移動儲能在提升中壓配電網供電可靠性中的應用

黃新，羅敏，江輝

(1.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

0 前言

根據中電聯發布的全國用戶供電可靠性數據[1]，2016 年我國城市平均停電時間為5.20 時/戶，農村平均停電時間為21.23 時/戶，其中故障平均停電時間分別為1.74 小時和7.98 小時，預安排平均停電時間為3.46 小時和13.5 小時。預安排停電時間高于故障停電時間；農村停電時間遠高于城市停電時間。

預安排停電是指預先已作出安排，或在6小時前得到調度批準（或按供電合同要求的時間）并通知主要用戶的停電。包括計劃停電、臨時停電和限電。不同于故障停電的突發和不可預測性，預安排停電可以有針對性的做出負荷調整、轉移等措施，最大限度的縮小停電范圍。但從平均停電時間看，預安排停電時間仍遠高于故障停電時間。這一方面是受到近幾年我國對配電網的大規模升級改造工作的影響，施工停電增加；另一方面是因為除中心城區外，大部分的配電網仍為輻射型供電，不具備通過聯絡線轉供電的條件，前端線路施工造成后端線路配合停電，擴大了停電范圍。

因此，如果能縮短預安排停電時間將能有效縮短用戶平均停電時間。但由于輻射型線路本身不具備轉供電的條件，現階段都只能采用后端線路陪停的方式施工，極大影響了供電可靠性，如何給線路施工段后端的線路供電就成了亟待解決的問題。考慮到分段施工的短時性和隨機性，可采取使用應急電源車對線路施工段后端的線路進行臨時供電的方式來縮小停電范圍，提高可靠性。

目前應急電源車有柴油發電、鋰電池儲能、鉛酸電池儲能、飛輪儲能、超級電容器等[2]，主要應用在380 V 低壓配電網的重要場所的保供電和應急供電。柴油車發電車前期投入較低，使用成本高，可較長時間供電；鋰電池儲能前期投入高，使用成本低，自身損耗低，可在低谷時段充電，在需要的場合放電，持續時間在小時級；鉛酸電池前期成本低，也可在低谷時間充電，但使用壽命較短，能量密度低，移動應用時容量較低；飛輪儲能和超級電容器儲能前期投入高，使用成本低，但能量密度不夠，只在秒級或分鐘級場合應用，一般配合其他供電方式使用。

表1 各類型儲能方式與柴油發電對比

綜合來看，柴油發電、鋰電池儲能除了在保供電場合提供應急電源的功能以外，具備在配電網作業或故障時承擔臨時供電的能力。柴油發電成本主要受柴油價格影響，基本沒有下降空間。電池成本隨著電動汽車產業的發展，能量密度逐步上升，電池成本不斷下降，將電池儲能用于應急供電，提高供電可靠性具有較好的前景[3]。但380 V 供電系統范圍小，用戶少，要將應用規模擴大就必須提高10 kV 電壓等級以擴大供電范圍。以現有的技術水平，要在重負荷地區實現全線的臨時供電仍不能實現，但在負荷較輕的區域，移動儲能的容量已能滿足需求。

1 移動儲能在配電網中的應用

1.1 儲能產業現狀

2017 年我國儲能產業裝機如圖1 所示，抽水蓄能占98%以上，年增長率6.7%；其次為化學儲能占1.3%，但增長率高達45%。化學儲能中以鋰離子電池和鉛酸電池占比較高，鉛酸電池技術成熟，成本較低，應用時間較長，占比36%；鋰離子電池得益于電動汽車產業的蓬勃發展，占比58%，且呈急速上升的趨勢，預計2025 年前復合增長率都將保持在40%以上[4]。

圖1 2017年中國儲能累計裝機分布圖

1.2 鋰電池儲能技術

鋰電池技術長足發展，循環壽命、充放電性能大幅提升，而電池成本也降低至1.6 元/Wh[5]。隨著電動汽車規模不斷擴大，鋰離子電池成本還有下降的空間。與電網規模相比，電池儲能的能量密度仍顯不夠，不能大范圍臨時供電，但已具備小范圍臨時代供的能力，隨著電池產業的發展，電池容量不斷提高，單價下降，移動儲能的供電能力會不斷提高。

1.3 電池儲能應急供電的原理

電池儲能系統原理如圖2 所示，由儲能系統、能量轉換系統(PCS) 和配電網絡組成，充電時由配電網絡提供電源向電池充電，工作時電池放電供給配電網絡中的負載。PCS 起到橋梁的作用，將能量在交流和直流之間相互轉換，電池起到蓄水池的作用，將多余的電量儲存起來在缺少電能時放出。將上面的系統安裝在汽車上就形成了移動儲能應急供電車，可提前將電池充滿電，然后在需要的地方將電池中的電能放出提供應急供電。優點是效率高、使用成本低，缺點是供電能力受電池容量影響，現階段電池能量密度總體不高的情況下，不能長時間供電。

圖2 電池儲能系統示意圖

2 可行性分析

2.1 移動儲能容量需求

圖3、圖4 是2017 年麗江地區10 kV 線路的平均負荷情況。線路負荷總體較輕，線路間負荷差異大，輕負荷線路較多，平均負荷小于250 kW 的線路占了33%，250 kW-500 kW 的線路占了16%，500 kW-1000 kW 的線路占了18%，如果具備500 kW 的移動供電能力，即能解決49%線路的全線臨時供電問題，而如果具備1000 kW 的移動供電能力，將能解決67%的全線臨時供電。

圖3 2017年麗江地區10 kV線路平均負荷情況

圖4 10 kV線路負荷分布情況

2.2 移動儲能數量需求

統計本地區2017 年全年的10 kV 線路停電作業，如圖5 所示，2017 年全年停電作業數量1540 項。剔除其中電源搭接、線路末端、支線作業等不具備或不需要代供的作業，全年可代供作業共計437 項，占作業總數的28.4%，可代供作業頻次分布見下圖。由圖6 可見，每天可代供的停電作業數量基本都在4 次以下，1-2次作業的天數占比71.5%。加上該作業計劃未考慮移動儲能的代供條件，實際應用時可將部分計劃時間進行調整，故配置2 套移動儲能系統應能滿足絕大部分的代供需求。

圖5 2017年全年10 kV停電作業分布圖

圖6 2017年具備應急供電條件的作業數量分布

2.3 理論效果分析

輻射型線路因為只有單電源，后端線路和分支線路存在陪停的現象。為提高供電可靠性，輻射式接線一般采用分段的方式來減少后端線路工作對前端線路的影響[6-7]，而前端線路的工作則不可避免的會影響到后端線路的供電。越接近電源點，影響的范圍越大。

考慮輻射型供電線路在不同負荷潮流、不同故障點時移動儲能對供電可靠性時的影響，假設線路負荷均勻分布。移動儲能的對線路供電可靠性的影響見圖7。當移動儲能的容量達到或接近線路負荷時，儲能的代供效果較好；當儲能容量與線路負荷差別較大時，代供效果較差。

圖7 不同容量儲能對線路供電可靠性的影響

以2 輛移動儲能車和該地區2017 年停電作業線路的實際功率為基礎，考慮停電作業按現有分布和按優化分布兩種情況，分析不同容量的移動儲能對供電可靠性的影響。

AIHC-1'為考慮移動儲能后的客戶平均停電時間；

TS為每次停電持續時間；

nS為每次停電客戶數；

TR為使用移動儲能后每次可減少的停電時間；

nR為使用移動儲能后每次可減少的停電客戶數；

m2為可代供線路在停電作業線路中的占比（配置2 輛移動儲能車時）。

不同容量移動儲能對用戶停電時間的影響如圖8 所示。移動儲能可明顯縮短用戶停電時間，尤其是優化停電作業分布后，能最大程度的發揮儲能的作用，縮短客戶停電時間，提供供電可靠性。

圖8 不同容量移動儲能在作業優化前后的效果對比

2.4 移動儲能應用的經濟性分析

考慮設備成本、運行費用、維護費用、設備可用率、能量效率等因素，分別計算柴油發電和電池儲能的平準化度電成本(LCOE)[8]。

IC0為初始投資成本；

OCn為第n 年的運行成本；

MCn為第n 年的運行成本；

Enout為第n 年儲能電站放電量；

η為能量效率；

i為貼現率；

p為充電電價；

N為設備使用壽命。

通過平準化度電成本計算，柴油發電初期成本較低，但使用成本較高；電池儲能起始階段度電成本較高，為柴油發電的2 倍以上，主要是因為電池儲能設備成本較高。規?；瘧煤笫褂贸杀敬蟠蟾哂陔姵貎δ?。通過平準化度電成本計算，電池儲能成本將在8 年時與柴油發電成本相當，后期成本將略低于柴油發電，見圖9。但兩者的度電成本都在2 元以上，仍遠高于平均售電電價，需供電企業提供資金支持。

圖9 電池儲能與柴油發電度電成本對比

隨著電動汽車和電池產業的發展，電池成本不斷下降，其他配套設備成本隨著行業的發展和需求量的增加，也有較大的降價空間，電池儲能的度電成本較柴油發電將更有優勢。結合該地區的實際停電時間和移動儲能的成本投入，可得圖10。可見在500 kW-1000 kW 的移動儲能能力后，減少的用戶平均停電時間與投入之間達到最優。

圖10 不同容量電池儲能的成本與效益對比

3 移動儲能應用現狀及發展方向

現階段電池的能量密度仍不能滿足大功率應用場合的需求，受制于電池的體積、重量，40 英尺集裝箱的電池容量一般不高于1000 kWh，考慮放電電流不宜過大影響電池壽命，PCS 功率不宜大于1000 kW，故還不能應用在重負荷的線路。特殊情況下可通過分段的方式，采用多套移動儲能供電。同時可考慮PCS 設備與儲能電池車分別布置，PCS 車應具備同時接入兩臺電池車或在兩臺電池車之間進行切換的能力，這樣能大大提高移動儲能的供電能力。

在移動儲能的電壓等級提高到10 kV 后，必須配置完善的繼電保護來實現故障切除、接地選線等功能，配套的電流、電壓互感器、斷路器也必須同步升級，這會增加設備成本。為盡量縮短停電時間，移動儲能系統應具備不停電接入、退出供電網絡的能力，這會對配網的繼電保護產生影響，現在這方面的研究還不多，也沒有足夠的運行數據來判斷其影響。

4 結束語

1）通過平準化度電成本分析，鋰電池移動儲能系統在提高供電可靠性的應用場景中優于柴油發電車。

2）現階段鋰離子電池容量相對于電網負荷來說仍偏小，只適用負荷較輕的地區以及局部的應急供電場合，具備一定的應用場景。隨著電池技術的發展，移動儲能的應用場景必將不斷增加，應積極探索，積累經驗。

3）移動儲能的成本仍較高，在2 元/kWh以上，能否應用仍取決于供電企業對提高供電可靠性的意愿。但我國電池產業不斷發展，成本下降較快；同時如果形成產業，相關配套設備的成本也能有較大幅度的下降，前景較為廣闊。