清華大學胡澤春：淺析儲能對推進電力系統(tǒng)轉型的作用
2017年10月11日，《關于促進儲能產(chǎn)業(yè)與技術發(fā)展的指導意見》（以下簡稱《意見》）正式發(fā)布。指導意見是我國大規(guī)模儲能技術及應用發(fā)展的首個指導性政策。指導意見的編制工作自2016年初啟動，歷時一年半多時間，由國家能源局科技司牽頭，電力司、新能源司、市場監(jiān)管司參加的起草工作小組和20位專家組成的專家咨詢組，委托中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國電科院、清華大學等具體負責相關研究工作。歷經(jīng)前期課題研究、指導意見編寫、修改完善、征求意見等各個階段至2017年5月形成送審稿、9月份五部委聯(lián)合簽發(fā)，直至我國第一個儲能產(chǎn)業(yè)政策文件正式發(fā)布。
《意見》從促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、重點任務和保障措施三個方面提出了指導性意見，為全面促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。
儲能技術，作為智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關鍵支撐技術，可廣泛地應用于電力系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)，承擔不同的角色和作用。同一個儲能系統(tǒng)，也可通過合理的功率和能量分配，發(fā)揮多種用途。以下將從“推進儲能提升可再生能源利用水平應用示范”、“推進儲能提升電力系統(tǒng)靈活性穩(wěn)定性應用示范”、“推進儲能提升用能智能化水平應用示范”這三大應用場景著眼，總結儲能技術已有的應用及相關前景，分析促進儲能技術發(fā)展對于電力乃至整個能源行業(yè)的重大意義。
提升可再生能源利用水平
隨著可再生能源發(fā)電裝機容量的迅猛增長，風力、太陽能發(fā)電出力的隨機性和波動性給電力系統(tǒng)運行帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，由于可再生能源出力的預測誤差相對較大，可再生能源發(fā)電場站的經(jīng)濟效益在含高比例可再生能源接入的電力系統(tǒng)中將會受到明顯的影響。電池、超級電容、飛輪、新型壓縮空氣等儲能系統(tǒng)具有快速調節(jié)的性能，可以安裝在可再生能源發(fā)電場站側，起到平滑可再生能源發(fā)電出力、提高發(fā)電出力的可控性、增強可再生能源市場競爭力等作用。在我國的北方地區(qū)，因為調峰容量不足、輸電通道擁塞等原因，造成了大量棄風、棄光問題。如果在可再生能源發(fā)電場站側安裝儲能系統(tǒng)，則可以通過儲能充放電的優(yōu)化控制，緩解輸電阻塞和電網(wǎng)調峰能力限制，提高可再生能源場站的上網(wǎng)電量。
提升電力系統(tǒng)靈活性與穩(wěn)定性
儲能系統(tǒng)在輸電網(wǎng)中的應用主要包括以下兩方面：
作為輸電網(wǎng)投資升級的替代方案（延緩輸電網(wǎng)的升級與增容），提高關鍵輸電通道、斷面的輸送容量或提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定水平。在輸電網(wǎng)中，負荷的增長和電源的接入（特別是大容量可再生能源發(fā)電的接入）都需要新增輸變電設備、提高電網(wǎng)的輸電能力。然而，受用地、環(huán)境等問題的制約，輸電走廊日趨緊張，輸變電設備的投資大、建設周期長，難以滿足可再生能源發(fā)電快速發(fā)展和負荷增長的需求。大規(guī)模儲能系統(tǒng)可以作為新的手段，安裝在輸電網(wǎng)中以提升電網(wǎng)的輸送能力，降低對輸變電設備的投資。
作為系統(tǒng)級的應用，通過優(yōu)化運行控制，為大電網(wǎng)提供調頻、備用、無功/電壓、黑啟動等類型的輔助服務。在這些輔助服務中，目前投入商業(yè)化運行的只有調頻服務（二次調頻，即參與大電網(wǎng)的自動發(fā)電控制）。與傳統(tǒng)機組相比，電池儲能、飛輪儲能等新興儲能資源具有爬坡能力強、響應速度快的優(yōu)勢，可以快速跟隨系統(tǒng)負荷與間歇性可再生能源出力的變化。雖然儲能系統(tǒng)的容量、總電量相對較小，但由于其在調頻應用中跟蹤的是波動快、幅度小、均值接近0的信號，這種缺點并不突出。這些特點使得儲能資源在調頻應用中具有天然的性能優(yōu)勢，在調頻服務市場中具有一定競爭力，有助于緩解可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)帶來的調頻壓力。在美國的區(qū)域電力市場中，儲能系統(tǒng)參與二次調頻的容量已占相當?shù)姆蓊~。在我國也有電池儲能系統(tǒng)參與大電網(wǎng)二次調頻應用的探索和實踐。
儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的作用更加多樣化。與在輸電網(wǎng)的應用類似，儲能接入配電網(wǎng)可以減少或延緩配電網(wǎng)升級投資。分布在配網(wǎng)中的儲能也可以在相關政策和市場規(guī)則允許的條件下為大電網(wǎng)提供調頻、備用等輔助服務。除此之外，儲能的配置還可提高配電網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性、可靠性和接納分布式電源的能力等。
考慮到大規(guī)模儲能一次性的投資成本較高，其參與電網(wǎng)調控獲得輔助服務市場補償或通過價格套利獲得的收益可能難以回收其投資成本。借鑒國外電力市場的成果經(jīng)驗，并結合我國的電力體制改革，儲能參與容量市場可能會成為儲能未來在電網(wǎng)中較有前景的應用之一。目前可探索建立儲能參與容量市場的規(guī)則與監(jiān)管機制，對滿足條件的大規(guī)模儲能系統(tǒng)給予容量補償，提高企業(yè)投資儲能系統(tǒng)的積極性。
提升用能智能化水平
過去，一些重要用戶或設備通常會配置不間斷電源（UPS）。在電網(wǎng)停電的情況下，UPS仍然能夠持續(xù)工作一段時間，可大幅度減小停電損失。近年來隨著儲能技術的進步和政策的支持，儲能將在用戶側獲得越來越多的應用，其作用包括提高供電可靠性、降低用電成本（價格套利）、提高新能源發(fā)電的消納比例、參與需求側響應、提高電能質量等。
工商業(yè)用戶可通過配置儲能降低成本和提高供電可靠性。工商業(yè)用戶可以配置的儲能包括化學電池、蓄冷、儲熱等類型。價格套利和參加需求側響應是主要的應用類型。對于價格套利，需要有較大的電價差，通過儲能實現(xiàn)部分電能消耗由高峰到低谷時段的轉移。對于需求側響應，通過控制儲能的充放電響應電網(wǎng)的調峰要求，從而獲取收益。若希望提升用戶供電的可靠性，則可以配置電池儲能系統(tǒng)，起到類似UPS的作用。
工商業(yè)用戶還可通過投資儲能提升可再生能源發(fā)電的可控性。對于工商業(yè)用戶，在其廠房、辦公樓的屋頂或園區(qū)內(nèi)安裝可再生能源發(fā)電裝置，可以減小其向電網(wǎng)購電的成本甚至向電網(wǎng)賣電。通過投資儲能系統(tǒng)，則能夠平抑可再生能源發(fā)電出力的波動性、提高電能質量，并實施價格套利。由于需要靈活的功率控制，所配置的儲能類型一般為電池儲能系統(tǒng)。
居民用戶可通過配置儲能消納新能源和提高供電可靠性。與歐美多個國家和地區(qū)的居民光伏發(fā)電相比，目前我國的居民光伏發(fā)電正處于初步發(fā)展階段。考慮到光伏在白天發(fā)電，而居民用戶一般在夜間的負荷較高，因此可通過配置家庭儲能，更多地利用光伏發(fā)電，甚至實現(xiàn)電能的自給自足。除此之外，在配電網(wǎng)故障的情況下，家庭儲能還可繼續(xù)提供電力，從而有效地降低電網(wǎng)停電的影響、提高供電的可靠性。目前在市場上，已有越來越多針對家庭儲能的產(chǎn)品推出（比如特斯拉的Power Wall）。
以上從發(fā)電、輸配電網(wǎng)、用電三個方面分析了儲能在電力系統(tǒng)中的主要應用。需要說明的是，對于一些類型的應用，儲能可以安裝在發(fā)電側、輸電側或配電側。根據(jù)美國能源部的報告，下表列出了儲能典型的應用類型和幾種常見儲能技術適合的應用。可以看出，電池儲能系統(tǒng)幾乎適用所有列出的儲能應用類型，而壓縮空氣儲能和抽水蓄能則主要適用于規(guī)模較大的“能量型”應用。
尾聲
總之，儲能能夠為電網(wǎng)運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性；在新能源與多能協(xié)同方面，儲能技術能夠有效提高風、光等可再生能源的消納，支撐分布式電源與微網(wǎng)的安全運行，并促進能源生產(chǎn)消費開放共享和靈活交易。
《意見》肯定了儲能的應用價值，明確了儲能技術在各個應用領域中的身份與定位，并指出了儲能在下一階段應受支持與引導的發(fā)展方向。隨著《意見》的頒發(fā)與落實，以及儲能技術的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進，儲能技術與產(chǎn)業(yè)應用未來的前景無疑將越來越廣闊。
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