储能在电力系统中的作用与运营模式

唐西胜

(中国科学院电工研究所，北京市 100190)

储能在电力系统中的作用与运营模式

唐西胜

(中国科学院电工研究所，北京市 100190)

随着可再生能源的快速发展及能源互联网的构建，储能在整个能源电力体系中的作用越来越重要，而储能技术的日趋成熟，已基本具备了推广应用条件。该文从电力系统的发展需求出发，分析了储能在电力系统调峰、调频、调压、电能质量治理、供电可靠性提高及多种应用综合等方面的作用；从发电侧、电网侧和用电侧等不同角度结合电价结构分析了储能的运营模式；并从储能应用技术、发展模式和市场机制等方面提出了储能应用的发展建议：(1)加大对基础材料和核心技术的支持力度，形成核心竞争力；(2)出台储能配套政策，形成储能应用市场的良性发展机制；(3)整合上下游产业和应用市场，推动储能技术快速发展；(4)鼓励多种储能技术竞争与多元化发展。

储能；电力系统；盈利模式；可再生能源；能源互联网

0 引 言

近年来，随着风光等可再生能源的快速发展，其发电出现了并网难、消纳难、安全事故频发等现象，严重制约了可再生能源发电的发展，这给储能提供了很好的发展机遇[1-3]。

在可再生能源并网的电力系统中，运用储能技术可以促进可再生能源的利用，提高电网系统运行的稳定性，并提高电网电能质量，保证供电的可靠性[4-7]：(1)储能能够进行电网调峰调频、改善电能质量和提高系统稳定性等，从而让可再生能源成为电网可接纳的优质电源；(2)储能也可以应用于用户端，通过对可再生能源出力的平滑和削峰填谷等，改善用户端的电能质量，延缓设备的升级改造和变压器扩容等；(3)储能根据市电价格可以调整其能量的充放，从而减小用户端用电的峰谷差值，且能够实现一定程度的收益。因此，储能能够提高可再生能源并网的渗透率和可信度。

本文将对多种类型储能的特性进行介绍，分析储能在电力系统中的作用，并对储能的盈利模式进行探讨，最后对储能未来的发展给出建议。

1 储能类型

按照能量转换形式，电力储能技术一般可以分为物理储能、化学储能和电磁储能3类，如表1所示。

表1 电力储能技术分类
Table 1 Classification of energy storage technologies

目前化学储能在实际应用中较为广泛，因此本节重点介绍化学储能即储能电池的特性及其应用。应用于电力系统的电池储能技术，其安全性、成本、寿命、功率和能量特性、效率、可维护性等指标是需要关注的重点。

1.1 铅酸电池

铅酸电池是最早的二次电池。传统的铅酸电池主要作为后备电源使用，大多处于浮充工作状态，因而对循环寿命没有特别要求。近年来，随着电力储能发展需求的增加，出现了新的铅酸电池技术，如管式胶体电池、卷绕电池和铅炭电池等。尤其是铅碳电池，通过碳材料添加和工艺改进，克服了传统铅炭电池的失效问题，电池循环寿命长达3 800次以上，此外，在充放电接受能力、高低温性能等方面也有较大改善，而成本较低的优势使其成为电力储能当前的有力竞争者。目前，铅炭电池在可再生能源发电、微电网、需求侧响应等方面已有较多示范和商业应用。

1.2 锂离子电池

近年来，锂离子电池的快速发展，为大功率、大能量的储能应用提供了新的选择。锂离子电池的优势在于能量密度高、功率密度高、充放电效率高、循环寿命长等，具有在电力系统进行规模应用的技术优势。A123系统公司2008年率先开发出了2 MW的锂离子电池储能系统，用于电能质量改善和备用电源。由于锂离子电池在电动汽车和电力储能中具有良好的应用价值，目前已成为储能产业发展重点之一，价格也在逐步回落。继续提高电池、模组和系统的安全性，降低成本，形成完善的评价体系，是锂电池应用于电力系统的关键。

1.3 钠硫电池

钠硫电池具有比能量高、充电时间快、无自放电现象等优点，在世界上许多国家受到了重视和发展，也是早期电池储能的主力军。日本东京电力公司(EPCO)与日本特殊陶业株式会社(NGK)合作，在20世纪90年代后期完成了众多钠硫电池储能系统工程，并在2002年实现了商业化。目前已有200座以上功率大于500 kW、总容量约为300 MW的储能电站在运行，分别用于电网峰谷调节、电能质量改善、应急电源、风电等可再生能源的稳定输出等，最大容量达34 MW。我国中国科学院上海硅酸盐研究所在钠硫电池关键材料、制作工艺、电池模块化、中试生产线、应用示范等方面都取得了较好的进展。

1.4 液流电池

目前，液流电池分为全钒液流电池、锌溴体系电池、多硫化钠/溴体系电池及铁铬电池等几类。其中，全钒液流电池充放电寿命可达10 000次以上，放电深度高达80%以上，功率和容量可分开设计，发展前景广阔。日本住友电气公司(SEI)2005年在Tomamae风电场安装了4 MW×1.5 h全钒液流电池储能系统，以实现风电连续稳定输出；我国辽宁卧牛石风电场建成了5 MW×2 h全钒液流电池储能示范电站，用于减少风力发电波动给电网稳定运行带来的冲击。

2 储能在电力系统中的作用

理论上讲，储能在电力系统发、输、变、配、用等各个环节均具有明显作用，可以大大增强电力系统的控制灵活性和经济性，实现系统安全稳定、经济高效、绿色清洁运行。

2.1 峰谷调节

电网的建设需要满足高峰负荷甚至尖峰负荷需求，造成资产利用率和运行效率低。尤其在夏季，电网负荷的40%以上为空调，而其全年用电量则在10%以下。通过储能存储负荷谷时段的电能，在负荷高峰时段释放出来，实现削峰填谷，缓解负荷高峰/尖峰对电力系统安全稳定运行的压力，减缓负荷快速增长地区输配电系统升级改造的压力。

利用抽水蓄能电站实现电力系统削峰填谷已经发展成熟并实现了实用化，也是目前全球电力系统中储能的主要方式。但由于受建设环境、地理位置的制约，大面积推广具有较大的局限性。电池储能具有选址灵活、建设周期短、效率高、调节性能优越等优点，具有调节电力系统峰谷的潜力。尤其在应对尖峰负荷和紧急支撑时，电池储能的优势更为明显。此外，电池储能系统与抽水蓄能或其他可调电源结合组成的复合储能，可以改善调节性能[8]。当然，对于电池储能来说，其建设地点更多地会靠近负荷侧，采用分布式、多点接入的方式，并与光伏等可再生能源发电系统[9-10]、用电大户或重要负荷结合[11-13]。

2.2 调频调压

随着可再生能源发电在电力系统中份额的增加，由于风电和光伏大多以最大功率跟踪控制(maximum power point tracking，MPPT)运行，意味着传统电力系统调频调压能力逐步削弱，使得系统在扰动下的频率和电压波动变大，电能质量变差，甚至影响系统稳定性。电池储能通过功率变换系统(power conversion system, PCS)控制，具有响应快速、有功无功功率独立控制、正反向调节和效率高等优势，非常适合于调频调压。

由于无功调压基本上不消耗能量，用于调频的储能技术须具有功率密度大、循环寿命长和效率高等特点。从目前的技术水平看，先进铅酸电池如纯铅卷绕电池、锂电池、飞轮储能等均具有参与系统调频的潜力。

储能参与系统调频已经在一些国家得到了验证和小规模应用，而且正在通过合理的投资回报机制实现商业化[14-15]。我国也在积极进行促进电池储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿(市场)机制试点，储能可作为独立市场主体或与发电企业联合参与调频、深度调峰和启停调峰等辅助服务。

此外，目前有一些研究示范将电池储能与常规调频技术相结合[16]，或者将电池储能与风电的功率调控技术相结合[17-19]，以弥补常规调频技术和风电自身调频技术的不足，提升调频技术性能和调频容量可信度。

2.3 改善电能质量

现代配电系统一方面承载了诸多敏感负荷，如各类精密加工企业、医院和其他重要部门，对电能质量要求越来越高，另一方面，大量可再生能源发电与电力电子负荷等的非线性特性、谐波、启停冲击等给系统带来较大冲击。电池、超级电容器或飞轮等储能器件可以与常规的电能质量治理装置相结合，如动态电压恢复器(dynamic voltage regulator， DVR)、静止无功补偿器(static synchronous compensator， STATCOM)、统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等，向系统提供系统有功和无功功率补偿，消减电压暂降、电压骤升、电压波动与闪变、谐波等多种电压质量问题。由于储能的加入，给常规电能质量治理装备赋予了持续的有功支撑能力，将成为储能应用的新方向。

对于在配电网中建设的分布式储能系统，可以通过改进PCS控制技术，使其具有低次谐波消减、无功补偿等功能，在完成峰谷调节功能的基础上，主动参与配电网电能质量治理，既可以为用户改善用电环境，又可以避免无功补偿和谐波消减等设备的重复投资[20-23]。

2.4 提高供电可靠性

由于储能的存在，对于电网故障时重要负荷的不间断供电，以及故障后电网的恢复，均具有重要作用和天然优势[24]。储能系统可以与风电、光伏或天然气发电组合，形成微电网或小型供电系统，在电网故障时提高生存能力，减少负荷停电时间[25-31]。

接入电压等级更高的大型储能电站，具有辅助电网黑启动的潜力，在电网恢复期间作为独立电源为发电厂、变电站提供辅助供电，逐步启动发电机组正常运行。大型储能电站往往由多个储能单元并联组成，独立运行时需要解决多个单元并联稳定运行和均衡工作的问题。

2.5 多种应用综合

尽管储能在电力系统中有重要作用，但其应用推广和市场开拓仍然需要克服诸多困难，包括技术、经济的和体制方面，而高性价比是其进入市场的前提。在目前各类电池普遍成本较高的情况下，多种应用综合，是可以考虑的思路。

对于在用户侧进行削峰填谷建设的储能系统，可以通过接入电网调度平台，或者多个分散的储能系统通过代理以集群方式接入调度平台，提供调频、调压、深度调峰等辅助服务市场。一旦其市场地位确认后，储能系统运营商可以通过约定好的结算方式获得收益。工商业用户建设的削峰填谷储能电站，还可以为重要负荷提高供电可靠性，在电网停电后孤岛运行为负荷提供不间断供电，避免用户不间断电源(uninterruptable power system，UPS)重复投资。

当然，考虑多种应用综合下，如何实现储能系统的优化配置和运行管理，协调多种应用模式之间的关系，以及多种应用的计量、结算等，都是需要解决的重要问题。

3 运营模式探讨

尽管储能在电力系统中的潜在作用明显，但在进入规模化应用之前，还要确立储能的市场地位，无论从发电、电网还是用户角度看，合理的盈利模式是引导储能发展的关键，尤其是储能电池的成本目前仍然较高。

国内外在经历了储能技术的示范和验证阶段之后，纷纷加大力度对储能的市场定位和盈利模式进行研究和试点。由于国内外电力市场发展过程和表现形式不尽相同，对储能的定位也有较大区别，可以从发电侧、电网侧和用户侧分别分析。

3.1 发电侧

当发电侧参与电力市场竞价时，上网电价存在一定的波动范围，配置的储能在低电价时段充电在高电价时段放电，有可能给发电商带来一定的收益，同时可以避免常规发电机组频繁启停，以及长时间低功耗运行所带来的损失。储能能否获利取决于上述因素的综合影响。

我国发电侧一般采用标杆电价的方式，不存在上网电价峰谷差，因而理论上配置储能无法获利。随着可再生能源的快速发展，“三北”地区限电严重，尤其在火电机组需要以热定电方式运行的取暖季。配置储能可以将风电和光伏所限发的电量存起来，并在其他时段输送出去，从而减少限发损失。储能的收益相当于可再生能源的上网标杆电价，存在一定的盈利可能性，尤其是光伏电站。但这种应用方式的持续性存在风险，随着电网建设和负荷发展，可能会大幅缓解或消除限电问题，给储能投资者带来风险。

3.2 电网侧

储能在电网侧的作用主要是缓解输配电系统升级改造，以及主动参与调频调压等稳定控制等方面。输配电系统在应对负荷高峰时段或尖峰时段运行时需要投入大量的电力资产，但这部分资产的利用率很低，而且新建、扩建还要面临输电走廊、环境等多方面因素制约。配置储能可以减缓输配电系统的升级改造，其获利模式取决于输配电系统升级改造和储能系统建设与运维之间的成本对比。

储能系统参与电网调频调压，可以增加调频调压容量和控制灵活性，有利于调度运行和系统稳定。如果储能参与自动发电控制(automatic generation control，AGC)和自动电压控制(automatic voltage control，AVC)，可以参照常规发电机组，按照可调容量和累计运行时间获得收益。当然，由于储能具有响应速度快，爬坡能力强，可正反向调节等优点，可以加大储能电站的调频调压调用补贴。

3.3 用户侧

由于用电一般都存在峰谷电价或实时电价，通过储能实现用电负荷的转移存在盈利的可能性，也是目前储能最有可能推广应用的方式之一，而合理的电价结构对储能的盈利影响至关重要。

以美国萨克门托市SMUD为例，由于夏季高峰负荷给SMUD造成巨大冲击，高峰负荷可达 3 000 MW，其中的400 MW仅产生于每年的40 h之内。通过开展电价结构改革示范项目，SMUD共试验了2种电价体系，分别是分时电价(time of use, TOU)和尖峰电价(critical peak pricing, CPP)。

TOU：除节假日外，每天的下午04：00至07：00为高峰负荷时段，电费为0.27美元，在其他用电时段，用户在账单周期内所使用的前700 kW·h电量按照0.084 6美元计算，超出部分按照0.166 0美元计算。

CPP：1年之内选取并设定了12个尖峰负荷时段，此时段内用户需要承受0.75美元的电费，用户会在尖峰负荷开始前24 h收到通知。在其他用电时段，用户在前700 kW·h电量按照0.085 1美元计算，超出部分按照0.166 5美元计算。

在上述电价结构下，配置储能可以帮助用户实现电价高峰期用电量消减，从而减少电费支出，盈利能力取决于储能系统全寿命周期内度电成本与峰谷电价差的比较。据测算，本次电价结构改革有望帮助SMUD消减12%～25%的高峰负荷，在10年内节省5千万至1.15亿美元的电力扩容成本。

随着我国城市化的快速发展，昼夜电力需求的峰谷差有进一步拉大的趋势。在目前的电价体系下，工业用户有投资建设储能系统的潜力。但与实施实时电价的国家或地区相比，我国工业用电峰谷电价差大多为2～3倍，对用户或社会资本还不具有足够的吸引力。以当前度电成本最低的铅碳电池储能系统为例，按全寿命周期内度电成本0.75元计，在没有补贴的情况下，大工业用户投资回收期在6年以上，普通工业用户也要5年。考虑到储能系统占地、占夜间用电容量、投资运营商与用户关系等其他因素，进一步影响了投资者和用户的意向。但是，如果峰谷电价差能够进一步拉大，储能系统成本进一步降低，国家对储能系统实施适当补贴，考虑用户容量电费的降低，储能系统可以参与电力辅助服务获得额外收益，都会为储能系统打开盈利空间。

4 储能发展的建议

储能是电力系统安全、可靠、经济、高效运行的关键环节之一，也是未来能源互联网的重要基石。除了储能及其系统技术需要继续发展成熟外，有效的运营模式、市场机制和政策支撑也是至关重要的。建议加大对基础材料和核心技术的支持力度，形成核心竞争力；出台储能配套政策，形成储能应用市场的良性发展机制；整合上下游产业和应用市场，推动储能技术快速发展；鼓励多种储能技术竞争与多元化发展。

(1)储能应用技术。储能系统运行环境、运行管理过程对其性能表现有决定性作用。在前期一系列示范项目的基础上，加大对储能系统运行管理技术的完善和优化，消除影响储能电池性能的负面影响，为规模化应用奠定基础。

(2)储能发展模式。探索并实践储能在电力系统和能源互联网中的多种应用发展模式，包括储能协助可再生能源消纳、参与需求侧响应和多种辅助服务、与其他分布式能源相结合形成虚拟发电厂等。分析不同应用下储能系统的技术经济性，形成相应的评估模型。

(3)储能市场机制。探索适宜储能发展的电价结构、政策环境，包括储能不同应用模式下的补贴方式及其退出机制，储能参与多种电力辅助服务的收益及其结算方式，多元化投资主体及金融环境。

5 结 论

可再生能源规模化接入与消纳、电力系统安全稳定和经济高效运行，以及未来能源互联网的建设，都将储能作为重要基石。除了抽水蓄能之外，各种新型储能技术如何进入电力系统和电力市场，是其可持续发展的关键。本文以电池类储能为主，分析了分布式或集中式储能在电力系统调峰、调频、调压，以及电能质量治理和供电可靠性提高等方面的作用。从目前的电价结构和政策机制看，储能在发电侧可以与可再生能源结合提高消纳能力，在电网侧可以参与削峰填谷减缓输配电系统升级改造压力，在用户侧可以参与需求响应减少用电费用，具有推广应用的条件。当然，储能电池的技术进步及其在系统应用中的优化，探索并培育良好的储能应用发展模式以及形成合理高效的市场机制，是需要进一步研究并实践的重要问题。

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(编辑 张小飞)

Applications and Marketing Mode of Energy Storages in Power System

TANG Xisheng

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

With the rapid development of renewable energy and the oncoming energy internet, the importance of energy storage in the whole energy power system is becoming more and more prominent. Energy storage technology, which is becoming more mature, basically has the promotion and application condition. According to the demands of power system, this paper analyzes the functions of energy storage in the peak-shaving, frequency regulation, voltage regulation of power system, power quality and reliability improvement, and their integration. Then, this paper analyzes the marketing modes of energy storage system based on different electricity price structures from generation, utility grid and demand side respectively. Finally, this paper proposes some suggestions on the development of energy storage from aspects of the application technology, development mode and market mechanism: (1) it should strengthen the support for the base material and the core technology to form the core competitiveness; (2) it should establish the energy storage supporting policies and form the favorable development mechanism for the application market of energy storage; (3) the upstream and downstream industries and the application marker should be integrated to promote the rapid development of energy storage technology; (4) it should encourage the competition and diversified development of multiple energy storage technologies.

energy storage; power system; profit mode; renewable energy; energy internet

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA052002)

TM 912

A

1000-7229(2016)08-0002-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.001

2016-04-22

唐西胜(1975)，男，博士，研究员，主要研究方向为电力系统稳定与控制、储能与电网应用技术等。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA052002)