楊軍峰，鄭曉雨，惠 東，楊水麗，羅衛(wèi)華，禮曉飛

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儲能技術(shù)在送端電網(wǎng)中促進新能源消納的容量需求分析

楊軍峰1，鄭曉雨1，惠 東2，楊水麗2，羅衛(wèi)華1，禮曉飛2

（1國家電網(wǎng)公司調(diào)度控制中心，北京 100031；2中國電力科學(xué)研究院有限公司新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，北京 100192）

我國新能源富集的“三北地區(qū)”棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴重，同時儲能技術(shù)發(fā)展已逐步接近規(guī)?；瘧?yīng)用水平。該文在分析影響新能源消納問題的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性、儲能技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向與技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，基于電網(wǎng)可最大釋放的新能源發(fā)電空間約束建立了以縮減棄風(fēng)率與棄光率為目標的儲能系統(tǒng)功率與容量配置的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合儲能投資成本與提升新能源消納收益構(gòu)成的投資收益比評估約束指標，提出了滿足新能源消納性能/投資成本比較優(yōu)的儲能容量需求計算方法，探索了儲能提升新能源消納能力的技術(shù)與經(jīng)濟可行性分析思路。以消納風(fēng)電和光伏為主的兩省級電網(wǎng)為例，討論了儲能在送端電網(wǎng)中促進風(fēng)電和光伏消納應(yīng)用中的作用及經(jīng)濟適用性，驗證了該新能源消納方案的可行性。

新能源；消納；儲能技術(shù)；棄風(fēng)；棄光

我國新能源多集中在遠離中東部負荷中心且本地負荷低迷的西北部地區(qū)[1]。受新能源富集地區(qū)本地消納能力低的限制，大規(guī)模集中開發(fā)新能源發(fā)電需要輸送到區(qū)域電網(wǎng)甚至跨區(qū)電網(wǎng)進行消納[2-3]，但可再生能源發(fā)電的送出受阻已成為制約其發(fā)展的主要因素之一。另外，為可再生能源發(fā)電配套火電等電源，削弱了利用可再生能源發(fā)電減少環(huán)境影響的作用，電網(wǎng)需要更加清潔和靈活有效的方法來促進大規(guī)?？稍偕茉吹乃统雠c消納。

儲能技術(shù)對于全球節(jié)能減排與優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的目標實現(xiàn)有著積極的推動作用，尤其隨著可再生能源比例的增大、智能電網(wǎng)概念的提出和政府的支持，規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)應(yīng)用的市場前景逐漸顯現(xiàn)[4]。2015年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》[5]明確指出應(yīng)積極發(fā)展先進儲能技術(shù)以促進分布電源快速發(fā)展；2016年出臺的《國家能源局關(guān)于推動電儲能參與“三北”地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)工作的通知》[6]提出鼓勵各地規(guī)劃集中式新能源發(fā)電基地時，配置適當(dāng)規(guī)模的儲能設(shè)施。隨著儲能系統(tǒng)成本降低和壽命提升，大規(guī)模集中式儲能將是促進新能源消納的有效手段和關(guān)鍵推手。

目前已有文獻對制約新能源消納能力的影響因素及解決方案進行了研究。文獻[2]剖析了引發(fā)新能源消納問題的機理及關(guān)鍵因素，提出了從靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)、火電機組改造、電網(wǎng)互聯(lián)互通及需求側(cè)響應(yīng)等角度的解決措施。文獻[7]提出在電網(wǎng)規(guī)劃階段評估與比選出可同時滿足新能源消納需求與系統(tǒng)優(yōu)化運行需求的研究方案。文獻[8]基于風(fēng)能和太陽能的年度時序生產(chǎn)模擬仿真模型，量化分析了新能源并網(wǎng)接納能力。文獻[9]和[10]分別通過應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)備用積分貢獻量”及“兩個替代”的思想來評估相關(guān)主體對省電網(wǎng)新能源提供消納空間的貢獻。文獻[11]～[13]對促進新能源消納的自備電廠發(fā)電權(quán)交易模式、虛擬同步機技術(shù)及以直流聯(lián)絡(luò)線運行方式優(yōu)化等措施的可行性進行了探討。

綜上所述，現(xiàn)有研究中對促進新能源消納的解決措施基本是從電網(wǎng)本體規(guī)劃與改造、能源替代及跨區(qū)域輸送等層面出發(fā)，而缺少對新型靈活調(diào)節(jié)手段的應(yīng)用需求及經(jīng)濟適用性分析。為此，本文以提升新能源消納能力為目標，基于電網(wǎng)的電源與負荷時序模型，提出應(yīng)用儲能技術(shù)縮減棄風(fēng)和棄光率的解決方法，并建立相應(yīng)的儲能容量需求數(shù)學(xué)模型，分析該方法的技術(shù)與經(jīng)濟可行性。

1 新能源消納現(xiàn)狀與儲能技術(shù)發(fā)展

1.1 新能源富集區(qū)域電網(wǎng)新能源消納現(xiàn)狀

我國能源集中分布在西北部地區(qū)，以大規(guī)模能源基地的方式集中開發(fā)并網(wǎng)，并啟動建設(shè)甘肅酒泉、新疆哈密、蒙東、蒙西和吉林等數(shù)個“千萬千瓦級”風(fēng)電基地，至2016年年底，“三北”風(fēng)電、光伏累計裝機分別高達10156萬千瓦和3785萬千瓦，但受負荷持續(xù)低迷、通道改善不大等因素影響，新能源消納問題進一步突出。

基于風(fēng)、光出力序列曲線分析平臺，對2016年度新能源消納情況進行統(tǒng)計分析（表1）。由表1可知，西北地區(qū)的甘肅、新疆和寧夏電網(wǎng)，棄風(fēng)與棄光現(xiàn)象嚴重，青海電網(wǎng)棄光現(xiàn)象嚴重；東北地區(qū)的吉林電網(wǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象嚴重。

表1 2016年三北典型地區(qū)風(fēng)電/光伏消納情況統(tǒng)計

我國新能源消納總量得到快速增長，但“三北”地區(qū)棄風(fēng)、棄光電量呈逐年增長態(tài)勢，消納矛盾突出?；诟鳁夛L(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴峻地區(qū)電網(wǎng)特性及存在的問題，分析新能源消納困難的原因如表2所示，由表2可知，“三北”地區(qū)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴重的典型地區(qū)均存在新能源滲透率高、本地消納不足，外送通道受阻等原因。在滲透率已定，本地消納難以提升，外送通道受阻改善尚待時日的前提下，需探索新的技術(shù)與方案解決當(dāng)前新能源消納的困境。

1.2 儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

在可再生能源發(fā)電及智能電網(wǎng)技術(shù)的驅(qū)動下，除卻受地理條件制約的抽水蓄能技術(shù)，多種新型儲能技術(shù)逐步受到關(guān)注，并建成了多項大規(guī)模儲能示范工程。從全球已有示范工程的功能應(yīng)用上看[14]，近1/4占比的儲能項目應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域，且在項目數(shù)與裝機容量上均處于快速增長的態(tài)勢。我國應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)的累計裝機僅次于分布發(fā)電及微網(wǎng)領(lǐng)域，增長率為27%，以鋰離子電池和液流電池的應(yīng)用為主，主要用于風(fēng)電場或集中式風(fēng)、光電站中以解決棄風(fēng)、棄光問題，輔助電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

表2 2016年三北典型地區(qū)電網(wǎng)概況及消納矛盾分析

在儲能技術(shù)的發(fā)展歷程中，一代新技術(shù)從實驗室研究到商業(yè)化一般需要8年以上的時間，如從2008年開始大規(guī)模生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池，到2014年方趨于成熟穩(wěn)定[15]。在各類型儲能技術(shù)發(fā)展中，技術(shù)性能中比能量這個關(guān)鍵性指標的進展是緩慢的，但其性能仍在逐年穩(wěn)步提升[16-17]，當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的主要儲能技術(shù)的響應(yīng)時間基本都在0.02 s以內(nèi)。其中，鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池具有較好的功率密度、能量密度、循環(huán)壽命和效率，適合于在高功率和高能量需求的場景中應(yīng)用，鋰離子電池又因功率密度、循環(huán)壽命和循環(huán)效率均突出而獨占鰲頭；壽命則受每種材料內(nèi)生性增長的影響，使成本呈現(xiàn)逐年下降的趨勢[18]，但尚未完全接近運營盈利點。

綜上所述，當(dāng)前新型儲能系統(tǒng)的功率與容量特性及其發(fā)展水平已適應(yīng)規(guī)?；稍偕茉窗l(fā)展需求，經(jīng)濟性稍微欠佳。

2 儲能促進能量基地新能源消納的容量需求分析

電力系統(tǒng)發(fā)、供、用實時平衡及時變等特性要求電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力須大于負荷的變化，隨著新能源高比例接入，其出力波動與變化的負荷一起加劇了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)負擔(dān)，為保持系統(tǒng)的動態(tài)功率平衡，就會產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光問題。系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力主要由電源調(diào)節(jié)性能決定[19]，當(dāng)新能源裝機占比增大，具備靈活與大幅調(diào)節(jié)能力的傳統(tǒng)電源比例減少時，適當(dāng)增加儲能系統(tǒng)等快速而靈活的調(diào)節(jié)電源比例，將有益于提升新能源消納空間。

2.1 儲能促進電網(wǎng)消納新能源的理念

在新能源發(fā)電大規(guī)模發(fā)展及儲能產(chǎn)業(yè)逐漸興起的背景下，如何判斷儲能投資經(jīng)濟性與新能源消納效果間的有效博弈，將成為儲能在該領(lǐng)域應(yīng)用的新問題。

儲能促進大規(guī)模新能源在電網(wǎng)的合理消納，減少棄風(fēng)和棄光率，充分發(fā)揮新能源低碳、節(jié)能與減排的效益，具有兩層含義：一方面系統(tǒng)引入了靈活的可包容新能源出力劇烈波動的調(diào)節(jié)源，提升新能源發(fā)電電量；另一方面，系統(tǒng)消納風(fēng)電或光伏等能力的提升以投資成本的增加為代價。新能源的消納并不是不考慮代價的完全接納，而是在消納能力與儲能系統(tǒng)投資運行成本之間進行合理的折衷，因此，本工作在滿足性能/成本比較優(yōu)的基礎(chǔ)上提出儲能在送端電網(wǎng)中促進新能源消納的分析思路，探索研究與之相應(yīng)的容量需求合理性。

2.2 基于減小送端電網(wǎng)新能源限電率的儲能容量配置

新能源消納空間為在風(fēng)電或光伏大發(fā)期間，聯(lián)絡(luò)線外送功率提至最大，火電機組出力壓至最低時系統(tǒng)最大可接納新能源發(fā)電的能力。加入儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)源對棄風(fēng)/棄光電量應(yīng)用能量時移而促進消納的部分新能源，為儲能所提升的新能源消納空間。

新能源的限電功率為理論出力與電網(wǎng)能接納的實際出力之差，滿足式(1)中潮流約束。其中，電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線外送功率達到最大，常規(guī)機組的出力為最小，以最大釋放新能源的發(fā)電空間。

儲能系統(tǒng)功率受新能源限電功率及自身最大出力兩者約束，實時動態(tài)容量為儲能系統(tǒng)輸入功率在時間上的積分，其表達式如式(2)所示

配置儲能系統(tǒng)容量越大，多消納的新能源電量也隨之增大，但儲能投資成本提高，因而，需對應(yīng)用儲能減小新能源限電率應(yīng)用中的投資與收益進行分析，尋求能達到性能與成本比較優(yōu)的配置值。在不同棄風(fēng)/棄光縮減滿足率下儲能消納的新能源電量收益測算及其成本投資分別如式(5)所示，投資收益比如式(6)所示

2.3 儲能促進新能源消納的容量優(yōu)化計算

基于文中式(1)～式(6)中潮流及儲能功率/容量約束及相關(guān)參量的計算方法，判定儲能可提升的新能源消納空間的容量需求求解流程如圖1所示，步驟如下。

圖1 促進新能源消納的儲能容量需求求解流程

（6）測算不同置信度下儲能消納新能源電量收益及儲能投資成本，分析滿足消納性能/投資成本比較優(yōu)的儲能功率與容量值，給出配置結(jié)果。

3 算例分析

由表1可知，新疆電網(wǎng)中風(fēng)電裝機約占新能源發(fā)電總裝機的77%，青海電網(wǎng)中光伏發(fā)電裝機占新能源總裝機的92%，因而，選取新疆省和青海省海西地區(qū)電網(wǎng)作為儲能分別提升風(fēng)電和光伏發(fā)電消納能力的典型場景，定量分析儲能促進的新能源消納電量及投資收益比，定性描述儲能在提升風(fēng)電消納與光伏消納空間中的積極作用。

3.1 以提升風(fēng)電為主的新能源消納能力的儲能容 量需求分析

2016年新疆電網(wǎng)電源增長遠超負荷增長速度，可調(diào)節(jié)電源容量約為1613.5萬千瓦，新能源裝機容量為2381萬千瓦，可調(diào)節(jié)電源與新能源裝機的比例為0.7∶1，比例呈現(xiàn)嚴重倒掛，新能源的裝機規(guī)模已遠高于可調(diào)節(jié)機組的調(diào)峰能力。由于電網(wǎng)電源裝機遠高于負荷水平，對新能源消納的主要渠道是通過聯(lián)絡(luò)線的外送，因而，將從全網(wǎng)角度分析儲能減小棄風(fēng)率，基于新能源消納的電源結(jié)構(gòu)為新疆主網(wǎng)的潮流流向外送的聯(lián)絡(luò)線。

基于新疆地區(qū)的風(fēng)、光出力序列隨機建模，結(jié)合電網(wǎng)的負荷與常規(guī)電源出力模型，在新疆主網(wǎng)配置不同的儲能功率與容量，分析通過儲能削減的棄風(fēng)與棄光比例，并對案例進行重復(fù)多次計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同儲容配置下棄風(fēng)/棄光率關(guān)系圖

由圖2可知，隨著配置儲能系統(tǒng)功率的增大，風(fēng)電與光伏限電率隨之減小，但達400萬千瓦/4小時附近的區(qū)間時，棄風(fēng)與棄光率減小的趨勢放緩，對新能源消納的提升作用逐漸不明顯。因而，選取400萬千瓦/4小時的儲能容量為滿足性能/成本比較優(yōu)的配置結(jié)果，其可實現(xiàn)的效果如下。

（1）將棄風(fēng)率由末配置儲能時的49.68%縮減至44.31%，減小棄風(fēng)率5.37%，多發(fā)風(fēng)電電量21.3億千瓦時；

（2）將棄光率由40.52%縮減至32.75%，減小棄光率7.77%，多發(fā)光伏發(fā)電電量8.2億千瓦時；

（3）全網(wǎng)新能源限電率由47.75%縮減至31.87%，減小新能源限電率5.88%，增加新能源發(fā)電量29.5億千瓦時。

通過對仿真結(jié)果分析可知，在儲能配置達到一定限值后，繼續(xù)增大儲能容量對新疆電網(wǎng)新能源限電率的減小效果不明顯，主要原因為：

（1）新疆電網(wǎng)一年中大多數(shù)時期處于2～3天持續(xù)限電狀態(tài)，一個月中能進行限電能量時移的次數(shù)有限，約能滿充滿放10次；

（2）極端時期持續(xù)10來天均處于限電狀態(tài)，嚴重影響儲能系統(tǒng)的利用率。

因而，儲能在一年用于減小新能源限電率而能達到滿充滿放的動作次數(shù)約為100次左右，利用率較低。

3.2 以提升光伏為主的新能源消納能力的儲能容 量需求分析

青海電網(wǎng)2016年全年光伏發(fā)電量95.49億千瓦時，同比增長27.7%，光伏利用小時數(shù)約1625 h，棄光電量約5.19億千瓦時，棄光率5.16%，海西地區(qū)是青海棄光相對較嚴重地區(qū)，棄光率達9.56%，棄光的主要原因是通道受阻，該地區(qū)基于新能源消納的電源結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 青海電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)圖

基于青海海西地區(qū)的光伏出力序列隨機建模，電網(wǎng)的負荷與常規(guī)機組出力模型，在海西地區(qū)電網(wǎng)配置不同儲能功率與容量，多次定量分析儲能削減的棄風(fēng)比例，結(jié)果如圖4所示。

圖4 儲容配置值與棄光率關(guān)系圖

由圖4可知，隨著儲能功率不斷增大，棄光率逐漸降低，儲能容量越大（持續(xù)時長為1～4 h），棄光率越低，但在40千瓦時/3小時附近出現(xiàn)較佳的配置結(jié)果，其可實現(xiàn)的效果為提高海西斷面能力至157萬千瓦，海西棄光率由未配置儲能時的9.55%縮減至3.64%，降低棄光率5.92%，增加光伏發(fā)電量4.38億千瓦時。

3.3 投資及效益測算

以目前市場上技術(shù)較成熟的磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)為例進行投資估算[14]，參照2015年的成本價格，可以得出分別應(yīng)用于新疆電網(wǎng)與青海海西電網(wǎng)的400萬千瓦/4小時和40千瓦時/3小時儲能系統(tǒng)的靜態(tài)工程投資成本如表3所示。

表3 儲能系統(tǒng)靜態(tài)工程投資

分別基于新疆電網(wǎng)與青海電網(wǎng)的風(fēng)電及光伏并網(wǎng)電價，對儲能系統(tǒng)用于新能源消納的運行效益進行估算，其它隱形收益如輔助電網(wǎng)調(diào)頻、削峰填谷及節(jié)能減排等產(chǎn)生的收益暫且不計，結(jié)果如表4所示。

表4 儲能消納新能源效益估算

由表4可知，儲能在促進新能源富集地區(qū)風(fēng)電消納場景中的應(yīng)用效果甚微且經(jīng)濟性不強，項目投資回收期約20.3年，影響因素主要為持續(xù)限電時期長，儲能系統(tǒng)利用率低；在促進光伏消納場景中的應(yīng)用效果優(yōu)且收益高，項目投資回收期約7.5年，主要原因為在光伏消納應(yīng)用中儲能一天至少有一次循環(huán)，且光伏上網(wǎng)電價高于風(fēng)電。

4 結(jié) 論

風(fēng)電、光伏快速增長的三北地區(qū)受新能源集中分布、用電負荷下滑和大用戶直購電等因素影響，棄風(fēng)、棄光問題突出。針對新能源的本地消納與送出問題，探索了各電網(wǎng)影響新能源消納的主要因素，通過配置儲能系統(tǒng)分析該技術(shù)對新能源消納能力的提升效果，取得的主要結(jié)論如下。

（1）引發(fā)三北地區(qū)棄風(fēng)棄光問題的主要原因是新能源裝機大、本地消納有限與外送通道受阻等。

（2）當(dāng)前儲能系統(tǒng)的功率與容量發(fā)展水平已基本適應(yīng)與規(guī)模化新能源相協(xié)調(diào)應(yīng)用場景需求，但其經(jīng)濟性有待提高。

（3）通過算例分析可知，現(xiàn)有儲能技術(shù)在大規(guī)模集中式風(fēng)電消納中作用甚微，項目投資回收期約20.3年；在促進大規(guī)模集中式光伏消納中可發(fā)揮有效作用，投資回收期約7.5年。

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Capacity demand analysis of energy storage in the sending-side of a power grid for accommodating large-scale renewables

YANG Junfeng1,ZHENG Xiaoyu1,HUI Dong2,YANG Shuili2,LUO Weihua1,LI Xiaofei2

(1State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;2State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy & Storage Systems, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

A mathematical model is establishedbased on the analyses of energy storage technologies and the structural traits of a power grid for accommodating intermittent renewable resources, subject to constraints of the maximum amount of power the grid can release for the renewable generation and the reduction of wind wind/PV curtailments. The analyses consider energy storage system investment and return due to the increase of renewable energy related income. Two provincial power grids (which mainly accommodates wind and PV generation) are used as examples for the validation of analyses.

renewable energy resource; accommodation; energy storage; wind power curtailment; PV curtailment

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0006

TQ 028.8

A

2095-4239（2018）04-0698-07

2018-02-02；

2018-03-02。

國家電網(wǎng)公司科技項目（DG71-17-012），國家自然科學(xué)基金項目（51507160）。

楊軍峰（1970—），男，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)經(jīng)濟運行、電力市場與智能電網(wǎng)，E-mail：yang_junfeng@sgcc. com.cn；

楊水麗，高級工程師，研究方向為電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)，E-mail：40303126@qq.com。