清華大學(xué)胡澤春：淺析儲(chǔ)能對(duì)推進(jìn)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的作用
2017年10月11日，《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《意見》）正式發(fā)布。指導(dǎo)意見是我國大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個(gè)指導(dǎo)性政策。指導(dǎo)意見的編制工作自2016年初啟動(dòng)，歷時(shí)一年半多時(shí)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(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(xué)等具體負(fù)責(zé)相關(guān)研究工作。歷經(jīng)前期課題研究、指導(dǎo)意見編寫、修改完善、征求意見等各個(gè)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(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策文件正式發(fā)布。
《意見》從促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施三個(gè)方面提出了指導(dǎo)性意見，為全面促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。
儲(chǔ)能技術(shù)，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(guān)鍵支撐技術(shù)，可廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)，承擔(dān)不同的角色和作用。同一個(gè)儲(chǔ)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(jìn)儲(chǔ)能提升可再生能源利用水平應(yīng)用示范”、“推進(jìn)儲(chǔ)能提升電力系統(tǒng)靈活性穩(wěn)定性應(yīng)用示范”、“推進(jìn)儲(chǔ)能提升用能智能化水平應(yīng)用示范”這三大應(yīng)用場景著眼，總結(jié)儲(chǔ)能技術(shù)已有的應(yīng)用及相關(guān)前景，分析促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展對(duì)于電力乃至整個(gè)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(jī)容量的迅猛增長，風(fēng)力、太陽能發(fā)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，由于可再生能源出力的預(yù)測誤差相對(duì)較大，可再生能源發(fā)電場站的經(jīng)濟(jì)效益在含高比例可再生能源接入的電力系統(tǒng)中將會(huì)受到明顯的影響。電池、超級(jí)電容、飛輪、新型壓縮空氣等儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)的性能，可以安裝在可再生能源發(fā)電場站側(cè)，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(qiáng)可再生能源市場競爭力等作用。在我國的北方地區(qū)，因?yàn)檎{(diào)峰容量不足、輸電通道擁塞等原因，造成了大量棄風(fēng)、棄光問題。如果在可再生能源發(fā)電場站側(cè)安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，則可以通過儲(chǔ)能充放電的優(yōu)化控制，緩解輸電阻塞和電網(wǎng)調(diào)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(chǔ)能系統(tǒng)在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用主要包括以下兩方面：
作為輸電網(wǎng)投資升級(jí)的替代方案（延緩輸電網(wǎng)的升級(jí)與增容），提高關(guān)鍵輸電通道、斷面的輸送容量或提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定水平。在輸電網(wǎng)中，負(fù)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(shè)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(shè)備的投資大、建設(shè)周期長，難以滿足可再生能源發(fā)電快速發(fā)展和負(fù)荷增長的需求。大規(guī)模儲(chǔ)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(duì)輸變電設(shè)備的投資。
作為系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用，通過優(yōu)化運(yùn)行控制，為大電網(wǎng)提供調(diào)頻、備用、無功/電壓、黑啟動(dòng)等類型的輔助服務(wù)。在這些輔助服務(wù)中，目前投入商業(yè)化運(yùn)行的只有調(diào)頻服務(wù)（二次調(diào)頻，即參與大電網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制）。與傳統(tǒng)機(jī)組相比，電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等新興儲(chǔ)能資源具有爬坡能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，可以快速跟隨系統(tǒng)負(fù)荷與間歇性可再生能源出力的變化。雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量、總電量相對(duì)較小，但由于其在調(diào)頻應(yīng)用中跟蹤的是波動(dòng)快、幅度小、均值接近0的信號(hào)，這種缺點(diǎn)并不突出。這些特點(diǎn)使得儲(chǔ)能資源在調(diào)頻應(yīng)用中具有天然的性能優(yōu)勢(shì)，在調(diào)頻服務(wù)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(diào)頻壓力。在美國的區(qū)域電力市場中，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與二次調(diào)頻的容量已占相當(dāng)?shù)姆蓊~。在我國也有電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與大電網(wǎng)二次調(diào)頻應(yīng)用的探索和實(shí)踐。
儲(chǔ)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(yīng)用類似，儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)可以減少或延緩配電網(wǎng)升級(jí)投資。分布在配網(wǎng)中的儲(chǔ)能也可以在相關(guān)政策和市場規(guī)則允許的條件下為大電網(wǎng)提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)。除此之外，儲(chǔ)能的配置還可提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和接納分布式電源的能力等。
考慮到大規(guī)模儲(chǔ)能一次性的投資成本較高，其參與電網(wǎng)調(diào)控獲得輔助服務(wù)市場補(bǔ)償或通過價(jià)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(yàn)，并結(jié)合我國的電力體制改革，儲(chǔ)能參與容量市場可能會(huì)成為儲(chǔ)能未來在電網(wǎng)中較有前景的應(yīng)用之一。目前可探索建立儲(chǔ)能參與容量市場的規(guī)則與監(jiān)管機(jī)制，對(duì)滿足條件的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)給予容量補(bǔ)償，提高企業(yè)投資儲(chǔ)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(shè)備通常會(huì)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(shí)間，可大幅度減小停電損失。近年來隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持，儲(chǔ)能將在用戶側(cè)獲得越來越多的應(yīng)用，其作用包括提高供電可靠性、降低用電成本（價(jià)格套利）、提高新能源發(fā)電的消納比例、參與需求側(cè)響應(yīng)、提高電能質(zhì)量等。
工商業(yè)用戶可通過配置儲(chǔ)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(chǔ)能包括化學(xué)電池、蓄冷、儲(chǔ)熱等類型。價(jià)格套利和參加需求側(cè)響應(yīng)是主要的應(yīng)用類型。對(duì)于價(jià)格套利，需要有較大的電價(jià)差，通過儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)部分電能消耗由高峰到低谷時(shí)段的轉(zhuǎn)移。對(duì)于需求側(cè)響應(yīng)，通過控制儲(chǔ)能的充放電響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)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(chǔ)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(chǔ)能提升可再生能源發(fā)電的可控性。對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)，則能夠平抑可再生能源發(fā)電出力的波動(dòng)性、提高電能質(zhì)量，并實(shí)施價(jià)格套利。由于需要靈活的功率控制，所配置的儲(chǔ)能類型一般為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
居民用戶可通過配置儲(chǔ)能消納新能源和提高供電可靠性。與歐美多個(gè)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(fù)荷較高，因此可通過配置家庭儲(chǔ)能，更多地利用光伏發(fā)電，甚至實(shí)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(chǔ)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(duì)家庭儲(chǔ)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(gè)方面分析了儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用。需要說明的是，對(duì)于一些類型的應(yīng)用，儲(chǔ)能可以安裝在發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)或配電側(cè)。根據(jù)美國能源部的報(bào)告，下表列出了儲(chǔ)能典型的應(yīng)用類型和幾種常見儲(chǔ)能技術(shù)適合的應(yīng)用。可以看出，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)幾乎適用所有列出的儲(chǔ)能應(yīng)用類型，而壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能則主要適用于規(guī)模較大的“能量型”應(yīng)用。
尾聲
總之，儲(chǔ)能能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性；在新能源與多能協(xié)同方面，儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效提高風(fēng)、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(yùn)行，并促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)開放共享和靈活交易。
《意見》肯定了儲(chǔ)能的應(yīng)用價(jià)值，明確了儲(chǔ)能技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的身份與定位，并指出了儲(chǔ)能在下一階段應(yīng)受支持與引導(dǎo)的發(fā)展方向。隨著《意見》的頒發(fā)與落實(shí)，以及儲(chǔ)能技術(shù)的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進(jìn)，儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來的前景無疑將越來越廣闊。
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