儲能電站在城市軌道交通的應用性分析

劉禺貝，林曉鴻，趙云云，黎俊杰

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

隨著習近平總書記在聯合國大會鄭重提出“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現“碳中和”，“碳達峰、碳中和”目標成為未來40年最明確的發展趨勢之一。中央財經委員會第九次會議強調“構建以新能源為主體的新型電力系統，實施重點行業領域減污降碳行動，工業領域要推進綠色制造，建筑領域要提升節能標準，交通領域要加快形成綠色低碳運輸方式”，工業生產、交通、居民生活等重點領域的能源脫碳進程將在此目標下加速進行，城市軌道交通作為最重要的公共出行方式之一，將向“零碳城市軌道交通”進化。

城市軌道交通是電氣化運營的大運量公共交通工具，人均能耗和碳排放是公路運輸的1/11～1/15，屬于低碳環保運輸方式。隨著中國城市化進程仍在持續發展，城市軌道交通運營里程不斷增加，線網規模進一步擴大，能耗和碳排放仍未達峰，“雙碳”目標下行業發展與節能降碳的矛盾愈加突出。

儲能由于其電量及電力特點，可作為解決新能源消納難題的可靠方案，同時確保電力系統靈活性、經濟性和穩定性。目前，儲能系統已在國內各大場景進行應用及推廣，如用于發電側的西藏崗巴儲能項目、深圳寶清電池儲能站項目等，用戶側的臺灣AFC儲能項目、東莞松山湖園區儲能項目等。

然而儲能電站尚未在城市軌道交通應用，本文將從電網能源架構調整、電力市場改革要求及軌道交通儲能建設需求3個方面梳理儲能電站在城市軌道交通的應用性，著重闡述了城市軌道交通儲能電站建設需求，并以某市電力負荷為例，探討了儲能電站在城市軌道交通的應用優勢。

1 電網能源架構調整

在“雙碳”目標提出的大背景下，我國電網公司及能源公司發布實現“碳達峰、碳中和”的工作計劃，并定下實現路線的目標計劃。隨著“雙碳”目標的推進，新能源將大規模并網，如風電、太陽能發電等，新型用能設備將廣泛接入，電力系統高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”特征日益凸顯，電網能源架構將不斷深化調整，電力系統“源網荷”生態將發生重大變化。

新能源發電具有隨機性、波動性、間歇性，電力系統的凈負荷波動不斷加劇，安全運行風險也隨之加大。儲能在提升系統的靈活性、經濟性和穩定性方面發揮著重要的作用[1]，電力系統及用戶側對儲能的需求也隨之增強。為確保軌道交通電源的可靠性，進行儲能的配置是必要的。

2021年7月，國家發改委、國家能源局發布了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》[2]，明確碳達峰碳中和目標下新型儲能的功能定位，提出新型儲能是提升能源電力系統調節能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統建設的重要舉措。同時提出到2025年，新型儲能步入規模化發展階段，具備大規模商業化應用條件；到2030年，新型儲能全面市場化發展的目標。

國家發改委、國家能源局印發的《“十四五”新型儲能發展實施方案》[3]提出推動新型儲能規模化發展，支撐構建新型電力系統，其中主要包括3個方面：(1)加大力度發展電源側新型儲能，提高新能源風電光伏基地、海上風電的消納，提高電源調節能力；(2)因地制宜發展電網側新型儲能，提高電網穩定運行和供電保障能力、應急保障能力，延緩和替代輸變電設施投資；(3)靈活多樣發展用戶側新型儲能，推進源網荷儲一體化協同發展，加快跨領域融合發展(智慧城市、智慧交通等)，拓展多種儲能形式應用。

在全國逐漸推行的峰谷電價政策以及越來越多的政策利好支撐下，用戶側儲能存在多種靈活的商業模式應用，具備跨行業融合的巨大機遇及示范作用。可見，新型儲能將迎來新一波規模化的飛速發展。而中小型儲能電站，也會隨著用戶側新型配電網的轉變而迎來巨大的機遇。

2 電力市場改革要求

為繼續推動電力市場改革，貫徹落實《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號)文件精神，國家發改委2021年相繼發布1093號、1439號兩份深化電改文件，提出了總體要求：“適應新能源大規模發展、電力市場加快建設、電力系統峰谷特性變化等新形勢新要求，持續深化電價市場化改革、充分發揮市場決定價格作用，形成有效的市場化分時電價信號。在保持銷售電價總水平基本穩定的基礎上，進一步完善目錄分時電價機制，更好引導用戶削峰填谷、改善電力供需狀況、促進新能源消納，為構建以新能源為主體的新型電力系統、保障電力系統安全穩定經濟運行提供支撐。”

兩個國家發改委文件主要提及的電力改革內容：(1)有序放開全部燃煤發電電量上網電價；(2)擴大市場交易電價上下浮動范圍；(3)推動工商業用戶都進入市場；(4)保持居民、農業用電價格穩定。

在新發布電力改革政策要求下，越來越多城市軌道交通用電費用受峰谷分時電價政策影響。由于軌道交通部分用電負荷高峰處于電價峰段內，電價谷段用電量占比較低，會大幅度提高電費成本，造成運營成本明顯增加。因此，建設儲能設備對線網負荷進行削峰填谷，利用峰谷電價政策降低電費總額，減少運營成本，具有一定經濟性。

3 軌道交通儲能建設需求

3.1 軌道交通線網規模情況

城市軌道交通能一定程度緩解城市交通出行壓力，提高能源利用率并減少污染物的排放。同時，國家“十四五”規劃提出加強城市軌道交通系統的建設，從而使我國城市軌道交通得以迅速發展。截至2021年年底，全國共有51個城市開通運營城市軌道交通線路，運營線路達到275條，運營里程8 735.6 km。2021年，新增城市軌道交通線路49條，新增運營里程1 380.9 km，較2020年增長約15%(見圖1)。

圖1 城市軌道交通規模

未來，線網規模將按照規劃逐步擴大，城市軌道交通電力需求呈現穩定增長的趨勢。

3.2 線網用電負荷情況

軌道交通本身即為綠色低碳的交通形式，提高軌道交通在整個交通行業的客流占比，可降低整個地區的碳排放量。根據2020年統計資料，廣州市交通運輸行業用電總量為41.4億千瓦時，占全市用電比例4.16%；而城市軌道交通2020年用電量為17.6億千瓦時，占全市交通運輸行業用電比例為42.46%，占全市總用電比例為1.77%。

城市軌道交通99%以上的能源消費為電力，此外還有少量的天然氣、液化石油氣、柴油、汽油。電力能耗中牽引、動力能耗占比達90%。“十三五”期間，隨著線網里程不斷擴大，運營電力能耗逐年上升。

根據實測軌道交通運行負荷用電數據，將日用電曲線圖與峰谷電價政策時段進行擬合(見圖2)，日均總用電量的42%處于9小時平段電價段范圍內，日均總用電量的36%處于7小時高峰電價段范圍內。可發現城市軌道交通用電早高峰(8～10時)大致在平段電價段，隨后在峰段電價時段，用電負荷逐漸下降至地鐵線網午間負荷谷段。午后，用電負荷緩慢提高，在下班時段17時左右開始形成第二個用電負荷高峰，用電負荷晚高峰前半部分時段(17～19時)在高峰電價段內，后半部分時段(19～21時)在平價段內。分析可得，城市軌道交通用電負荷有以下特點：(1)日負荷曲線呈尖峰高、整體雙峰；(2)早高峰時段與電價早高峰段存在錯峰。

圖2 城市軌道交通用電與峰谷電價擬合

若城市軌道交通實行峰谷分時電價計費，對比以往的基礎電價計費方式，將增加規模較大的峰時電費支出，對于每日平均占比36%的峰段電力負荷，需要進行節能措施降低負荷，或利用儲能手段削峰填谷降低峰段負荷費用。

由于軌道交通用電負荷具有明顯的規律特點，主要隨日間出行需求變化，牽引負荷、空調負荷占比較高，變電所峰段負荷持續時間較短，用地負荷曲線與峰谷電價曲線基本重合，典型日用電有較大用電負荷峰谷差，因此可以用過往建設儲能設備削峰填谷獲取電價利潤，抵消部分由電力市場峰谷電價政策帶來的電費費用。而夜間低谷期較長，導致功率因素偏低，承受電能質量指標壓力。利用夜間時段進行儲能充電時，可以有利于調整功率因數指標。

可預見的，城市軌道交通電力需求將呈現中高速增長趨勢。對于逐漸密集的軌道交通供電網絡與主變所的持續部署，將對相關變電站帶來較大的安全穩定運行壓力，同時對線網電力負荷削峰填谷以及線網電能質量調節的需求也日趨明顯。

4 結語

在“雙碳”背景下，大規模的集中式和分布式新能源并網，為應對高比例新能源的隨機性、波動性、間歇性，建設儲能電站可以提高軌道交通供電可靠性。同時，推行電力市場改革后，峰谷電價政策大幅度提高電費成本。儲能電站在城市軌道交通的應用可利用峰谷電價政策對線網電力負荷進行削峰填谷，降低電費總額，減少運營成本，具有經濟效益。此外，儲能電站可提高地鐵線網的電能質量和供電可靠性，滿足負荷快速增長的需要，有效提高能源利用效率，減少輸配電網容量建設。