儲能電站綜合效益評價體系設計研究

高 峰，黃曉東，戎曉波，田啟明，沈 奕，張永平

(1.IBM中國研究院，北京100193；2.南方電網調峰調頻發電公司，廣東廣州510630)

儲能電站綜合效益評價體系設計研究

高 峰1，黃曉東2，戎曉波2，田啟明1，沈 奕1，張永平1

(1.IBM中國研究院，北京100193；2.南方電網調峰調頻發電公司，廣東廣州510630)

儲能是智能電網中不可或缺的關鍵部分。儲能電站及整個儲能體系的優化規劃和運行，需要對儲能進行更深入量化的綜合效益分析與評估，而分析和評估的基礎在于清晰完整的儲能綜合效益體系。在深入分析國內外相關研究成果的基礎上，形成了一個清晰全面的多維度的儲能功能作用與效益綜合體系。基于該體系，可實現儲能效益的量化評估，為儲能的部署和運行提供科學依據。

儲能系統；儲能效益；效益體系

當前，為應對氣候變化，提高能源供應安全及利用效率，在新能源、新材料、網絡信息技術、節能環保等高新技術的推動下，智能電網已逐漸成為未來電網的發展趨勢[1-3]。集中式儲能和分布式儲能是未來智能電網中不可或缺的關鍵部分，對實現智能電網具有重要作用[1]。

為了更好地指導和規劃儲能電站及整個儲能體系的建設，以及更加有效合理地優化儲能運行，迫切需要對儲能進行更深入量化的綜合效益分析與評估，提高儲能規劃及運營水平。而準確合理的儲能效益分析和評估的基礎在于清晰完整的儲能綜合效益體系。

以抽水蓄能為代表的集中式儲能具有幾十年的歷史，其效益體系的設計研究已經比較深入[4]。隨著電池儲能、超級電容等新型分布式儲能形式的迅速發展，國外已經開始研究其效益體系設計，并初步形成集中式與分布式儲能的總體效益體系[5-6]。

為了彌補國外儲能效益體系不足，填補國內相關研究的空白，本文將在國內外相關研究的基礎上建立儲能電站在智能電網環境下的全方位多維度的綜合效益體系，將儲能電站在整個電力能源價值鏈的功能、作用以及效益進行深入分析，為包括發電公司、電網公司以及用電客戶的儲能設備所有者和收益者提供明確的效益體系。基于該體系，可實現儲能效益的量化評估，為儲能的優化部署和運行實施提供科學依據。

1 現有儲能效益體系

以抽水蓄能為代表的集中式儲能具有幾十年的歷史，其容量大、壽命長、技術成熟，應用范圍最廣，因此其效益體系的研究已經比較深入[4]。隨著具備快速高效充放電性能的電池儲能、超級電容等儲能技術的高速發展，分布式儲能形式正在成為集中式儲能的有效補充，世界各國已經進行了很多相關的試點建設[7-9]，如我國南方電網公司建設的10 MW深圳寶清鋰電池儲能電站[10]。在這種情況下，綜合考慮集中式儲能和分布式儲能的效益體系成為儲能研究的重要關注點[5-6]。

美國Sandia國家實驗室總結的儲能效益綜合體系如表1所示[5]。其將17個儲能應用分為5大類，包括供電、輔助服務、電網、用電客戶和可再生能源接入。該儲能效益體系不僅包括對儲能在傳統電網中的應用，同時也包括了儲能在智能電網環境下的應用。美國電力科學研究院歸納總結的儲能綜合效益體系更加完整[6]，如圖1所示。該體系總結了11個儲能的應用，并按照不同維度進行了劃分和總結，覆蓋了儲能的應用對象、儲能的效益類別、儲能放電時間和儲能大小等。

這兩個體系存在一些需要改進的地方。比如分布式儲能作為一種儲能形式，其在用戶側可以幫助用戶提高電能質量以及進行能量管理，因此其不應被劃為儲能應用。

2 儲能綜合效益體系

在國內外相關研究的基礎上，本文試圖建立儲能在智能電網環境下的清晰的綜合效益體系，并希望整個效益體系不拘泥于具體的儲能技術與儲能成本。

表1 SNL儲能效益體系[5]

圖1 EPRI儲能效益體系[6]

2.1 儲能功能

儲能，顧名思義，就是能量的存儲。換句話說，儲能設備本身不能產生能量，它的主要功能就是將能量存儲起來并在適當的時候釋放。能量存儲和釋放的時機和目標不同，則帶來了儲能不同的應用和效益。舉例來說，儲能在電網負荷較小或非峰時充電，并在負荷較大或峰時放電，對整個電網來說，效果相當于最大負荷減小了。從而對于發電側來說，其裝機容量可以減少；對于輸配電側來說則可以延緩電網的升級改造。

另外，儲能設備除了能量存儲的設備如電池、水庫等本身外，還需要附加的能量轉換設備，如電池儲能設備中的能量轉換系統(PCS)和抽水蓄能中的發電機。這些設備除了能量轉換的主要功能外，還具有一些附加的功能，主要為無功控制，從而使得儲能設備具有調節無功與電壓的能力。在抽水蓄能系統中，無功是由發電機提供的，與占主要投資的水庫無關，該功能的成本和效益均可只對發電機進行分析，因此儲能的附加功能不在本文深入分析。

表2給出了按照放電時間歸類的五大儲能功能。備用電源功能是在電網故障或者供電功率不足時利用之前存儲的電能提供備用電力的功能，其所需要的放電時間依賴于具體情況而不同，充電時間則沒有要求，一般是放電結束后即開始充電。

表2 儲能功能

削峰功能是儲能在用電高峰時通過釋放儲存的電能使得儲能上游電力系統最大功率減少的功能。由于峰值通常持續幾個小時，削峰功能相應的一般需要幾個小時的放電時間，對充電時間沒有要求，一般采用谷時充電的方式。功率調度功能是按照一定的優化目標進行充放電控制的功能。其充放電時間依賴于優化目標，同機組排程類似，主要是以小時為單位。如果采用更精細的控制，充放電時間可以到數分鐘的量級。功率跟蹤功能是指儲能通過快速充放電來跟蹤出力或負荷變化的功能。其充放電時間的要求為分鐘甚至數秒的量級。抑制閃動功能是儲能可以避免電網中出現的閃動或其他電能質量事件影響到用電設備的功能。其放電時間最短，是秒級甚至毫秒級。

2.2 儲能作用

基于上述五大功能，儲能在智能電網中發輸配用各個環節發揮了重要的作用，可總結出如表3所示的14個主要作用。

表3 儲能作用

這14個作用按電能維度可以分為三大類：功率作用、電量作用和容量作用。功率作用需要通常幾秒到幾分鐘這樣相對較短的時間內的大功率輸出。電量作用則需要相對大的電能存儲，通常儲能系統的放電時間從幾分鐘至幾小時不等。容量作用簡單來說就是由于采用了儲能設備而因此延緩或減少了其他設備的需求。

按時間維度還可以分為靜態作用、動態作用和瞬態作用。瞬態作用可以理解為同電力系統暫態相關的作用，它通過儲能超短時間的功率控制來體現，所需的充放電時間在秒級甚至毫秒級，因此需要響應時間很快的儲能技術，如超級電容等。動態作用和靜態作用與傳統抽水蓄能效益分析里的概念類似。

2.3 儲能效益

儲能的作用與效益如表4所示。以幫助發電廠黑啟動來說，發電的快速恢復可以使得電網盡早恢復，從而電力客戶可以盡快恢復用電。發電廠可以多發電，電力公司可以多售電，電力客戶可以多用電生產生活，所以受益方涵蓋了能源鏈各方。保障獨立電網、微電網運行為電力公司和電力客戶帶來了提高電網供電可靠性的效益。保證(重要)用戶供電為電力客戶帶來了直接的減少停電損失的效益，而為供電公司間接地減少由于停電造成少售電的損失。

表4 儲能作用與效益

儲能安裝在配電側可以實現就地削峰，從而最大化延緩發電裝機與延緩輸配電升級改造的作用。其帶來的降低投資成本的效益也分別由發電廠和電力公司獲得。另外，由于新裝發電機容量大于負荷的增長，發電機無法滿發，造成效率的降低，從而帶來更多的排放，因此延緩發電裝機還可以給社會帶來節能減排的效益。

節省輸電接入和擁塞費用直接給在電力市場環境下不擁有輸電資產的供電公司帶來了降低成本的效益。電力批發市場套利給儲能的所有者，包括發電廠和電力公司，帶來直接的增加收入效益。分時電價用戶電費節省給擁有儲能的電力客戶帶來降低成本的效益。

降低線損給電力公司帶來直接的降低成本的效益，另外由于線損是比用電量多出來的發電量，在用電不變的情況下線損的減少直接可以使發電量降低，從而減少發電機組的排放，給社會帶來節能減排的效益。

輸配電支撐、減少擁塞作用避免了線路重載或者過載，提高了電網的可靠性，直接獲益方是電力公司。

促進可再生能源接入使得風電廠、太陽能電廠等可再生能源發電廠多發電，帶來直接的收入增加。對于電力公司來說，更加平滑的可再生能源出力避免了電網中發電功率的急劇變化，使得電網穩定性得到提高。對于電力客戶來說，通過安裝自有的小型分布式發電并結合儲能的促進可再生能源接入的作用，使得從電網購電量下降，從而降低成本。可再生能源的更多更有效的利用，減少了燃料發電，給社會帶來節能減排的效益。

負荷跟蹤作用直接減少了對調峰發電機的需求，減少了發電機組啟停爬坡等低效率運行狀態，使得發電機組可以以額定功率最大效率運行，從而降低發電廠運行成本，還給社會帶來節能減排的效益。

調頻、提供旋轉備用使得電網的穩定性得以提升，另外同負荷跟蹤作用類似，由于發電機無需留出一部分熱備用容量，從而為發電廠降低了成本，發電機效率的提升也為社會帶來節能減排的效益。

提升電能質量，避免影響用電設備可以為用電客戶減少由于閃動等電能質量問題帶來的經濟損失。對于電力公司來說，該作用是提高了其供電的安全性。

儲能效益可以總結為三類，包括經濟效益、電網運行效益和社會效益，如表5所示。經濟效益大多數情況下可以用貨幣金額來評估衡量。電網運行效益很難直接用金錢來衡量，通常可以采用等效替代、成本核算的方法進行評估。社會效益無法用金錢來衡量，可以采用減少的碳排放進行評估，未來如果碳交易機制成熟后則可以通過交易來獲取一定的經濟收益。

表5 儲能效益分類

2.4 儲能綜合效益體系

通過分析儲能的五大功能，然后得到儲能的14個主要作用，并總結出儲能的三大類效益，從而形成一個如表6所示的綜合的多維度的儲能功能作用與效益體系。

表6 儲能效益綜合體系

3 結語

本文通過分析儲能的五大功能，14個主要作用，并總結出儲能的三大類效益，形成了一個清晰全面的多維度的儲能功能作用與效益綜合體系。我們希望在國內外科研技術人員的共同努力下，該綜合效益體系可以不斷補充和完善。儲能效益綜合體系可以為儲能電站的效益分析提供理論和框架指導，并使得儲能效益的評估更加科學合理，相關成果將在后續文章中展示。通過儲能綜合效益體系，將為儲能的規劃建設以及運營管理提供科學的依據，提高儲能規劃及運營水平。

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Design of holistic benefit system of energy storage

Energy Storage(ES)was a key part of smart grid.Deeper analysis and evaluation of holistic benefit of ES were required by optimized planning and operation of ES substations and systems.Based on the analysis of related research,a multi-dimension system of ES functions,applications and benefits were formed.Quantitative evaluation of ES could be achieved,and scientific support could be provided for ES deployment and operation.

energy storage system;energy storage benefit;system of benefit

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0638-04

2015-02-11

高峰(1977—)，男，河北省人，博士，主要研究方向為智能電網規劃設計、電網生產與運行的分析與優化。