吉林省農網移動儲能技術路線及實施方案研究

于溫方 闞中盛 時雨 辛昊闊 李昊

(國網吉林經研院，吉林 長春 130000)

引言

隨著材料技術的創新和新能源發電規模的不斷擴大，以電化學儲能為主的新型儲能技術得到了快速發展。電化學儲能具有響應速度快、發用電時移特性顯著等優點，有利于電網調節。移動式儲能作為電化學儲能的創新應用形式，更具有空間可變的特點，對于臨時性、周期性優化局部電網供需平衡具有重要作用。近年來，國內外圍繞移動式電化學儲能開展了較為深入的研究和探索應用。李建林等[1]梳理了移動式儲能技術研究路線，對比了不同類型儲能系統的技術指標，總結了現有移動式儲能系統智能調度技術。張璐等[2]、王鈺山等[3]結合臺風災害對于配電網的影響，建立了移動儲能的優化配置策略；其中，張璐等[2]建立了考慮臺風與暴雨的數據-機理聯合驅動的臺風下配電網故障率模型，以移動儲能容量為決策變量，構建配電網經濟性和恢復力均衡模型；王鈺山等[3]基于線路故障時空特性概率矩陣確定脆弱線路，提出了利用魯棒優化尋找概率場景下移動儲能最優配置與運行策略。李建林等[4]、李永剛等[5]針對移動式儲能的調度控制開展了總結和創新研究；其中，李永剛等[5]建立了包含配電網負荷峰谷差、新能源利用率、配電網運行成本的多目標模型，利用改進蝙蝠算法求解得到多類型移動儲能協同調度策略。宮川等[6]以經濟效益最大為目標，利用改進遺傳算法分析了移動儲能的經濟效益。黃博文等[7-9]創新打造移動儲能車，用于用戶側應急備用供電、電能質量治理等場景。綜上，國內外針對移動式儲能開展了一系列研究，然而相關研究側重于調度控制和配電網狀態改善，較少涉及農村電網應用場景，對于農網應用移動儲能的必要性和可行性論證較少。

1 吉林省農網移動儲能應用基礎分析

1.1 不同類型電池技術特性分析

目前技術上相對成熟的電池類型主要包括磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池、鈦酸鋰電池和鉛酸(炭)電池，各電池類型的參數性能對比如表1所示。

1.1.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應的優點。

1.1.2 鈉離子電池

鈉離子電池是一種二次電池(充電電池)，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當對重量和能量密度要求不高時，鈉離子電池是一種經濟的替代品。

1.1.3 鈦酸鋰電池

鈦酸鋰電池是一種用鈦酸鋰作為電池負極材料的鋰電池。由于鈦酸鋰具有高安全性、高穩定性、長壽命和綠色環保的特點，具備較廣闊的應用前景。

1.1.4 鉛酸(炭)電池

鉛酸(炭)電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。而鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，從傳統的鉛酸電池演進而來。鉛炭電池具有與傳統鉛酸電池相近的低廉價格優勢及成熟的工業制造基礎，應用廣泛。

1.2 農村電網應用移動儲能的必要性分析

近年來，隨著鄉村振興事業的穩步推進，農業農村電能替代規模得到了顯著提升，分布式光伏、農村綜合能源逐漸由城市向鄉村延伸。然而，農村電網具有網架薄弱、季節性強、智能化水平低等缺點，農村電網存在應用移動式儲能的必要性，具體表現為以下3方面。

表1 不同類型電池參數性能對比[10]

1.2.1 需要應對負荷急劇升高的情形

農村電網一般較為薄弱，在季節性、節假日負荷急劇升高的情形下，往往會引起供需緊張的問題。然而，采用傳統的配電擴容建設模式，會增加不必要的固定資產投資，降低社會經濟效益；在負荷率較低時，增加電力損耗，有悖于節能降耗的能源發展趨勢。

1.2.2 需要優化農村電網運行狀態

相較于城鎮電網，農村電網的供電可靠率相對較低，難以有效應對突發停電、保證用戶持續可靠供電。同時，由于農村電網線路普遍較長、用電負荷不集中，電能質量、三相不平衡、電壓合格率等問題突出。存在提高電能質量，靈活性應對突發停電的電力供應需求。

1.2.3 需要適應鄉村綠色電氣化發展

農村具有可利用土地多、建設成本低等優點，近年來，以農村電網為載體的分布式光伏和綜合能源項目規模得到了快速增長。隨著可再生能源和節能降耗設備的進一步推廣應用，農村電網的自給自足能力、節能降耗水平、清潔能源滲透率等相關指標存在進一步提升的需求。

1.3 實施農網移動儲能的比較優勢

1.3.1 吉林電網服務“井井通電”建設情況

近年來，吉林省農機裝備總量持續增長，農機作業水平快速提高。農業生產已從主要依靠人力畜力轉向主要依靠機械動力，進入了機械化為主導的新階段。吉林省全省有效灌溉面積2020年為1934.1千hm2，其中，機電灌溉面積1236.2千hm2。為服務農田排灌需求，已有9.3萬眼柴油機井完成通電改造，42.92萬hm2農田灌溉模式發生改變，受益人群遍布吉林省白城、松原、四平、長春4個地區17個縣(市、區)的1681個行政村，59.27萬戶農民不再為澆地用水發愁，告別靠天吃飯的日子。

自吉林省西部地區推廣膜下滴灌技術以后，原有的柴油機井暴露出了動力不穩等問題，灌溉機井“柴改電”需求日益凸顯。據相關數據顯示，2016年以來，吉林省“井井通電”工程共新建及改造66kV變電站36座，66kV線路420km，新增變電容量160.9MVA；新建及改造10kV線路18305.66km，新增配電變壓器19098臺；新建0.4kV線路26999km，總計新增配電容量151.94萬kVA，工程總投資52.93億元[11]。

按相關數據測算，預計仍有15萬眼以上的電機井推廣空間，而采取以往“井井通電”建設模式，投資規模將超過80億元。而傳統模式下的增容改造，僅僅緩解了生產用電負荷高峰問題，沒有實質性推動農村電網向智能化、低損耗方向發展。

1.3.2 農村電網應用移動儲能的可行性分析

隨著電網接入新能源發電的占比不斷增高，電力系統的穩定性、可靠性將面臨挑戰。動力電池隨著新能源汽車產業的快速發展，其功率密度和能量密度得到了顯著提升，面向電力系統應用的電化學儲能技術性能和經濟效益均得到了較大進步。目前，多地電力公司已經開始研發或使用移動式儲能設備并投入使用。移動儲能可將電力生產和消費在時間上進行解耦，使傳統實時平衡的“剛性”電力系統變得“柔性”，從而解決新能源發電和負荷用電時空不匹配的問題，助力新能源消納。

將農村電網與移動儲能進行有機融合，可以探索形成“農忙電力賦能”、“農閑分布式儲能”的可行方案，其示意圖如圖1所示。

圖1 電動農機與分布式儲能綜合應用示意圖

農忙電力賦能。為減少不必要的配電增容，將移動儲能應用于農業生產或周期性用電高峰時期，可以探索打造具有統一標準的農機電池箱，通過靈活性拆卸，實現動力電池賦能不同類型的農業機械；還可以探索形成可移動的儲能系統，滿足多種農業生產場景，如機井灌溉、農產品加工制作等。

農閑分布式儲能。在非用電高峰時期，可以充分利用移動儲能的功率控制和能量搬移功能，以及調度響應快、配置靈活、控制精準、環境友好等特點，使其高效參與電網調峰、調頻等輔助服務。通過分布式儲能消納富余可再生能源出力，以“低充高發”降低電網負荷峰谷差，提高農村電網電力調節的靈活性，提升移動儲能經濟效益。

2 吉林省農網移動儲能技術路線及商業模式分析

2.1 基于“循環利用”的農網移動儲能技術路線分析

農網移動儲能可分為農閑和農忙2個時期。在農閑時期，電池全部應用于分布式儲能站進行集中充放電。在農忙時期，電池放置于農機設施的標準化電池箱中，由用戶自行充電。儲能系統的收益來源分為農業應用與儲能2部分，農閑時分布式儲能通過在購售電價差等模式獲得收益,在農忙時同樣按購售電價差利潤對農業用戶收取服務費。

2.2 農網移動儲能多方案經濟性對比

經過對市場上常見的幾種動力電池進行綜合分析，對磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池、鈦酸鋰電池、鉛酸(炭)電池等多種電池應用于儲能及農網移動儲能方案開展經濟測算。測算中以儲能建設初始投資上下浮動與已了解到的電池充放電次數期望作為變量范圍，得到在其壽命周期內可以收回成本的儲能購售電價差。測算邊界條件如表2所示。

表2 磷酸鐵鋰電池測算邊界條件

2.2.1 磷酸鐵鋰電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為2000元·kWh-1，理論充放電次數4000次，則可得到不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況如表3所示。磷酸鐵鋰儲能存在2方面特征：在相同的初始投資下，理論充放電次數越高，項目經濟效益越好，當磷酸鐵鋰電池的初始投資在2000元·kWh-1時，隨著理論充放電次數的增加，為保證電池壽命周期內回收成本，購售電差需從0.838元·kWh-1水平逐漸降低至0.651元·kWh-1；在常規造價和充放電次數下，保證項目回收的購售電價差仍處于較高水平，當儲能的初始投資在1600～2000元·kWh-1，全壽命周期內充放電次數在4000～3000次區間時，項目回收所需的購售電價差為0.494～0.838元·kWh-1，仍處于較高水平。

表3 不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況(磷酸鐵鋰)

2.2.2 鈉離子電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為1500元·kWh-1，理論充放電次數3000次，則可得到不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況如表4所示。鈉離子儲能雖然初始投資不高，但循環次數較低，從而導致2方面特征。鈉離子儲能的經濟效益略優于磷酸鐵鋰。按照相關文獻資料和網絡報道，鈉離子電芯相較于磷酸鐵鋰約降低20%～30%的購置成本，從而一定程度上降低了項目的初始投資；由于鈉離子電池總充放電次數較低，在相同年充放電次數的條件下，鈉離子電池的回收周期較短，項目收益率相對較高。鈉離子儲能的經濟效益依賴于總充放電次數的提升。從當前鈉離子儲能技術來看，其總充電次數仍處于較低水平，即項目的初始投資在1200～1500元·kWh-1，全壽命周期內充放電次數在3000～2000次區間時，項目回收所需的購售電價差為0.432～0.846元·kWh-1，仍處于較高水平。隨著電池性能和技術的進一步提升，以及鈉離子電池總充放電次數的提高，相關項目的經濟效益將顯著提升。

2.2.3 鈦酸鋰電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為8000元·kWh-1，理論充放電次數20000次，則可得到不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況如表5所示。鈦酸鋰儲能雖然總充放電次數高，但由于初始投資較高，項目回收期較長，從而導致項目整體經濟效益不佳。鈦酸鋰儲能較高的初始投資是影響項目經濟效益的關鍵。經過文獻調研和廠家詢價，鈦酸鋰儲能的初始投資約為磷酸鐵鋰儲能的5倍左右，而且鈦礦資源相對緊缺，當前市場價格下降空間有限，總體導致項目的初始投資處于高位，經濟效益較差；從當前測算邊界來看，項目的初始投資在6400～8000元·kWh-1，全壽命周期內充放電次數在20000～15000次區間時，項目回收所需的購售電價差為0.788～1.150元·kWh-1。鈦酸鋰儲能充放電次數的變化對項目收益影響不大。考慮到儲能年充放電次數有限，以及鈦酸鋰儲能具有總充放電次數較高的優勢，但該優勢僅有利于項目的運行時長，而考慮到資金折現等因素，遠期的項目收益對項目整體經濟效益影響不大，加之，鈦酸鋰儲能初始投資過高，導致該類型儲能充放電次數的變化對于項目收益影響不大。

表4 不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況(鈉離子)

2.2.4 鉛酸(炭)電池方案

考慮該類型移動儲能單位成本為1000元·kWh-1，理論充放電次數1000次，則可得到不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況如表6所示。鉛酸(炭)儲能雖然初始投資不高，但由于總充放電次數過低，從而導致項目整體經濟效益較差。從當前測算邊界來看，項目的初始投資在800～1000元·kWh-1，全壽命周期內充放電次數在1000～800次區間時，項目回收所需的購售電價差為0.641～1.147元·kWh-1。相較于前述各類儲能，鉛酸(炭)儲能的優勢僅在于初始投資較低，但經濟效益相對較差。

表5 不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況(鈦酸鋰)

表6 不同造價和總充放電次數下需保證的購售電價差情況(鉛酸/炭)

2.2.5 小結

經過測算得知，以上4種電池選型中，鈦酸鋰電池所需的初始投資最高，其次是磷酸鐵鋰電池和鈉離子電池，鉛酸(炭)電池初始投資相對較低。從購售電價差要求看，要使得壽命期內收回投資，4種電池所需的購售電價差從低到高分別是鈉離子電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸(炭)電池，最后是鈦酸鋰電池。從安全性上看，磷酸鐵鋰與鉛酸(炭)電池已有較為廣泛的應用，但存在熱失控、環境污染等問題，鈦酸鋰電池與鈉離子電池作為新技術，雖然應用較少，但其安全性最好。需特別指出的是，由于鈦酸鋰電池標稱充放電次數大，即預期壽命較長，如果通過融資租賃等手段降低其初始投資的壓力，則該種電池類型將具有更為可觀的應用前景。

表7 各類電池經濟效益及安全性對比表

3 吉林省農網移動儲能實施方案

目前，吉林省內農業生產電氣化正處于研究開發階段，在這個階段，電能替代的應用將主要集中在社會關注度較高，降低能耗、減少碳排放需求突出的領域。由于圍繞農網分布式儲能應用，客戶認知度不高，商業模式仍處于初步階段。在此階段，相應的市場需求難以自發形成，需要通過多方主體進行宣傳、引導和補貼，共同激發相關產業發展潛能。

3.1 適宜推廣的商業模式

可采用合同能源管理的模式與用戶開展合作，本節以能源托管和融資租賃2種模式，分析農網移動儲能的典型商業模式。

3.1.1 能源費用托管模式

用戶委托A公司出資進行能源系統的節能改造和運行管理，并按照雙方約定將該能源系統的能源費用交由A公司管理，系統節約的能源費用歸A公司所有。項目合同結束后，A公司改造的節能設備無償移交給用戶使用，以后所產生的節能收益全歸用戶。

3.1.2 融資租賃模式

C公司投資建設農網分布式儲能，由B公司租賃儲能設施并負責運營維護，終端用戶向B公司支付租金或使用費用。其中，B公司也負責對農網分布式儲能進行改造，并在合同期內對節能量進行測量驗證，擔保節能效果。項目合同結束后，農網分布式儲能設備無償移交給用戶使用，以后所產生的節能收益全歸用戶所有。

可以通過上述合同能源管理模式，由社會企業承擔設施的初始投資或租賃費用，從而減輕用戶的經濟壓力，激發用戶應用移動儲能的熱情，從而推動農網分布式儲能項目的商業化發展。

3.2 生態圈的相關主體

圍繞農網移動儲能構建健康、有序發展的生態圈，相關主體主要包括政府、投資運營企業和農業農村合作社。其中，政府在市場發展初期的主要職責是大力宣傳、制定政策引導農網移動儲能項目的實施，促進項目的各方參與者在實施過程中均能夠獲取收益。投資運營企業主要負責設備采購、項目建設和運營服務，積極響應政府相關政策，不斷積累農網移動儲能在推廣應用中的技術和管理問題，推動設備廠商的產品更迭，促進政府在該領域的政策優化。農業農村合作社是農網移動儲能的倡導者和使用者，對農網移動儲能產品“先試先行”，積累豐富使用經驗，并科學引導農業生產者租賃、使用；為農網移動儲能設備存放和運輸提供有利條件，保證其安全穩定運行。

3.3 有力的政策支持

農網移動儲能的初始投資較高，而農業農村合作社或農民的收入較低，對儲能設備的高成本耐受度較差。因此，農網移動儲能發展初始階段需要政府的大力支持，設置農網移動儲能的購置專項補貼，降低農網移動儲能購置成本。同時，針對于農網移動儲能的分布式儲能應用，提供電價政策支持，保障該類設施優先存儲富余可再生能源，以及在電網負荷高峰時優先向電網送電。隨著動力電池成本的逐漸降低，在相關市場規模成熟后，設備購置補貼和電價優惠政策可適度退坡。

4 總結與展望

本文從農村電網角度分析了農網移動儲能的技術路線，比對了不同電池類型的項目經濟效益。得出鈦酸鋰電池、鈉離子電池的安全性最好，不存在熱失控、環境污染等問題。考慮到鈦酸鋰電池的充放電次數大、初始投資高等特點，建議通過融資租賃等手段降低投資壓力，釋放其推廣應用的潛力。同時，考慮到農網移動儲能市場需求難以自發形成，建議通過多方主體進行宣傳、引導和補貼，以適宜的商業模式、穩定的生態圈和有力的政策支持，共同推進該產業的穩步發展，推動農業生產電氣化水平提升。