用户侧储能效益分析与经济运行研究综述

余苏敏，苏浩，方陈，桂强，周云，冯冬涵

（1.上海交通大学 电气工程系 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海200240；2.国网上海电力公司 电力科学研究院，上海200437）

0 引言

电力储能技术是促进新能源消纳的重要手段，在实现电力行业碳减排、促进能源转型方面发挥着关键作用。目前，储能已被广泛部署于电力系统发、输、配、用的各个环节。在电源侧，储能的应用主要集中在协调并网发电机组出力，包括辅助传统发电机组调峰和自动发电控制、平滑新能源出力波动、跟踪计划曲线等；在电网侧，储能系统是提升电网可靠性、稳定性的重要设备，主要参与负荷峰谷、电网频率、电压调节，潮流分布优化，并在紧急情况下提供功率支撑；在用户侧，储能系统承担着电网故障下的后备电源角色。然而，随着供电可靠性的提升、储能成本的下降以及聚合商模式的出现，用户侧储能的应用场景逐渐扩展至分时电价套利、需量管理、提供电网辅助服务等方面。

目前，部分研究已对储能在平滑新能源出力波动［1］、辅助并网［2］、参与调频［3］、缓解调峰压力［4］等方面的应用进行了细致而充分的总结。然而，上述文献大多聚焦于储能在源网侧的运行研究，对用户侧储能涉及较少。由于配置主体、配置环境、商业模式等方面的不同，用户侧储能表现出了与发电、电网侧储能较大的差异。首先，配置储能所带来的利益回报是关系用户安装储能积极性的重要因素，在价格政策及市场环境下，用户侧储能的应用场景选择、效益分析就显得尤为重要；其次，电力储能（如电化学储能）在运行过程中会产生设备老化，其寿命折损成本的精细表征直接影响着用户配置储能的经济效益；此外，因应用场景的差异，用户侧储能的运行优化问题呈现出一些新的边界条件（如最大需量），其运行策略并不能与源网侧储能一概而论。

随着户用光伏和电动汽车的逐渐普及，全球用户侧储能产业呈现出一片欣欣向荣的景象。根据国际能源署最新的统计数据［5］，近5年全球用户侧储能新增装机容量5.2 GW，自2017年以来，连续多年保持年均1.5 GW的高速增长，增长速度已超过电网侧储能的增长速度。作为用户侧储能的主要形式，预计到2030年，用户侧电池系统将占据电池储能系统总容量的60%~64%［6］。另一方面，近年来世界范围内多起因极端气候导致的供电故障也加深了用户配置自用储能的意愿。2021年2月，因多日严寒天气，被称为美国“能源心脏”的得克萨斯州发生重大停电事故，部分地区电价比平日高出300倍左右。光伏储能系统及电动汽车为帮助部分用户度过此次危机发挥了重要支撑作用。

基于上述背景，本文将从电池储能的寿命折损成本建模出发，分析世界范围内用户侧储能的应用场景以及运行效益，并在此基础上梳理各应用场景下用户侧储能优化运行的研究成果及实际案例。通过总结用户侧储能的商业价值，提出相关问题的研究建议，并对未来用户侧储能的发展进行展望。

1 电池储能寿命成本建模

1.1 电池老化与寿命折损成本

电池老化指随着电池储能系统的运行，电极与电池内部将发生不可逆的化学反应，从而引起电池能量容量的下降。当电池能量容量下降至某一水平时，电池达到退役条件需要更换，认为此时电池寿命衰减至0。电池的运行成本一般以该运行时段电池寿命衰减程度来等效计算，因此又被称为寿命折损成本。

电池老化一般包括日历老化和循环老化。日历老化表达了不以运行与否为转移的时间流逝对电池寿命的影响，一般认为其与环境温度、放置时间、平均荷电状态（state of charge，SOC）有关，在当前储能系统的运行优化研究中一般将其忽略或作为常数处理［7］。循环老化揭示了电池的日常充放电行为对电池寿命的影响，也是当前电池储能系统成本分析与运行优化的关键。本文将重点归纳电池储能循环寿命衰减方面的研究成果。

1.2 电池循环寿命衰减

电池的循环老化与运行温度、电流（功率）大小、放电深度（depth of discharge，DOD）、充放电起始SOC有关。文献［8］和文献［9］分别通过限制电池储能运行时的SOC范围、充放电循环次数来达到在实际运行中计及循环老化、延长电池使用寿命的目的。但是该类方法并未对储能寿命折损成本进行测算，因而无法充分发挥储能系统的效益最优性［7］。为了量化电池储能的循环寿命折损，当前业界的建模方法可大致归纳为以下方面。

1.2.1 基于实验的电池寿命损耗建模

部分研究采用现代物理测试技术和电化学检测手段实测电池的寿命损耗程度，通过锂电池短期老化试验等试验手段，基于数据和模型分析不同影响因素对电池寿命的影响。文献［10］通过电化学检测-计算机模拟联合建立电池的寿命模型，建立容量衰减随循环次数、环境温度、放电倍率以及充放电深度的幂函数模型。文献［11］以容量衰减程度表征储能寿命损耗，通过对电池容量衰减化学实验对比以及机理分析，研究了充放电电流、DOD、终止电压、内阻以及过电压对容量衰减的影响，建立储能寿命损耗模型。文献［12］建立了基于容量衰减机理分解分析的电池寿命预测模型，通过研究电池平衡电位方程，并基于老化实验进行衰减预测拟合，最终确定电池的寿命预测模型。

1.2.2 基于疲劳分析的电池寿命损耗建模

部分研究采用在材料疲劳寿命计算中广泛使用的雨流计数法计算储能寿命损耗。该方法将SOC变化曲线分解为等效的全循环或半循环的充放电深度统计累积循环次数，再基于储能电池的寿命循环次数与储能充放电深度关系曲线，确定各DOD的衰减系数，最终评估寿命衰减情况。然而，由于储能SOC一般为待优化变量，因此雨流计数法属于后验的评估算法，难以嵌入优化过程之中［13］。文献［14］提出一种改进的在线雨流计数法，同时考虑到储能SOC以及电流对寿命的影响，将储能寿命损耗计算时间控制在15 ms以内，但该方法仍未脱离后验评估算法的范畴。

1.2.3 基于总吞吐电量的电池寿命损耗建模

储能的总吞吐电量可以表示为储能额定电量、充放电循环次数与DOD乘积的2倍［15］。文献［16］近似认为储能生命周期内的总吞吐量是一个固定值，将储能的配置成本除以不同DOD下的平均总吞吐量，确定单位电量储能损耗成本。文献［17］不再以固定的度电成本量化损耗成本，而是考虑了DOD与度电成本的动态关系，并将储能损耗项作为目标函数优化储能运行策略。

1.2.4 考虑多种因素影响的电池寿命损耗建模

目前考虑多种因素影响的储能寿命损耗的建模方法包括后验的评估模型和可嵌入优化的计算模型。区别于雨流计数法等后验式寿命损耗模型，考虑多种因素的复杂电池寿命损耗模型可嵌入优化中。文献［18］综合考虑了充电起始SOC、终止SOC、充放电功率等因素建立储能的寿命损耗模型，但该方法建立的模型复杂度较高。文献［19］通过求解原函数的思路叠加，考虑了放电深度、SOC对电池寿命损耗的影响，并对其进行了分段线性化处理，在储能的实时调度方面取得了良好的效果。

2 用户侧储能多收益流分析

降低用户的用电成本是用户侧储能推广和发展的主要驱动因素。围绕用户侧储能的资本回收与盈利模式，学术界和工业界进行了一定程度的探索。

2.1 分时套利

分时电价是一种用电价格随时间、季节和日期类型（工作日或节假日）而变化的费率计划。基于这一费率计划，在电价低谷时充电、电价高峰时放电的分时套利成为用户侧储能的基本盈利手段。文献［20］以纽约州分时电价模型为例，评估了该州各地区配置储能用于套利的经济性。特别地，对于集成了户用光伏的家庭用户，其储能充电成本因廉价的光伏电力而得到进一步降低，有利于减少用户电价高峰期的用电电费。此外，美国、日本等国家相继推出了电力反馈计划，允许用户将过剩的电力馈入电网，势必将进一步扩大分时套利的盈利前景。

在分时套利模式中，峰谷价差和储能的寿命折损成本是能否盈利的关键。文献［21］通过比较储能系统全生命周期度电成本与等效电价差，给出了用户侧储能参与分时套利的经济性判据。文献［22］指出，在当前电池储能的技术成本及运行效率下，单靠分时套利很难确保能收回储能的投资成本。

2.2 基本电费削减

对于大型工商业用户，一般采用两部制电价征收电费，包括根据用户实际用电电量核算的电度电费以及按照用户用电容量计算的基本电费。基本电费一般定价较高，以上海为例，按照变压器容量和月度最大需量结算的基本电价，分别约为平均电度价格的46倍和70倍［23］。因此，虽然仅根据“用户最大容量（需量）×电价”一次性收取，但基本电费仍占据了工商业用户用电成本的30%~70%［24］。巨大的成本削减空间为用户侧储能提供了新的应用场景。文献［25］指出，利用储能削减用户的最大负荷可以带来20%的电费节省。

2.3 电网服务

分时套利和基本电费削减为储能系统在用户自身提供成本节约服务方面的应用。当户用储能系统的配置或聚合容量达到一定水平时，用户可以进一步利用其参与电网辅助服务（如调频、旋转备用、需求响应等）以获取经济收益。文献［26］开展了用户侧储能设备参与电网辅助服务的技术经济性分析。文献［27］比较了当前不同储能技术提供电网服务的性能表现，指出锂离子电池的巨大技术优势。由于储能的快速响应特性，储能参与电网频率调节被认为是最有前景的服务类型之一［28］。文献［29］以广义储能（楼宇负荷和电池储能）为基础，阐释了参与调频收益优于充当旋转备用的运行机理。此外，国内外对用户侧储能提供多种用户、电网服务的盈利模式和最优搭配也展开了有益探索［30—31］。值得说明的是，参与电网调频始终是上述研究中用户侧储能运行效益最佳的运行场景。

3 用户侧储能经济运行策略

用户侧储能的最优运行，关系着用户的投资回收年限和经济效益。结合具体的应用场景，对其的研究可分为单一场景下用户侧储能运行优化和考虑多场景的联合优化。

3.1 单一场景运行优化

分时套利是用户侧储能应用最广泛的场景。文献［32］固定了住宅电池储能的充放电功率，对充放电时间进行了优化。文献［33］提出了一个基于分时电价、住宅负荷、储能容量的运行规则，通过逻辑条件判断来设定储能各时段的充放电功率。在用户需量管理方面，设定需量阈值、利用储能放电对用户负荷进行平抑是用户侧储能运行的基本思路［34］。部分研究将需量电费显性地融入用户的日电费最小化函数［35］，然而，需量电费一般以月为单位收取，该方法忽视了各日最大需量的耦合影响。文献［36］创新性地将动态规划引入用户月度需量电费的最优性模型，取得了明显的优化效果。文献［37］提出了基于调节自由度的运行策略以使服务提供商在响应频率控制信号的同时适当补充电池电量。此外，学术界在利用用户侧储能缓解线路潮流阻塞［38］、参与电压调节［39］等方面的研究也取得了积极进展。

3.2 多场景联合优化

近年来，为了最大化用户的投资收益，用户侧储能的多场景联合运行优化逐渐受到学术界和工业界的普遍关注。计及多种收益流的储能经济运行有利于充分发挥储能在各自场景的盈利潜力，甚至产生1+1>2的收入聚合效应［16］。

将储能系统分组，使不同组别的储能承担不同的功能，是实现储能系统同时参与多种盈利模式的有效手段。此外，考虑到时段解耦，在不同时段运行储能可承担不同的功能［40］。上述拆分思路均在一定意义上忽略了多场景运行的相互影响，有利于简化问题建模。然而，大多研究选择从多场景、多时段耦合角度出发，构建统一的储能综合经济运行模型。文献［30］以德国电力市场为例，提出了一种用户侧储能同时参与调频和削减用户峰值负荷的调度策略，将累计最大需量作为各日状态变量，计及了月度需量电费的影响。文献［41］建立了基于动态规划的储能运行嵌套模型，通过不同优化时域的子模型层层深入，解决了参与调频和电价套利时间尺度不一的问题。文献［42］提出了融合分时套利、需量管理和电网调频的两阶段优化模型，在日前阶段对目标日的调频申报容量、最大需量阈值以及储能最优SOC轨迹进行决策，在日内阶段实时调度储能出力，尽可能跟踪日前轨迹并保证峰值负荷不越限。

4 国内外应用案例

当前，用户侧储能已经进入实际应用阶段。美国、澳大利亚等储能产业领先国家在居民住宅、工商业用户储能系统方面发展较快。在国内，受限于居住空间条件，居民住宅储能系统部署较少，故用户侧储能项目多集中在工商业用户。国内外部分用户侧储能典型案例如表1所示。

表1 国内外用户侧储能典型案例Table 1 Typical cases of domestic and foreign user side energy storage

表1所列案例中，美国旧金山Stem储能项目以租赁模式将储能提供给自有分布式光伏的企业，使用户以低成本享有储能使用权，提高光伏利用率，有效降低企业的需量电费；墨西哥ON Energy Storage项目运营的用户侧电池储能系统可向电网提供频率调节服务；无锡星洲工业园储能项目通过谷电峰用，可有效降低工业园区变压器负载率，延缓变压器增容速度，同时参与电网临时性调峰需求响应；福建和意农业储能项目在承担削峰填谷作用的同时，兼作用户侧应急电源。

总体而言，随着电池成本的下降、户用光伏的兴起和电动汽车的推广，用户侧储能在全球范围内展现出了良好的发展势头。然而，当前用户侧储能的商业机制发展略显滞后，应用场景较为单一，特别是在国内市场，目前投入运行的用户侧储能项目多集中在发挥削峰填谷、分时套利的作用上，在提供电网服务方面仍有较大发展空间。

5 结论与展望

本文对用户侧储能的效益分析和经济运行研究进行了系统性梳理，对用户侧储能的寿命折损成本建模、多元收益流盈利模式、多应用场景联合优化、实际典型案例等方面进行了介绍。

为实现用户侧储能的商业化发展前景，还有许多方向需要继续深入研究，包括：

（1）用户侧储能寿命-效率精细化建模。基于运行电气量的电池寿命折损成本建模思路已被学术界广泛采用，然而目前研究多聚焦于建模电池成本与某一影响因素的关系，很少研究综合考虑电流大小、放电深度、SOC状态、循环次数的储能寿命折损。此外，除成本建模外，电池储能系统的运行效率建模也是影响用户侧储能运行成本的重要方面。

（2）用户侧储能商业模式研究。单一用户往往储能配置容量较小，可参与的应用场景受限。在能源互联网背景下，发挥多用户聚合效应、多主体共享机制的互补优势将有利于用户侧储能降本增效，并提高用户收益。探索建立新型运营机制将有望成为用户侧储能领域新的研究点。

（3）新型“机制-场景”下用户侧储能运行优化。用户侧储能的优化调度是其经济运行的核心，在未来新的商业运营机制背景下，发挥用户侧储能在需量管理、电网调频等提供用户、电网服务的优势并合理规划用户充放电行为，将成为决定用户投资收益的关键。