移动储能在提升中压配电网供电可靠性中的应用

2020-01-09黄新罗敏江辉

云南电力技术 2019年6期

黄新，罗敏，江辉

(1.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南丽江 674100；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州 510080)

0 前言

根据中电联发布的全国用户供电可靠性数据[1]，2016 年我国城市平均停电时间为5.20 时/户，农村平均停电时间为21.23 时/户，其中故障平均停电时间分别为1.74 小时和7.98 小时，预安排平均停电时间为3.46 小时和13.5 小时。预安排停电时间高于故障停电时间；农村停电时间远高于城市停电时间。

预安排停电是指预先已作出安排，或在6小时前得到调度批准（或按供电合同要求的时间）并通知主要用户的停电。包括计划停电、临时停电和限电。不同于故障停电的突发和不可预测性，预安排停电可以有针对性的做出负荷调整、转移等措施，最大限度的缩小停电范围。但从平均停电时间看，预安排停电时间仍远高于故障停电时间。这一方面是受到近几年我国对配电网的大规模升级改造工作的影响，施工停电增加；另一方面是因为除中心城区外，大部分的配电网仍为辐射型供电，不具备通过联络线转供电的条件，前端线路施工造成后端线路配合停电，扩大了停电范围。

因此，如果能缩短预安排停电时间将能有效缩短用户平均停电时间。但由于辐射型线路本身不具备转供电的条件，现阶段都只能采用后端线路陪停的方式施工，极大影响了供电可靠性，如何给线路施工段后端的线路供电就成了亟待解决的问题。考虑到分段施工的短时性和随机性，可采取使用应急电源车对线路施工段后端的线路进行临时供电的方式来缩小停电范围，提高可靠性。

目前应急电源车有柴油发电、锂电池储能、铅酸电池储能、飞轮储能、超级电容器等[2]，主要应用在380 V 低压配电网的重要场所的保供电和应急供电。柴油车发电车前期投入较低，使用成本高，可较长时间供电；锂电池储能前期投入高，使用成本低，自身损耗低，可在低谷时段充电，在需要的场合放电，持续时间在小时级；铅酸电池前期成本低，也可在低谷时间充电，但使用寿命较短，能量密度低，移动应用时容量较低；飞轮储能和超级电容器储能前期投入高，使用成本低，但能量密度不够，只在秒级或分钟级场合应用，一般配合其他供电方式使用。

表1 各类型储能方式与柴油发电对比

综合来看，柴油发电、锂电池储能除了在保供电场合提供应急电源的功能以外，具备在配电网作业或故障时承担临时供电的能力。柴油发电成本主要受柴油价格影响，基本没有下降空间。电池成本随着电动汽车产业的发展，能量密度逐步上升，电池成本不断下降，将电池储能用于应急供电，提高供电可靠性具有较好的前景[3]。但380 V 供电系统范围小，用户少，要将应用规模扩大就必须提高10 kV 电压等级以扩大供电范围。以现有的技术水平，要在重负荷地区实现全线的临时供电仍不能实现，但在负荷较轻的区域，移动储能的容量已能满足需求。

1 移动储能在配电网中的应用

1.1 储能产业现状

2017 年我国储能产业装机如图1 所示，抽水蓄能占98%以上，年增长率6.7%；其次为化学储能占1.3%，但增长率高达45%。化学储能中以锂离子电池和铅酸电池占比较高，铅酸电池技术成熟，成本较低，应用时间较长，占比36%；锂离子电池得益于电动汽车产业的蓬勃发展，占比58%，且呈急速上升的趋势，预计2025 年前复合增长率都将保持在40%以上[4]。

图1 2017年中国储能累计装机分布图

1.2 锂电池储能技术

锂电池技术长足发展，循环寿命、充放电性能大幅提升，而电池成本也降低至1.6 元/Wh[5]。随着电动汽车规模不断扩大，锂离子电池成本还有下降的空间。与电网规模相比，电池储能的能量密度仍显不够，不能大范围临时供电，但已具备小范围临时代供的能力，随着电池产业的发展，电池容量不断提高，单价下降，移动储能的供电能力会不断提高。

1.3 电池储能应急供电的原理

电池储能系统原理如图2 所示，由储能系统、能量转换系统(PCS) 和配电网络组成，充电时由配电网络提供电源向电池充电，工作时电池放电供给配电网络中的负载。PCS 起到桥梁的作用，将能量在交流和直流之间相互转换，电池起到蓄水池的作用，将多余的电量储存起来在缺少电能时放出。将上面的系统安装在汽车上就形成了移动储能应急供电车，可提前将电池充满电，然后在需要的地方将电池中的电能放出提供应急供电。优点是效率高、使用成本低，缺点是供电能力受电池容量影响，现阶段电池能量密度总体不高的情况下，不能长时间供电。

图2 电池储能系统示意图

2 可行性分析

2.1 移动储能容量需求

图3、图4 是2017 年丽江地区10 kV 线路的平均负荷情况。线路负荷总体较轻，线路间负荷差异大，轻负荷线路较多，平均负荷小于250 kW 的线路占了33%，250 kW-500 kW 的线路占了16%，500 kW-1000 kW 的线路占了18%，如果具备500 kW 的移动供电能力，即能解决49%线路的全线临时供电问题，而如果具备1000 kW 的移动供电能力，将能解决67%的全线临时供电。

图3 2017年丽江地区10 kV线路平均负荷情况

图4 10 kV线路负荷分布情况

2.2 移动储能数量需求

统计本地区2017 年全年的10 kV 线路停电作业，如图5 所示，2017 年全年停电作业数量1540 项。剔除其中电源搭接、线路末端、支线作业等不具备或不需要代供的作业，全年可代供作业共计437 项，占作业总数的28.4%，可代供作业频次分布见下图。由图6 可见，每天可代供的停电作业数量基本都在4 次以下，1-2次作业的天数占比71.5%。加上该作业计划未考虑移动储能的代供条件，实际应用时可将部分计划时间进行调整，故配置2 套移动储能系统应能满足绝大部分的代供需求。

图5 2017年全年10 kV停电作业分布图

图6 2017年具备应急供电条件的作业数量分布

2.3 理论效果分析

辐射型线路因为只有单电源，后端线路和分支线路存在陪停的现象。为提高供电可靠性，辐射式接线一般采用分段的方式来减少后端线路工作对前端线路的影响[6-7]，而前端线路的工作则不可避免的会影响到后端线路的供电。越接近电源点，影响的范围越大。

考虑辐射型供电线路在不同负荷潮流、不同故障点时移动储能对供电可靠性时的影响，假设线路负荷均匀分布。移动储能的对线路供电可靠性的影响见图7。当移动储能的容量达到或接近线路负荷时，储能的代供效果较好；当储能容量与线路负荷差别较大时，代供效果较差。

图7 不同容量储能对线路供电可靠性的影响

以2 辆移动储能车和该地区2017 年停电作业线路的实际功率为基础，考虑停电作业按现有分布和按优化分布两种情况，分析不同容量的移动储能对供电可靠性的影响。

AIHC-1'为考虑移动储能后的客户平均停电时间；

TS为每次停电持续时间；

nS为每次停电客户数；

TR为使用移动储能后每次可减少的停电时间；

nR为使用移动储能后每次可减少的停电客户数；

m2为可代供线路在停电作业线路中的占比（配置2 辆移动储能车时）。

不同容量移动储能对用户停电时间的影响如图8 所示。移动储能可明显缩短用户停电时间，尤其是优化停电作业分布后，能最大程度的发挥储能的作用，缩短客户停电时间，提供供电可靠性。

图8 不同容量移动储能在作业优化前后的效果对比

2.4 移动储能应用的经济性分析

考虑设备成本、运行费用、维护费用、设备可用率、能量效率等因素，分别计算柴油发电和电池储能的平准化度电成本(LCOE)[8]。

IC0为初始投资成本；

OCn为第n 年的运行成本；

MCn为第n 年的运行成本；

Enout为第n 年储能电站放电量；

η为能量效率；

i为贴现率；

p为充电电价；

N为设备使用寿命。

通过平准化度电成本计算，柴油发电初期成本较低，但使用成本较高；电池储能起始阶段度电成本较高，为柴油发电的2 倍以上，主要是因为电池储能设备成本较高。规模化应用后使用成本大大高于电池储能。通过平准化度电成本计算，电池储能成本将在8 年时与柴油发电成本相当，后期成本将略低于柴油发电，见图9。但两者的度电成本都在2 元以上，仍远高于平均售电电价，需供电企业提供资金支持。

图9 电池储能与柴油发电度电成本对比

随着电动汽车和电池产业的发展，电池成本不断下降，其他配套设备成本随着行业的发展和需求量的增加，也有较大的降价空间，电池储能的度电成本较柴油发电将更有优势。结合该地区的实际停电时间和移动储能的成本投入，可得图10。可见在500 kW-1000 kW 的移动储能能力后，减少的用户平均停电时间与投入之间达到最优。

图10 不同容量电池储能的成本与效益对比

3 移动储能应用现状及发展方向

现阶段电池的能量密度仍不能满足大功率应用场合的需求，受制于电池的体积、重量，40 英尺集装箱的电池容量一般不高于1000 kWh，考虑放电电流不宜过大影响电池寿命，PCS 功率不宜大于1000 kW，故还不能应用在重负荷的线路。特殊情况下可通过分段的方式，采用多套移动储能供电。同时可考虑PCS 设备与储能电池车分别布置，PCS 车应具备同时接入两台电池车或在两台电池车之间进行切换的能力，这样能大大提高移动储能的供电能力。

在移动储能的电压等级提高到10 kV 后，必须配置完善的继电保护来实现故障切除、接地选线等功能，配套的电流、电压互感器、断路器也必须同步升级，这会增加设备成本。为尽量缩短停电时间，移动储能系统应具备不停电接入、退出供电网络的能力，这会对配网的继电保护产生影响，现在这方面的研究还不多，也没有足够的运行数据来判断其影响。