儲能在電力系統中的作用與運營模式

唐西勝

(中國科學院電工研究所，北京市 100190)

儲能在電力系統中的作用與運營模式

唐西勝

(中國科學院電工研究所，北京市 100190)

隨著可再生能源的快速發展及能源互聯網的構建，儲能在整個能源電力體系中的作用越來越重要，而儲能技術的日趨成熟，已基本具備了推廣應用條件。該文從電力系統的發展需求出發，分析了儲能在電力系統調峰、調頻、調壓、電能質量治理、供電可靠性提高及多種應用綜合等方面的作用；從發電側、電網側和用電側等不同角度結合電價結構分析了儲能的運營模式；并從儲能應用技術、發展模式和市場機制等方面提出了儲能應用的發展建議：(1)加大對基礎材料和核心技術的支持力度，形成核心競爭力；(2)出臺儲能配套政策，形成儲能應用市場的良性發展機制；(3)整合上下游產業和應用市場，推動儲能技術快速發展；(4)鼓勵多種儲能技術競爭與多元化發展。

儲能；電力系統；盈利模式；可再生能源；能源互聯網

0 引 言

近年來，隨著風光等可再生能源的快速發展，其發電出現了并網難、消納難、安全事故頻發等現象，嚴重制約了可再生能源發電的發展，這給儲能提供了很好的發展機遇[1-3]。

在可再生能源并網的電力系統中，運用儲能技術可以促進可再生能源的利用，提高電網系統運行的穩定性，并提高電網電能質量，保證供電的可靠性[4-7]：(1)儲能能夠進行電網調峰調頻、改善電能質量和提高系統穩定性等，從而讓可再生能源成為電網可接納的優質電源；(2)儲能也可以應用于用戶端，通過對可再生能源出力的平滑和削峰填谷等，改善用戶端的電能質量，延緩設備的升級改造和變壓器擴容等；(3)儲能根據市電價格可以調整其能量的充放，從而減小用戶端用電的峰谷差值，且能夠實現一定程度的收益。因此，儲能能夠提高可再生能源并網的滲透率和可信度。

本文將對多種類型儲能的特性進行介紹，分析儲能在電力系統中的作用，并對儲能的盈利模式進行探討，最后對儲能未來的發展給出建議。

1 儲能類型

按照能量轉換形式，電力儲能技術一般可以分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能3類，如表1所示。

表1 電力儲能技術分類
Table 1 Classification of energy storage technologies

目前化學儲能在實際應用中較為廣泛，因此本節重點介紹化學儲能即儲能電池的特性及其應用。應用于電力系統的電池儲能技術，其安全性、成本、壽命、功率和能量特性、效率、可維護性等指標是需要關注的重點。

1.1 鉛酸電池

鉛酸電池是最早的二次電池。傳統的鉛酸電池主要作為后備電源使用，大多處于浮充工作狀態，因而對循環壽命沒有特別要求。近年來，隨著電力儲能發展需求的增加，出現了新的鉛酸電池技術，如管式膠體電池、卷繞電池和鉛炭電池等。尤其是鉛碳電池，通過碳材料添加和工藝改進，克服了傳統鉛炭電池的失效問題，電池循環壽命長達3 800次以上，此外，在充放電接受能力、高低溫性能等方面也有較大改善，而成本較低的優勢使其成為電力儲能當前的有力競爭者。目前，鉛炭電池在可再生能源發電、微電網、需求側響應等方面已有較多示范和商業應用。

1.2 鋰離子電池

近年來，鋰離子電池的快速發展，為大功率、大能量的儲能應用提供了新的選擇。鋰離子電池的優勢在于能量密度高、功率密度高、充放電效率高、循環壽命長等，具有在電力系統進行規模應用的技術優勢。A123系統公司2008年率先開發出了2 MW的鋰離子電池儲能系統，用于電能質量改善和備用電源。由于鋰離子電池在電動汽車和電力儲能中具有良好的應用價值，目前已成為儲能產業發展重點之一，價格也在逐步回落。繼續提高電池、模組和系統的安全性，降低成本，形成完善的評價體系，是鋰電池應用于電力系統的關鍵。

1.3 鈉硫電池

鈉硫電池具有比能量高、充電時間快、無自放電現象等優點，在世界上許多國家受到了重視和發展，也是早期電池儲能的主力軍。日本東京電力公司(EPCO)與日本特殊陶業株式會社(NGK)合作，在20世紀90年代后期完成了眾多鈉硫電池儲能系統工程，并在2002年實現了商業化。目前已有200座以上功率大于500 kW、總容量約為300 MW的儲能電站在運行，分別用于電網峰谷調節、電能質量改善、應急電源、風電等可再生能源的穩定輸出等，最大容量達34 MW。我國中國科學院上海硅酸鹽研究所在鈉硫電池關鍵材料、制作工藝、電池模塊化、中試生產線、應用示范等方面都取得了較好的進展。

1.4 液流電池

目前，液流電池分為全釩液流電池、鋅溴體系電池、多硫化鈉/溴體系電池及鐵鉻電池等幾類。其中，全釩液流電池充放電壽命可達10 000次以上，放電深度高達80%以上，功率和容量可分開設計，發展前景廣闊。日本住友電氣公司(SEI)2005年在Tomamae風電場安裝了4 MW×1.5 h全釩液流電池儲能系統，以實現風電連續穩定輸出；我國遼寧臥牛石風電場建成了5 MW×2 h全釩液流電池儲能示范電站，用于減少風力發電波動給電網穩定運行帶來的沖擊。

2 儲能在電力系統中的作用

理論上講，儲能在電力系統發、輸、變、配、用等各個環節均具有明顯作用，可以大大增強電力系統的控制靈活性和經濟性，實現系統安全穩定、經濟高效、綠色清潔運行。

2.1 峰谷調節

電網的建設需要滿足高峰負荷甚至尖峰負荷需求，造成資產利用率和運行效率低。尤其在夏季，電網負荷的40%以上為空調，而其全年用電量則在10%以下。通過儲能存儲負荷谷時段的電能，在負荷高峰時段釋放出來，實現削峰填谷，緩解負荷高峰/尖峰對電力系統安全穩定運行的壓力，減緩負荷快速增長地區輸配電系統升級改造的壓力。

利用抽水蓄能電站實現電力系統削峰填谷已經發展成熟并實現了實用化，也是目前全球電力系統中儲能的主要方式。但由于受建設環境、地理位置的制約，大面積推廣具有較大的局限性。電池儲能具有選址靈活、建設周期短、效率高、調節性能優越等優點，具有調節電力系統峰谷的潛力。尤其在應對尖峰負荷和緊急支撐時，電池儲能的優勢更為明顯。此外，電池儲能系統與抽水蓄能或其他可調電源結合組成的復合儲能，可以改善調節性能[8]。當然，對于電池儲能來說，其建設地點更多地會靠近負荷側，采用分布式、多點接入的方式，并與光伏等可再生能源發電系統[9-10]、用電大戶或重要負荷結合[11-13]。

2.2 調頻調壓

隨著可再生能源發電在電力系統中份額的增加，由于風電和光伏大多以最大功率跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)運行，意味著傳統電力系統調頻調壓能力逐步削弱，使得系統在擾動下的頻率和電壓波動變大，電能質量變差，甚至影響系統穩定性。電池儲能通過功率變換系統(power conversion system, PCS)控制，具有響應快速、有功無功功率獨立控制、正反向調節和效率高等優勢，非常適合于調頻調壓。

由于無功調壓基本上不消耗能量，用于調頻的儲能技術須具有功率密度大、循環壽命長和效率高等特點。從目前的技術水平看，先進鉛酸電池如純鉛卷繞電池、鋰電池、飛輪儲能等均具有參與系統調頻的潛力。

儲能參與系統調頻已經在一些國家得到了驗證和小規模應用，而且正在通過合理的投資回報機制實現商業化[14-15]。我國也在積極進行促進電池儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償(市場)機制試點，儲能可作為獨立市場主體或與發電企業聯合參與調頻、深度調峰和啟停調峰等輔助服務。

此外，目前有一些研究示范將電池儲能與常規調頻技術相結合[16]，或者將電池儲能與風電的功率調控技術相結合[17-19]，以彌補常規調頻技術和風電自身調頻技術的不足，提升調頻技術性能和調頻容量可信度。

2.3 改善電能質量

現代配電系統一方面承載了諸多敏感負荷，如各類精密加工企業、醫院和其他重要部門，對電能質量要求越來越高，另一方面，大量可再生能源發電與電力電子負荷等的非線性特性、諧波、啟停沖擊等給系統帶來較大沖擊。電池、超級電容器或飛輪等儲能器件可以與常規的電能質量治理裝置相結合，如動態電壓恢復器(dynamic voltage regulator， DVR)、靜止無功補償器(static synchronous compensator， STATCOM)、統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等，向系統提供系統有功和無功功率補償，消減電壓暫降、電壓驟升、電壓波動與閃變、諧波等多種電壓質量問題。由于儲能的加入，給常規電能質量治理裝備賦予了持續的有功支撐能力，將成為儲能應用的新方向。

對于在配電網中建設的分布式儲能系統，可以通過改進PCS控制技術，使其具有低次諧波消減、無功補償等功能，在完成峰谷調節功能的基礎上，主動參與配電網電能質量治理，既可以為用戶改善用電環境，又可以避免無功補償和諧波消減等設備的重復投資[20-23]。

2.4 提高供電可靠性

由于儲能的存在，對于電網故障時重要負荷的不間斷供電，以及故障后電網的恢復，均具有重要作用和天然優勢[24]。儲能系統可以與風電、光伏或天然氣發電組合，形成微電網或小型供電系統，在電網故障時提高生存能力，減少負荷停電時間[25-31]。

接入電壓等級更高的大型儲能電站，具有輔助電網黑啟動的潛力，在電網恢復期間作為獨立電源為發電廠、變電站提供輔助供電，逐步啟動發電機組正常運行。大型儲能電站往往由多個儲能單元并聯組成，獨立運行時需要解決多個單元并聯穩定運行和均衡工作的問題。

2.5 多種應用綜合

盡管儲能在電力系統中有重要作用，但其應用推廣和市場開拓仍然需要克服諸多困難，包括技術、經濟的和體制方面，而高性價比是其進入市場的前提。在目前各類電池普遍成本較高的情況下，多種應用綜合，是可以考慮的思路。

對于在用戶側進行削峰填谷建設的儲能系統，可以通過接入電網調度平臺，或者多個分散的儲能系統通過代理以集群方式接入調度平臺，提供調頻、調壓、深度調峰等輔助服務市場。一旦其市場地位確認后，儲能系統運營商可以通過約定好的結算方式獲得收益。工商業用戶建設的削峰填谷儲能電站，還可以為重要負荷提高供電可靠性，在電網停電后孤島運行為負荷提供不間斷供電，避免用戶不間斷電源(uninterruptable power system，UPS)重復投資。

當然，考慮多種應用綜合下，如何實現儲能系統的優化配置和運行管理，協調多種應用模式之間的關系，以及多種應用的計量、結算等，都是需要解決的重要問題。

3 運營模式探討

盡管儲能在電力系統中的潛在作用明顯，但在進入規模化應用之前，還要確立儲能的市場地位，無論從發電、電網還是用戶角度看，合理的盈利模式是引導儲能發展的關鍵，尤其是儲能電池的成本目前仍然較高。

國內外在經歷了儲能技術的示范和驗證階段之后，紛紛加大力度對儲能的市場定位和盈利模式進行研究和試點。由于國內外電力市場發展過程和表現形式不盡相同，對儲能的定位也有較大區別，可以從發電側、電網側和用戶側分別分析。

3.1 發電側

當發電側參與電力市場競價時，上網電價存在一定的波動范圍，配置的儲能在低電價時段充電在高電價時段放電，有可能給發電商帶來一定的收益，同時可以避免常規發電機組頻繁啟停，以及長時間低功耗運行所帶來的損失。儲能能否獲利取決于上述因素的綜合影響。

我國發電側一般采用標桿電價的方式，不存在上網電價峰谷差，因而理論上配置儲能無法獲利。隨著可再生能源的快速發展，“三北”地區限電嚴重，尤其在火電機組需要以熱定電方式運行的取暖季。配置儲能可以將風電和光伏所限發的電量存起來，并在其他時段輸送出去，從而減少限發損失。儲能的收益相當于可再生能源的上網標桿電價，存在一定的盈利可能性，尤其是光伏電站。但這種應用方式的持續性存在風險，隨著電網建設和負荷發展，可能會大幅緩解或消除限電問題，給儲能投資者帶來風險。

3.2 電網側

儲能在電網側的作用主要是緩解輸配電系統升級改造，以及主動參與調頻調壓等穩定控制等方面。輸配電系統在應對負荷高峰時段或尖峰時段運行時需要投入大量的電力資產，但這部分資產的利用率很低，而且新建、擴建還要面臨輸電走廊、環境等多方面因素制約。配置儲能可以減緩輸配電系統的升級改造，其獲利模式取決于輸配電系統升級改造和儲能系統建設與運維之間的成本對比。

儲能系統參與電網調頻調壓，可以增加調頻調壓容量和控制靈活性，有利于調度運行和系統穩定。如果儲能參與自動發電控制(automatic generation control，AGC)和自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)，可以參照常規發電機組，按照可調容量和累計運行時間獲得收益。當然，由于儲能具有響應速度快，爬坡能力強，可正反向調節等優點，可以加大儲能電站的調頻調壓調用補貼。

3.3 用戶側

由于用電一般都存在峰谷電價或實時電價，通過儲能實現用電負荷的轉移存在盈利的可能性，也是目前儲能最有可能推廣應用的方式之一，而合理的電價結構對儲能的盈利影響至關重要。

以美國薩克門托市SMUD為例，由于夏季高峰負荷給SMUD造成巨大沖擊，高峰負荷可達 3 000 MW，其中的400 MW僅產生于每年的40 h之內。通過開展電價結構改革示范項目，SMUD共試驗了2種電價體系，分別是分時電價(time of use, TOU)和尖峰電價(critical peak pricing, CPP)。

TOU：除節假日外，每天的下午04：00至07：00為高峰負荷時段，電費為0.27美元，在其他用電時段，用戶在賬單周期內所使用的前700 kW·h電量按照0.084 6美元計算，超出部分按照0.166 0美元計算。

CPP：1年之內選取并設定了12個尖峰負荷時段，此時段內用戶需要承受0.75美元的電費，用戶會在尖峰負荷開始前24 h收到通知。在其他用電時段，用戶在前700 kW·h電量按照0.085 1美元計算，超出部分按照0.166 5美元計算。

在上述電價結構下，配置儲能可以幫助用戶實現電價高峰期用電量消減，從而減少電費支出，盈利能力取決于儲能系統全壽命周期內度電成本與峰谷電價差的比較。據測算，本次電價結構改革有望幫助SMUD消減12%～25%的高峰負荷，在10年內節省5千萬至1.15億美元的電力擴容成本。

隨著我國城市化的快速發展，晝夜電力需求的峰谷差有進一步拉大的趨勢。在目前的電價體系下，工業用戶有投資建設儲能系統的潛力。但與實施實時電價的國家或地區相比，我國工業用電峰谷電價差大多為2～3倍，對用戶或社會資本還不具有足夠的吸引力。以當前度電成本最低的鉛碳電池儲能系統為例，按全壽命周期內度電成本0.75元計，在沒有補貼的情況下，大工業用戶投資回收期在6年以上，普通工業用戶也要5年。考慮到儲能系統占地、占夜間用電容量、投資運營商與用戶關系等其他因素，進一步影響了投資者和用戶的意向。但是，如果峰谷電價差能夠進一步拉大，儲能系統成本進一步降低，國家對儲能系統實施適當補貼，考慮用戶容量電費的降低，儲能系統可以參與電力輔助服務獲得額外收益，都會為儲能系統打開盈利空間。

4 儲能發展的建議

儲能是電力系統安全、可靠、經濟、高效運行的關鍵環節之一，也是未來能源互聯網的重要基石。除了儲能及其系統技術需要繼續發展成熟外，有效的運營模式、市場機制和政策支撐也是至關重要的。建議加大對基礎材料和核心技術的支持力度，形成核心競爭力；出臺儲能配套政策，形成儲能應用市場的良性發展機制；整合上下游產業和應用市場，推動儲能技術快速發展；鼓勵多種儲能技術競爭與多元化發展。

(1)儲能應用技術。儲能系統運行環境、運行管理過程對其性能表現有決定性作用。在前期一系列示范項目的基礎上，加大對儲能系統運行管理技術的完善和優化，消除影響儲能電池性能的負面影響，為規模化應用奠定基礎。

(2)儲能發展模式。探索并實踐儲能在電力系統和能源互聯網中的多種應用發展模式，包括儲能協助可再生能源消納、參與需求側響應和多種輔助服務、與其他分布式能源相結合形成虛擬發電廠等。分析不同應用下儲能系統的技術經濟性，形成相應的評估模型。

(3)儲能市場機制。探索適宜儲能發展的電價結構、政策環境，包括儲能不同應用模式下的補貼方式及其退出機制，儲能參與多種電力輔助服務的收益及其結算方式，多元化投資主體及金融環境。

5 結 論

可再生能源規模化接入與消納、電力系統安全穩定和經濟高效運行，以及未來能源互聯網的建設，都將儲能作為重要基石。除了抽水蓄能之外，各種新型儲能技術如何進入電力系統和電力市場，是其可持續發展的關鍵。本文以電池類儲能為主，分析了分布式或集中式儲能在電力系統調峰、調頻、調壓，以及電能質量治理和供電可靠性提高等方面的作用。從目前的電價結構和政策機制看，儲能在發電側可以與可再生能源結合提高消納能力，在電網側可以參與削峰填谷減緩輸配電系統升級改造壓力，在用戶側可以參與需求響應減少用電費用，具有推廣應用的條件。當然，儲能電池的技術進步及其在系統應用中的優化，探索并培育良好的儲能應用發展模式以及形成合理高效的市場機制，是需要進一步研究并實踐的重要問題。

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(編輯 張小飛)

Applications and Marketing Mode of Energy Storages in Power System

TANG Xisheng

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

With the rapid development of renewable energy and the oncoming energy internet, the importance of energy storage in the whole energy power system is becoming more and more prominent. Energy storage technology, which is becoming more mature, basically has the promotion and application condition. According to the demands of power system, this paper analyzes the functions of energy storage in the peak-shaving, frequency regulation, voltage regulation of power system, power quality and reliability improvement, and their integration. Then, this paper analyzes the marketing modes of energy storage system based on different electricity price structures from generation, utility grid and demand side respectively. Finally, this paper proposes some suggestions on the development of energy storage from aspects of the application technology, development mode and market mechanism: (1) it should strengthen the support for the base material and the core technology to form the core competitiveness; (2) it should establish the energy storage supporting policies and form the favorable development mechanism for the application market of energy storage; (3) the upstream and downstream industries and the application marker should be integrated to promote the rapid development of energy storage technology; (4) it should encourage the competition and diversified development of multiple energy storage technologies.

energy storage; power system; profit mode; renewable energy; energy internet

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2014AA052002)

TM 912

A

1000-7229(2016)08-0002-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.001

2016-04-22

唐西勝(1975)，男，博士，研究員，主要研究方向為電力系統穩定與控制、儲能與電網應用技術等。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA052002)