用戶側儲能效益分析與經濟運行研究綜述

余蘇敏，蘇浩，方陳，桂強，周云，馮冬涵

（1.上海交通大學 電氣工程系 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海200240；2.國網上海電力公司 電力科學研究院，上海200437）

0 引言

電力儲能技術是促進新能源消納的重要手段，在實現電力行業碳減排、促進能源轉型方面發揮著關鍵作用。目前，儲能已被廣泛部署于電力系統發、輸、配、用的各個環節。在電源側，儲能的應用主要集中在協調并網發電機組出力，包括輔助傳統發電機組調峰和自動發電控制、平滑新能源出力波動、跟蹤計劃曲線等；在電網側，儲能系統是提升電網可靠性、穩定性的重要設備，主要參與負荷峰谷、電網頻率、電壓調節，潮流分布優化，并在緊急情況下提供功率支撐；在用戶側，儲能系統承擔著電網故障下的后備電源角色。然而，隨著供電可靠性的提升、儲能成本的下降以及聚合商模式的出現，用戶側儲能的應用場景逐漸擴展至分時電價套利、需量管理、提供電網輔助服務等方面。

目前，部分研究已對儲能在平滑新能源出力波動［1］、輔助并網［2］、參與調頻［3］、緩解調峰壓力［4］等方面的應用進行了細致而充分的總結。然而，上述文獻大多聚焦于儲能在源網側的運行研究，對用戶側儲能涉及較少。由于配置主體、配置環境、商業模式等方面的不同，用戶側儲能表現出了與發電、電網側儲能較大的差異。首先，配置儲能所帶來的利益回報是關系用戶安裝儲能積極性的重要因素，在價格政策及市場環境下，用戶側儲能的應用場景選擇、效益分析就顯得尤為重要；其次，電力儲能（如電化學儲能）在運行過程中會產生設備老化，其壽命折損成本的精細表征直接影響著用戶配置儲能的經濟效益；此外，因應用場景的差異，用戶側儲能的運行優化問題呈現出一些新的邊界條件（如最大需量），其運行策略并不能與源網側儲能一概而論。

隨著戶用光伏和電動汽車的逐漸普及，全球用戶側儲能產業呈現出一片欣欣向榮的景象。根據國際能源署最新的統計數據［5］，近5年全球用戶側儲能新增裝機容量5.2 GW，自2017年以來，連續多年保持年均1.5 GW的高速增長，增長速度已超過電網側儲能的增長速度。作為用戶側儲能的主要形式，預計到2030年，用戶側電池系統將占據電池儲能系統總容量的60%~64%［6］。另一方面，近年來世界范圍內多起因極端氣候導致的供電故障也加深了用戶配置自用儲能的意愿。2021年2月，因多日嚴寒天氣，被稱為美國“能源心臟”的得克薩斯州發生重大停電事故，部分地區電價比平日高出300倍左右。光伏儲能系統及電動汽車為幫助部分用戶度過此次危機發揮了重要支撐作用。

基于上述背景，本文將從電池儲能的壽命折損成本建模出發，分析世界范圍內用戶側儲能的應用場景以及運行效益，并在此基礎上梳理各應用場景下用戶側儲能優化運行的研究成果及實際案例。通過總結用戶側儲能的商業價值，提出相關問題的研究建議，并對未來用戶側儲能的發展進行展望。

1 電池儲能壽命成本建模

1.1 電池老化與壽命折損成本

電池老化指隨著電池儲能系統的運行，電極與電池內部將發生不可逆的化學反應，從而引起電池能量容量的下降。當電池能量容量下降至某一水平時，電池達到退役條件需要更換，認為此時電池壽命衰減至0。電池的運行成本一般以該運行時段電池壽命衰減程度來等效計算，因此又被稱為壽命折損成本。

電池老化一般包括日歷老化和循環老化。日歷老化表達了不以運行與否為轉移的時間流逝對電池壽命的影響，一般認為其與環境溫度、放置時間、平均荷電狀態（state of charge，SOC）有關，在當前儲能系統的運行優化研究中一般將其忽略或作為常數處理［7］。循環老化揭示了電池的日常充放電行為對電池壽命的影響，也是當前電池儲能系統成本分析與運行優化的關鍵。本文將重點歸納電池儲能循環壽命衰減方面的研究成果。

1.2 電池循環壽命衰減

電池的循環老化與運行溫度、電流（功率）大小、放電深度（depth of discharge，DOD）、充放電起始SOC有關。文獻［8］和文獻［9］分別通過限制電池儲能運行時的SOC范圍、充放電循環次數來達到在實際運行中計及循環老化、延長電池使用壽命的目的。但是該類方法并未對儲能壽命折損成本進行測算，因而無法充分發揮儲能系統的效益最優性［7］。為了量化電池儲能的循環壽命折損，當前業界的建模方法可大致歸納為以下方面。

1.2.1 基于實驗的電池壽命損耗建模

部分研究采用現代物理測試技術和電化學檢測手段實測電池的壽命損耗程度，通過鋰電池短期老化試驗等試驗手段，基于數據和模型分析不同影響因素對電池壽命的影響。文獻［10］通過電化學檢測-計算機模擬聯合建立電池的壽命模型，建立容量衰減隨循環次數、環境溫度、放電倍率以及充放電深度的冪函數模型。文獻［11］以容量衰減程度表征儲能壽命損耗，通過對電池容量衰減化學實驗對比以及機理分析，研究了充放電電流、DOD、終止電壓、內阻以及過電壓對容量衰減的影響，建立儲能壽命損耗模型。文獻［12］建立了基于容量衰減機理分解分析的電池壽命預測模型，通過研究電池平衡電位方程，并基于老化實驗進行衰減預測擬合，最終確定電池的壽命預測模型。

1.2.2 基于疲勞分析的電池壽命損耗建模

部分研究采用在材料疲勞壽命計算中廣泛使用的雨流計數法計算儲能壽命損耗。該方法將SOC變化曲線分解為等效的全循環或半循環的充放電深度統計累積循環次數，再基于儲能電池的壽命循環次數與儲能充放電深度關系曲線，確定各DOD的衰減系數，最終評估壽命衰減情況。然而，由于儲能SOC一般為待優化變量，因此雨流計數法屬于后驗的評估算法，難以嵌入優化過程之中［13］。文獻［14］提出一種改進的在線雨流計數法，同時考慮到儲能SOC以及電流對壽命的影響，將儲能壽命損耗計算時間控制在15 ms以內，但該方法仍未脫離后驗評估算法的范疇。

1.2.3 基于總吞吐電量的電池壽命損耗建模

儲能的總吞吐電量可以表示為儲能額定電量、充放電循環次數與DOD乘積的2倍［15］。文獻［16］近似認為儲能生命周期內的總吞吐量是一個固定值，將儲能的配置成本除以不同DOD下的平均總吞吐量，確定單位電量儲能損耗成本。文獻［17］不再以固定的度電成本量化損耗成本，而是考慮了DOD與度電成本的動態關系，并將儲能損耗項作為目標函數優化儲能運行策略。

1.2.4 考慮多種因素影響的電池壽命損耗建模

目前考慮多種因素影響的儲能壽命損耗的建模方法包括后驗的評估模型和可嵌入優化的計算模型。區別于雨流計數法等后驗式壽命損耗模型，考慮多種因素的復雜電池壽命損耗模型可嵌入優化中。文獻［18］綜合考慮了充電起始SOC、終止SOC、充放電功率等因素建立儲能的壽命損耗模型，但該方法建立的模型復雜度較高。文獻［19］通過求解原函數的思路疊加，考慮了放電深度、SOC對電池壽命損耗的影響，并對其進行了分段線性化處理，在儲能的實時調度方面取得了良好的效果。

2 用戶側儲能多收益流分析

降低用戶的用電成本是用戶側儲能推廣和發展的主要驅動因素。圍繞用戶側儲能的資本回收與盈利模式，學術界和工業界進行了一定程度的探索。

2.1 分時套利

分時電價是一種用電價格隨時間、季節和日期類型（工作日或節假日）而變化的費率計劃。基于這一費率計劃，在電價低谷時充電、電價高峰時放電的分時套利成為用戶側儲能的基本盈利手段。文獻［20］以紐約州分時電價模型為例，評估了該州各地區配置儲能用于套利的經濟性。特別地，對于集成了戶用光伏的家庭用戶，其儲能充電成本因廉價的光伏電力而得到進一步降低，有利于減少用戶電價高峰期的用電電費。此外，美國、日本等國家相繼推出了電力反饋計劃，允許用戶將過剩的電力饋入電網，勢必將進一步擴大分時套利的盈利前景。

在分時套利模式中，峰谷價差和儲能的壽命折損成本是能否盈利的關鍵。文獻［21］通過比較儲能系統全生命周期度電成本與等效電價差，給出了用戶側儲能參與分時套利的經濟性判據。文獻［22］指出，在當前電池儲能的技術成本及運行效率下，單靠分時套利很難確保能收回儲能的投資成本。

2.2 基本電費削減

對于大型工商業用戶，一般采用兩部制電價征收電費，包括根據用戶實際用電電量核算的電度電費以及按照用戶用電容量計算的基本電費。基本電費一般定價較高，以上海為例，按照變壓器容量和月度最大需量結算的基本電價，分別約為平均電度價格的46倍和70倍［23］。因此，雖然僅根據“用戶最大容量（需量）×電價”一次性收取，但基本電費仍占據了工商業用戶用電成本的30%~70%［24］。巨大的成本削減空間為用戶側儲能提供了新的應用場景。文獻［25］指出，利用儲能削減用戶的最大負荷可以帶來20%的電費節省。

2.3 電網服務

分時套利和基本電費削減為儲能系統在用戶自身提供成本節約服務方面的應用。當戶用儲能系統的配置或聚合容量達到一定水平時，用戶可以進一步利用其參與電網輔助服務（如調頻、旋轉備用、需求響應等）以獲取經濟收益。文獻［26］開展了用戶側儲能設備參與電網輔助服務的技術經濟性分析。文獻［27］比較了當前不同儲能技術提供電網服務的性能表現，指出鋰離子電池的巨大技術優勢。由于儲能的快速響應特性，儲能參與電網頻率調節被認為是最有前景的服務類型之一［28］。文獻［29］以廣義儲能（樓宇負荷和電池儲能）為基礎，闡釋了參與調頻收益優于充當旋轉備用的運行機理。此外，國內外對用戶側儲能提供多種用戶、電網服務的盈利模式和最優搭配也展開了有益探索［30—31］。值得說明的是，參與電網調頻始終是上述研究中用戶側儲能運行效益最佳的運行場景。

3 用戶側儲能經濟運行策略

用戶側儲能的最優運行，關系著用戶的投資回收年限和經濟效益。結合具體的應用場景，對其的研究可分為單一場景下用戶側儲能運行優化和考慮多場景的聯合優化。

3.1 單一場景運行優化

分時套利是用戶側儲能應用最廣泛的場景。文獻［32］固定了住宅電池儲能的充放電功率，對充放電時間進行了優化。文獻［33］提出了一個基于分時電價、住宅負荷、儲能容量的運行規則，通過邏輯條件判斷來設定儲能各時段的充放電功率。在用戶需量管理方面，設定需量閾值、利用儲能放電對用戶負荷進行平抑是用戶側儲能運行的基本思路［34］。部分研究將需量電費顯性地融入用戶的日電費最小化函數［35］，然而，需量電費一般以月為單位收取，該方法忽視了各日最大需量的耦合影響。文獻［36］創新性地將動態規劃引入用戶月度需量電費的最優性模型，取得了明顯的優化效果。文獻［37］提出了基于調節自由度的運行策略以使服務提供商在響應頻率控制信號的同時適當補充電池電量。此外，學術界在利用用戶側儲能緩解線路潮流阻塞［38］、參與電壓調節［39］等方面的研究也取得了積極進展。

3.2 多場景聯合優化

近年來，為了最大化用戶的投資收益，用戶側儲能的多場景聯合運行優化逐漸受到學術界和工業界的普遍關注。計及多種收益流的儲能經濟運行有利于充分發揮儲能在各自場景的盈利潛力，甚至產生1+1>2的收入聚合效應［16］。

將儲能系統分組，使不同組別的儲能承擔不同的功能，是實現儲能系統同時參與多種盈利模式的有效手段。此外，考慮到時段解耦，在不同時段運行儲能可承擔不同的功能［40］。上述拆分思路均在一定意義上忽略了多場景運行的相互影響，有利于簡化問題建模。然而，大多研究選擇從多場景、多時段耦合角度出發，構建統一的儲能綜合經濟運行模型。文獻［30］以德國電力市場為例，提出了一種用戶側儲能同時參與調頻和削減用戶峰值負荷的調度策略，將累計最大需量作為各日狀態變量，計及了月度需量電費的影響。文獻［41］建立了基于動態規劃的儲能運行嵌套模型，通過不同優化時域的子模型層層深入，解決了參與調頻和電價套利時間尺度不一的問題。文獻［42］提出了融合分時套利、需量管理和電網調頻的兩階段優化模型，在日前階段對目標日的調頻申報容量、最大需量閾值以及儲能最優SOC軌跡進行決策，在日內階段實時調度儲能出力，盡可能跟蹤日前軌跡并保證峰值負荷不越限。

4 國內外應用案例

當前，用戶側儲能已經進入實際應用階段。美國、澳大利亞等儲能產業領先國家在居民住宅、工商業用戶儲能系統方面發展較快。在國內，受限于居住空間條件，居民住宅儲能系統部署較少，故用戶側儲能項目多集中在工商業用戶。國內外部分用戶側儲能典型案例如表1所示。

表1 國內外用戶側儲能典型案例Table 1 Typical cases of domestic and foreign user side energy storage

表1所列案例中，美國舊金山Stem儲能項目以租賃模式將儲能提供給自有分布式光伏的企業，使用戶以低成本享有儲能使用權，提高光伏利用率，有效降低企業的需量電費；墨西哥ON Energy Storage項目運營的用戶側電池儲能系統可向電網提供頻率調節服務；無錫星洲工業園儲能項目通過谷電峰用，可有效降低工業園區變壓器負載率，延緩變壓器增容速度，同時參與電網臨時性調峰需求響應；福建和意農業儲能項目在承擔削峰填谷作用的同時，兼作用戶側應急電源。

總體而言，隨著電池成本的下降、戶用光伏的興起和電動汽車的推廣，用戶側儲能在全球范圍內展現出了良好的發展勢頭。然而，當前用戶側儲能的商業機制發展略顯滯后，應用場景較為單一，特別是在國內市場，目前投入運行的用戶側儲能項目多集中在發揮削峰填谷、分時套利的作用上，在提供電網服務方面仍有較大發展空間。

5 結論與展望

本文對用戶側儲能的效益分析和經濟運行研究進行了系統性梳理，對用戶側儲能的壽命折損成本建模、多元收益流盈利模式、多應用場景聯合優化、實際典型案例等方面進行了介紹。

為實現用戶側儲能的商業化發展前景，還有許多方向需要繼續深入研究，包括：

（1）用戶側儲能壽命-效率精細化建模。基于運行電氣量的電池壽命折損成本建模思路已被學術界廣泛采用，然而目前研究多聚焦于建模電池成本與某一影響因素的關系，很少研究綜合考慮電流大小、放電深度、SOC狀態、循環次數的儲能壽命折損。此外，除成本建模外，電池儲能系統的運行效率建模也是影響用戶側儲能運行成本的重要方面。

（2）用戶側儲能商業模式研究。單一用戶往往儲能配置容量較小，可參與的應用場景受限。在能源互聯網背景下，發揮多用戶聚合效應、多主體共享機制的互補優勢將有利于用戶側儲能降本增效，并提高用戶收益。探索建立新型運營機制將有望成為用戶側儲能領域新的研究點。

（3）新型“機制-場景”下用戶側儲能運行優化。用戶側儲能的優化調度是其經濟運行的核心，在未來新的商業運營機制背景下，發揮用戶側儲能在需量管理、電網調頻等提供用戶、電網服務的優勢并合理規劃用戶充放電行為，將成為決定用戶投資收益的關鍵。