城市、智慧交通等)，拓展多種儲(chǔ)能形式應(yīng)用。

在全國(guó)逐漸推行的峰谷電價(jià)政策以及越來(lái)越多的政策利好支撐下，用戶側(cè)儲(chǔ)能存在多種靈活的商業(yè)模式應(yīng)用，具備跨行業(yè)融合的巨大機(jī)遇及示范作用。可見，新型儲(chǔ)能將迎來(lái)新一波規(guī)模化的飛速發(fā)展。而中小型儲(chǔ)能電站，也會(huì)隨著用戶側(cè)新型配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變而迎來(lái)巨大的機(jī)遇。

2 電力市場(chǎng)改革要求

為繼續(xù)推動(dòng)電力市場(chǎng)改革，貫徹落實(shí)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號(hào))文件精神，國(guó)家發(fā)改委2021年相繼發(fā)布1093號(hào)、1439號(hào)兩份深化電改文件，提出了總體要求：“適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展、電力市場(chǎng)加快建設(shè)、電力系統(tǒng)峰谷特性變化等新形勢(shì)新要求，持續(xù)深化電價(jià)市場(chǎng)化改革、充分發(fā)揮市場(chǎng)決定價(jià)格作用，形成有效的市場(chǎng)化分時(shí)電價(jià)信號(hào)。在保持銷售電價(jià)總水平基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善目錄分時(shí)電價(jià)機(jī)制，更好引導(dǎo)用戶削峰填谷、改善電力供需狀況、促進(jìn)新能源消納，為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供支撐?！?/p>

兩個(gè)國(guó)家發(fā)改委文件主要提及的電力改革內(nèi)容：(1)有序放開全部燃煤發(fā)電電量上網(wǎng)電價(jià)；(2)擴(kuò)大市場(chǎng)交易電價(jià)上下浮動(dòng)范圍；(3)推動(dòng)工商業(yè)用戶都進(jìn)入市場(chǎng)；(4)保持居民、農(nóng)業(yè)用電價(jià)格穩(wěn)定。

在新發(fā)布電力改革政策要求下，越來(lái)越多城市軌道交通用電費(fèi)用受峰谷分時(shí)電價(jià)政策影響。由于軌道交通部分用電負(fù)荷高峰處于電價(jià)峰段內(nèi)，電價(jià)谷段用電量占比較低，會(huì)大幅度提高電費(fèi)成本，造成運(yùn)營(yíng)成本明顯增加。因此，建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)線網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，利用峰谷電價(jià)政策降低電費(fèi)總額，減少運(yùn)營(yíng)成本，具有一定經(jīng)濟(jì)性。

3 軌道交通儲(chǔ)能建設(shè)需求

3.1 軌道交通線網(wǎng)規(guī)模情況

城市軌道交通能一定程度緩解城市交通出行壓力，提高能源利用率并減少污染物的排放。同時(shí)，國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出加強(qiáng)城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)，從而使我國(guó)城市軌道交通得以迅速發(fā)展。截至2021年年底，全國(guó)共有51個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)線路達(dá)到275條，運(yùn)營(yíng)里程8 735.6 km。2021年，新增城市軌道交通線路49條，新增運(yùn)營(yíng)里程1 380.9 km，較2020年增長(zhǎng)約15%(見圖1)。

圖1 城市軌道交通規(guī)模

未來(lái)，線網(wǎng)規(guī)模將按照規(guī)劃逐步擴(kuò)大，城市軌道交通電力需求呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3.2 線網(wǎng)用電負(fù)荷情況

軌道交通本身即為綠色低碳的交通形式，提高軌道交通在整個(gè)交通行業(yè)的客流占比，可降低整個(gè)地區(qū)的碳排放量。根據(jù)2020年統(tǒng)計(jì)資料，廣州市交通運(yùn)輸行業(yè)用電總量為41.4億千瓦時(shí)，占全市用電比例4.16%；而城市軌道交通2020年用電量為17.6億千瓦時(shí)，占全市交通運(yùn)輸行業(yè)用電比例為42.46%，占全市總用電比例為1.77%。

城市軌道交通99%以上的能源消費(fèi)為電力，此外還有少量的天然氣、液化石油氣、柴油、汽油。電力能耗中牽引、動(dòng)力能耗占比達(dá)90%。“十三五”期間，隨著線網(wǎng)里程不斷擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)電力能耗逐年上升。

根據(jù)實(shí)測(cè)軌道交通運(yùn)行負(fù)荷用電數(shù)據(jù)，將日用電曲線圖與峰谷電價(jià)政策時(shí)段進(jìn)行擬合(見圖2)，日均總用電量的42%處于9小時(shí)平段電價(jià)段范圍內(nèi)，日均總用電量的36%處于7小時(shí)高峰電價(jià)段范圍內(nèi)?？砂l(fā)現(xiàn)城市軌道交通用電早高峰(8～10時(shí))大致在平段電價(jià)段，隨后在峰段電價(jià)時(shí)段，用電負(fù)荷逐漸下降至地鐵線網(wǎng)午間負(fù)荷谷段。午后，用電負(fù)荷緩慢提高，在下班時(shí)段17時(shí)左右開始形成第二個(gè)用電負(fù)荷高峰，用電負(fù)荷晚高峰前半部分時(shí)段(17～19時(shí))在高峰電價(jià)段內(nèi)，后半部分時(shí)段(19～21時(shí))在平價(jià)段內(nèi)。分析可得，城市軌道交通用電負(fù)荷有以下特點(diǎn)：(1)日負(fù)荷曲線呈尖峰高、整體雙峰；(2)早高峰時(shí)段與電價(jià)早高峰段存在錯(cuò)峰。

圖2 城市軌道交通用電與峰谷電價(jià)擬合

若城市軌道交通實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)計(jì)費(fèi)，對(duì)比以往的基礎(chǔ)電價(jià)計(jì)費(fèi)方式，將增加規(guī)模較大的峰時(shí)電費(fèi)支出，對(duì)于每日平均占比36%的峰段電力負(fù)荷，需要進(jìn)行節(jié)能措施降低負(fù)荷，或利用儲(chǔ)能手段削峰填谷降低峰段負(fù)荷費(fèi)用。

由于軌道交通用電負(fù)荷具有明顯的規(guī)律特點(diǎn)，主要隨日間出行需求變化，牽引負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷占比較高，變電所峰段負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較短，用地負(fù)荷曲線與峰谷電價(jià)曲線基本重合，典型日用電有較大用電負(fù)荷峰谷差，因此可以用過(guò)往建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備削峰填谷獲取電價(jià)利潤(rùn)，抵消部分由電力市場(chǎng)峰谷電價(jià)政策帶來(lái)的電費(fèi)費(fèi)用。而夜間低谷期較長(zhǎng)，導(dǎo)致功率因素偏低，承受電能質(zhì)量指標(biāo)壓力。利用夜間時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能充電時(shí)，可以有利于調(diào)整功率因數(shù)指標(biāo)。

可預(yù)見的，城市軌道交通電力需求將呈現(xiàn)中高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于逐漸密集的軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)與主變所的持續(xù)部署，將對(duì)相關(guān)變電站帶來(lái)較大的安全穩(wěn)定運(yùn)行壓力，同時(shí)對(duì)線網(wǎng)電力負(fù)荷削峰填谷以及線網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的需求也日趨明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”背景下，大規(guī)模的集中式和分布式新能源并網(wǎng)，為應(yīng)對(duì)高比例新能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，建設(shè)儲(chǔ)能電站可以提高軌道交通供電可靠性。同時(shí)，推行電力市場(chǎng)改革后，峰谷電價(jià)政策大幅度提高電費(fèi)成本。儲(chǔ)能電站在城市軌道交通的應(yīng)用可利用峰谷電價(jià)政策對(duì)線網(wǎng)電力負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，降低電費(fèi)總額，減少運(yùn)營(yíng)成本，具有經(jīng)濟(jì)效益。此外，儲(chǔ)能電站可提高地鐵線網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，滿足負(fù)荷快速增長(zhǎng)的需要，有效提高能源利用效率，減少輸配電網(wǎng)容量建設(shè)。