吉林省农网移动储能技术路线及实施方案研究

于温方 阚中盛 时雨 辛昊阔 李昊

(国网吉林经研院，吉林 长春 130000)

引言

随着材料技术的创新和新能源发电规模的不断扩大，以电化学储能为主的新型储能技术得到了快速发展。电化学储能具有响应速度快、发用电时移特性显著等优点，有利于电网调节。移动式储能作为电化学储能的创新应用形式，更具有空间可变的特点，对于临时性、周期性优化局部电网供需平衡具有重要作用。近年来，国内外围绕移动式电化学储能开展了较为深入的研究和探索应用。李建林等[1]梳理了移动式储能技术研究路线，对比了不同类型储能系统的技术指标，总结了现有移动式储能系统智能调度技术。张璐等[2]、王钰山等[3]结合台风灾害对于配电网的影响，建立了移动储能的优化配置策略；其中，张璐等[2]建立了考虑台风与暴雨的数据-机理联合驱动的台风下配电网故障率模型，以移动储能容量为决策变量，构建配电网经济性和恢复力均衡模型；王钰山等[3]基于线路故障时空特性概率矩阵确定脆弱线路，提出了利用鲁棒优化寻找概率场景下移动储能最优配置与运行策略。李建林等[4]、李永刚等[5]针对移动式储能的调度控制开展了总结和创新研究；其中，李永刚等[5]建立了包含配电网负荷峰谷差、新能源利用率、配电网运行成本的多目标模型，利用改进蝙蝠算法求解得到多类型移动储能协同调度策略。宫川等[6]以经济效益最大为目标，利用改进遗传算法分析了移动储能的经济效益。黄博文等[7-9]创新打造移动储能车，用于用户侧应急备用供电、电能质量治理等场景。综上，国内外针对移动式储能开展了一系列研究，然而相关研究侧重于调度控制和配电网状态改善，较少涉及农村电网应用场景，对于农网应用移动储能的必要性和可行性论证较少。

1 吉林省农网移动储能应用基础分析

1.1 不同类型电池技术特性分析

目前技术上相对成熟的电池类型主要包括磷酸铁锂电池、钠离子电池、钛酸锂电池和铅酸(炭)电池，各电池类型的参数性能对比如表1所示。

1.1.1 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。

1.1.2 钠离子电池

钠离子电池是一种二次电池(充电电池)，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种经济的替代品。

1.1.3 钛酸锂电池

钛酸锂电池是一种用钛酸锂作为电池负极材料的锂电池。由于钛酸锂具有高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，具备较广阔的应用前景。

1.1.4 铅酸(炭)电池

铅酸(炭)电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。而铅炭电池是一种电容型铅酸电池，从传统的铅酸电池演进而来。铅炭电池具有与传统铅酸电池相近的低廉价格优势及成熟的工业制造基础，应用广泛。

1.2 农村电网应用移动储能的必要性分析

近年来，随着乡村振兴事业的稳步推进，农业农村电能替代规模得到了显著提升，分布式光伏、农村综合能源逐渐由城市向乡村延伸。然而，农村电网具有网架薄弱、季节性强、智能化水平低等缺点，农村电网存在应用移动式储能的必要性，具体表现为以下3方面。

表1 不同类型电池参数性能对比[10]

1.2.1 需要应对负荷急剧升高的情形

农村电网一般较为薄弱，在季节性、节假日负荷急剧升高的情形下，往往会引起供需紧张的问题。然而，采用传统的配电扩容建设模式，会增加不必要的固定资产投资，降低社会经济效益；在负荷率较低时，增加电力损耗，有悖于节能降耗的能源发展趋势。

1.2.2 需要优化农村电网运行状态

相较于城镇电网，农村电网的供电可靠率相对较低，难以有效应对突发停电、保证用户持续可靠供电。同时，由于农村电网线路普遍较长、用电负荷不集中，电能质量、三相不平衡、电压合格率等问题突出。存在提高电能质量，灵活性应对突发停电的电力供应需求。

1.2.3 需要适应乡村绿色电气化发展

农村具有可利用土地多、建设成本低等优点，近年来，以农村电网为载体的分布式光伏和综合能源项目规模得到了快速增长。随着可再生能源和节能降耗设备的进一步推广应用，农村电网的自给自足能力、节能降耗水平、清洁能源渗透率等相关指标存在进一步提升的需求。

1.3 实施农网移动储能的比较优势

1.3.1 吉林电网服务“井井通电”建设情况

近年来，吉林省农机装备总量持续增长，农机作业水平快速提高。农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力，进入了机械化为主导的新阶段。吉林省全省有效灌溉面积2020年为1934.1千hm2，其中，机电灌溉面积1236.2千hm2。为服务农田排灌需求，已有9.3万眼柴油机井完成通电改造，42.92万hm2农田灌溉模式发生改变，受益人群遍布吉林省白城、松原、四平、长春4个地区17个县(市、区)的1681个行政村，59.27万户农民不再为浇地用水发愁，告别靠天吃饭的日子。

自吉林省西部地区推广膜下滴灌技术以后，原有的柴油机井暴露出了动力不稳等问题，灌溉机井“柴改电”需求日益凸显。据相关数据显示，2016年以来，吉林省“井井通电”工程共新建及改造66kV变电站36座，66kV线路420km，新增变电容量160.9MVA；新建及改造10kV线路18305.66km，新增配电变压器19098台；新建0.4kV线路26999km，总计新增配电容量151.94万kVA，工程总投资52.93亿元[11]。

按相关数据测算，预计仍有15万眼以上的电机井推广空间，而采取以往“井井通电”建设模式，投资规模将超过80亿元。而传统模式下的增容改造，仅仅缓解了生产用电负荷高峰问题，没有实质性推动农村电网向智能化、低损耗方向发展。

1.3.2 农村电网应用移动储能的可行性分析

随着电网接入新能源发电的占比不断增高，电力系统的稳定性、可靠性将面临挑战。动力电池随着新能源汽车产业的快速发展，其功率密度和能量密度得到了显著提升，面向电力系统应用的电化学储能技术性能和经济效益均得到了较大进步。目前，多地电力公司已经开始研发或使用移动式储能设备并投入使用。移动储能可将电力生产和消费在时间上进行解耦，使传统实时平衡的“刚性”电力系统变得“柔性”，从而解决新能源发电和负荷用电时空不匹配的问题，助力新能源消纳。

将农村电网与移动储能进行有机融合，可以探索形成“农忙电力赋能”、“农闲分布式储能”的可行方案，其示意图如图1所示。

图1 电动农机与分布式储能综合应用示意图

农忙电力赋能。为减少不必要的配电增容，将移动储能应用于农业生产或周期性用电高峰时期，可以探索打造具有统一标准的农机电池箱，通过灵活性拆卸，实现动力电池赋能不同类型的农业机械；还可以探索形成可移动的储能系统，满足多种农业生产场景，如机井灌溉、农产品加工制作等。

农闲分布式储能。在非用电高峰时期，可以充分利用移动储能的功率控制和能量搬移功能，以及调度响应快、配置灵活、控制精准、环境友好等特点，使其高效参与电网调峰、调频等辅助服务。通过分布式储能消纳富余可再生能源出力，以“低充高发”降低电网负荷峰谷差，提高农村电网电力调节的灵活性，提升移动储能经济效益。

2 吉林省农网移动储能技术路线及商业模式分析

2.1 基于“循环利用”的农网移动储能技术路线分析

农网移动储能可分为农闲和农忙2个时期。在农闲时期，电池全部应用于分布式储能站进行集中充放电。在农忙时期，电池放置于农机设施的标准化电池箱中，由用户自行充电。储能系统的收益来源分为农业应用与储能2部分，农闲时分布式储能通过在购售电价差等模式获得收益,在农忙时同样按购售电价差利润对农业用户收取服务费。

2.2 农网移动储能多方案经济性对比

经过对市场上常见的几种动力电池进行综合分析，对磷酸铁锂电池、钠离子电池、钛酸锂电池、铅酸(炭)电池等多种电池应用于储能及农网移动储能方案开展经济测算。测算中以储能建设初始投资上下浮动与已了解到的电池充放电次数期望作为变量范围，得到在其寿命周期内可以收回成本的储能购售电价差。测算边界条件如表2所示。

表2 磷酸铁锂电池测算边界条件

2.2.1 磷酸铁锂电池方案

考虑该类型移动储能单位成本为2000元·kWh-1，理论充放电次数4000次，则可得到不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况如表3所示。磷酸铁锂储能存在2方面特征：在相同的初始投资下，理论充放电次数越高，项目经济效益越好，当磷酸铁锂电池的初始投资在2000元·kWh-1时，随着理论充放电次数的增加，为保证电池寿命周期内回收成本，购售电差需从0.838元·kWh-1水平逐渐降低至0.651元·kWh-1；在常规造价和充放电次数下，保证项目回收的购售电价差仍处于较高水平，当储能的初始投资在1600～2000元·kWh-1，全寿命周期内充放电次数在4000～3000次区间时，项目回收所需的购售电价差为0.494～0.838元·kWh-1，仍处于较高水平。

表3 不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况(磷酸铁锂)

2.2.2 钠离子电池方案

考虑该类型移动储能单位成本为1500元·kWh-1，理论充放电次数3000次，则可得到不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况如表4所示。钠离子储能虽然初始投资不高，但循环次数较低，从而导致2方面特征。钠离子储能的经济效益略优于磷酸铁锂。按照相关文献资料和网络报道，钠离子电芯相较于磷酸铁锂约降低20%～30%的购置成本，从而一定程度上降低了项目的初始投资；由于钠离子电池总充放电次数较低，在相同年充放电次数的条件下，钠离子电池的回收周期较短，项目收益率相对较高。钠离子储能的经济效益依赖于总充放电次数的提升。从当前钠离子储能技术来看，其总充电次数仍处于较低水平，即项目的初始投资在1200～1500元·kWh-1，全寿命周期内充放电次数在3000～2000次区间时，项目回收所需的购售电价差为0.432～0.846元·kWh-1，仍处于较高水平。随着电池性能和技术的进一步提升，以及钠离子电池总充放电次数的提高，相关项目的经济效益将显著提升。

2.2.3 钛酸锂电池方案

考虑该类型移动储能单位成本为8000元·kWh-1，理论充放电次数20000次，则可得到不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况如表5所示。钛酸锂储能虽然总充放电次数高，但由于初始投资较高，项目回收期较长，从而导致项目整体经济效益不佳。钛酸锂储能较高的初始投资是影响项目经济效益的关键。经过文献调研和厂家询价，钛酸锂储能的初始投资约为磷酸铁锂储能的5倍左右，而且钛矿资源相对紧缺，当前市场价格下降空间有限，总体导致项目的初始投资处于高位，经济效益较差；从当前测算边界来看，项目的初始投资在6400～8000元·kWh-1，全寿命周期内充放电次数在20000～15000次区间时，项目回收所需的购售电价差为0.788～1.150元·kWh-1。钛酸锂储能充放电次数的变化对项目收益影响不大。考虑到储能年充放电次数有限，以及钛酸锂储能具有总充放电次数较高的优势，但该优势仅有利于项目的运行时长，而考虑到资金折现等因素，远期的项目收益对项目整体经济效益影响不大，加之，钛酸锂储能初始投资过高，导致该类型储能充放电次数的变化对于项目收益影响不大。

表4 不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况(钠离子)

2.2.4 铅酸(炭)电池方案

考虑该类型移动储能单位成本为1000元·kWh-1，理论充放电次数1000次，则可得到不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况如表6所示。铅酸(炭)储能虽然初始投资不高，但由于总充放电次数过低，从而导致项目整体经济效益较差。从当前测算边界来看，项目的初始投资在800～1000元·kWh-1，全寿命周期内充放电次数在1000～800次区间时，项目回收所需的购售电价差为0.641～1.147元·kWh-1。相较于前述各类储能，铅酸(炭)储能的优势仅在于初始投资较低，但经济效益相对较差。

表5 不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况(钛酸锂)

表6 不同造价和总充放电次数下需保证的购售电价差情况(铅酸/炭)

2.2.5 小结

经过测算得知，以上4种电池选型中，钛酸锂电池所需的初始投资最高，其次是磷酸铁锂电池和钠离子电池，铅酸(炭)电池初始投资相对较低。从购售电价差要求看，要使得寿命期内收回投资，4种电池所需的购售电价差从低到高分别是钠离子电池、磷酸铁锂电池、铅酸(炭)电池，最后是钛酸锂电池。从安全性上看，磷酸铁锂与铅酸(炭)电池已有较为广泛的应用，但存在热失控、环境污染等问题，钛酸锂电池与钠离子电池作为新技术，虽然应用较少，但其安全性最好。需特别指出的是，由于钛酸锂电池标称充放电次数大，即预期寿命较长，如果通过融资租赁等手段降低其初始投资的压力，则该种电池类型将具有更为可观的应用前景。

表7 各类电池经济效益及安全性对比表

3 吉林省农网移动储能实施方案

目前，吉林省内农业生产电气化正处于研究开发阶段，在这个阶段，电能替代的应用将主要集中在社会关注度较高，降低能耗、减少碳排放需求突出的领域。由于围绕农网分布式储能应用，客户认知度不高，商业模式仍处于初步阶段。在此阶段，相应的市场需求难以自发形成，需要通过多方主体进行宣传、引导和补贴，共同激发相关产业发展潜能。

3.1 适宜推广的商业模式

可采用合同能源管理的模式与用户开展合作，本节以能源托管和融资租赁2种模式，分析农网移动储能的典型商业模式。

3.1.1 能源费用托管模式

用户委托A公司出资进行能源系统的节能改造和运行管理，并按照双方约定将该能源系统的能源费用交由A公司管理，系统节约的能源费用归A公司所有。项目合同结束后，A公司改造的节能设备无偿移交给用户使用，以后所产生的节能收益全归用户。

3.1.2 融资租赁模式

C公司投资建设农网分布式储能，由B公司租赁储能设施并负责运营维护，终端用户向B公司支付租金或使用费用。其中，B公司也负责对农网分布式储能进行改造，并在合同期内对节能量进行测量验证，担保节能效果。项目合同结束后，农网分布式储能设备无偿移交给用户使用，以后所产生的节能收益全归用户所有。

可以通过上述合同能源管理模式，由社会企业承担设施的初始投资或租赁费用，从而减轻用户的经济压力，激发用户应用移动储能的热情，从而推动农网分布式储能项目的商业化发展。

3.2 生态圈的相关主体

围绕农网移动储能构建健康、有序发展的生态圈，相关主体主要包括政府、投资运营企业和农业农村合作社。其中，政府在市场发展初期的主要职责是大力宣传、制定政策引导农网移动储能项目的实施，促进项目的各方参与者在实施过程中均能够获取收益。投资运营企业主要负责设备采购、项目建设和运营服务，积极响应政府相关政策，不断积累农网移动储能在推广应用中的技术和管理问题，推动设备厂商的产品更迭，促进政府在该领域的政策优化。农业农村合作社是农网移动储能的倡导者和使用者，对农网移动储能产品“先试先行”，积累丰富使用经验，并科学引导农业生产者租赁、使用；为农网移动储能设备存放和运输提供有利条件，保证其安全稳定运行。

3.3 有力的政策支持

农网移动储能的初始投资较高，而农业农村合作社或农民的收入较低，对储能设备的高成本耐受度较差。因此，农网移动储能发展初始阶段需要政府的大力支持，设置农网移动储能的购置专项补贴，降低农网移动储能购置成本。同时，针对于农网移动储能的分布式储能应用，提供电价政策支持，保障该类设施优先存储富余可再生能源，以及在电网负荷高峰时优先向电网送电。随着动力电池成本的逐渐降低，在相关市场规模成熟后，设备购置补贴和电价优惠政策可适度退坡。

4 总结与展望

本文从农村电网角度分析了农网移动储能的技术路线，比对了不同电池类型的项目经济效益。得出钛酸锂电池、钠离子电池的安全性最好，不存在热失控、环境污染等问题。考虑到钛酸锂电池的充放电次数大、初始投资高等特点，建议通过融资租赁等手段降低投资压力，释放其推广应用的潜力。同时，考虑到农网移动储能市场需求难以自发形成，建议通过多方主体进行宣传、引导和补贴，以适宜的商业模式、稳定的生态圈和有力的政策支持，共同推进该产业的稳步发展，推动农业生产电气化水平提升。