储能电站在城市轨道交通的应用性分析

刘禺贝，林晓鸿，赵云云，黎俊杰

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

0 引言

随着习近平总书记在联合国大会郑重提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现“碳中和”，“碳达峰、碳中和”目标成为未来40年最明确的发展趋势之一。中央财经委员会第九次会议强调“构建以新能源为主体的新型电力系统，实施重点行业领域减污降碳行动，工业领域要推进绿色制造，建筑领域要提升节能标准，交通领域要加快形成绿色低碳运输方式”，工业生产、交通、居民生活等重点领域的能源脱碳进程将在此目标下加速进行，城市轨道交通作为最重要的公共出行方式之一，将向“零碳城市轨道交通”进化。

城市轨道交通是电气化运营的大运量公共交通工具，人均能耗和碳排放是公路运输的1/11～1/15，属于低碳环保运输方式。随着中国城市化进程仍在持续发展，城市轨道交通运营里程不断增加，线网规模进一步扩大，能耗和碳排放仍未达峰，“双碳”目标下行业发展与节能降碳的矛盾愈加突出。

储能由于其电量及电力特点，可作为解决新能源消纳难题的可靠方案，同时确保电力系统灵活性、经济性和稳定性。目前，储能系统已在国内各大场景进行应用及推广，如用于发电侧的西藏岗巴储能项目、深圳宝清电池储能站项目等，用户侧的台湾AFC储能项目、东莞松山湖园区储能项目等。

然而储能电站尚未在城市轨道交通应用，本文将从电网能源架构调整、电力市场改革要求及轨道交通储能建设需求3个方面梳理储能电站在城市轨道交通的应用性，着重阐述了城市轨道交通储能电站建设需求，并以某市电力负荷为例，探讨了储能电站在城市轨道交通的应用优势。

1 电网能源架构调整

在“双碳”目标提出的大背景下，我国电网公司及能源公司发布实现“碳达峰、碳中和”的工作计划，并定下实现路线的目标计划。随着“双碳”目标的推进，新能源将大规模并网，如风电、太阳能发电等，新型用能设备将广泛接入，电力系统高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”特征日益凸显，电网能源架构将不断深化调整，电力系统“源网荷”生态将发生重大变化。

新能源发电具有随机性、波动性、间歇性，电力系统的净负荷波动不断加剧，安全运行风险也随之加大。储能在提升系统的灵活性、经济性和稳定性方面发挥着重要的作用[1]，电力系统及用户侧对储能的需求也随之增强。为确保轨道交通电源的可靠性，进行储能的配置是必要的。

2021年7月，国家发改委、国家能源局发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》[2]，明确碳达峰碳中和目标下新型储能的功能定位，提出新型储能是提升能源电力系统调节能力、综合效率和安全保障能力，支撑新型电力系统建设的重要举措。同时提出到2025年，新型储能步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件；到2030年，新型储能全面市场化发展的目标。

国家发改委、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》[3]提出推动新型储能规模化发展，支撑构建新型电力系统，其中主要包括3个方面：(1)加大力度发展电源侧新型储能，提高新能源风电光伏基地、海上风电的消纳，提高电源调节能力；(2)因地制宜发展电网侧新型储能，提高电网稳定运行和供电保障能力、应急保障能力，延缓和替代输变电设施投资；(3)灵活多样发展用户侧新型储能，推进源网荷储一体化协同发展，加快跨领域融合发展(智慧城市、智慧交通等)，拓展多种储能形式应用。

在全国逐渐推行的峰谷电价政策以及越来越多的政策利好支撑下，用户侧储能存在多种灵活的商业模式应用，具备跨行业融合的巨大机遇及示范作用。可见，新型储能将迎来新一波规模化的飞速发展。而中小型储能电站，也会随着用户侧新型配电网的转变而迎来巨大的机遇。

2 电力市场改革要求

为继续推动电力市场改革，贯彻落实《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号)文件精神，国家发改委2021年相继发布1093号、1439号两份深化电改文件，提出了总体要求：“适应新能源大规模发展、电力市场加快建设、电力系统峰谷特性变化等新形势新要求，持续深化电价市场化改革、充分发挥市场决定价格作用，形成有效的市场化分时电价信号。在保持销售电价总水平基本稳定的基础上，进一步完善目录分时电价机制，更好引导用户削峰填谷、改善电力供需状况、促进新能源消纳，为构建以新能源为主体的新型电力系统、保障电力系统安全稳定经济运行提供支撑。”

两个国家发改委文件主要提及的电力改革内容：(1)有序放开全部燃煤发电电量上网电价；(2)扩大市场交易电价上下浮动范围；(3)推动工商业用户都进入市场；(4)保持居民、农业用电价格稳定。

在新发布电力改革政策要求下，越来越多城市轨道交通用电费用受峰谷分时电价政策影响。由于轨道交通部分用电负荷高峰处于电价峰段内，电价谷段用电量占比较低，会大幅度提高电费成本，造成运营成本明显增加。因此，建设储能设备对线网负荷进行削峰填谷，利用峰谷电价政策降低电费总额，减少运营成本，具有一定经济性。

3 轨道交通储能建设需求

3.1 轨道交通线网规模情况

城市轨道交通能一定程度缓解城市交通出行压力，提高能源利用率并减少污染物的排放。同时，国家“十四五”规划提出加强城市轨道交通系统的建设，从而使我国城市轨道交通得以迅速发展。截至2021年年底，全国共有51个城市开通运营城市轨道交通线路，运营线路达到275条，运营里程8 735.6 km。2021年，新增城市轨道交通线路49条，新增运营里程1 380.9 km，较2020年增长约15%(见图1)。

图1 城市轨道交通规模

未来，线网规模将按照规划逐步扩大，城市轨道交通电力需求呈现稳定增长的趋势。

3.2 线网用电负荷情况

轨道交通本身即为绿色低碳的交通形式，提高轨道交通在整个交通行业的客流占比，可降低整个地区的碳排放量。根据2020年统计资料，广州市交通运输行业用电总量为41.4亿千瓦时，占全市用电比例4.16%；而城市轨道交通2020年用电量为17.6亿千瓦时，占全市交通运输行业用电比例为42.46%，占全市总用电比例为1.77%。

城市轨道交通99%以上的能源消费为电力，此外还有少量的天然气、液化石油气、柴油、汽油。电力能耗中牵引、动力能耗占比达90%。“十三五”期间，随着线网里程不断扩大，运营电力能耗逐年上升。

根据实测轨道交通运行负荷用电数据，将日用电曲线图与峰谷电价政策时段进行拟合(见图2)，日均总用电量的42%处于9小时平段电价段范围内，日均总用电量的36%处于7小时高峰电价段范围内。可发现城市轨道交通用电早高峰(8～10时)大致在平段电价段，随后在峰段电价时段，用电负荷逐渐下降至地铁线网午间负荷谷段。午后，用电负荷缓慢提高，在下班时段17时左右开始形成第二个用电负荷高峰，用电负荷晚高峰前半部分时段(17～19时)在高峰电价段内，后半部分时段(19～21时)在平价段内。分析可得，城市轨道交通用电负荷有以下特点：(1)日负荷曲线呈尖峰高、整体双峰；(2)早高峰时段与电价早高峰段存在错峰。

图2 城市轨道交通用电与峰谷电价拟合

若城市轨道交通实行峰谷分时电价计费，对比以往的基础电价计费方式，将增加规模较大的峰时电费支出，对于每日平均占比36%的峰段电力负荷，需要进行节能措施降低负荷，或利用储能手段削峰填谷降低峰段负荷费用。

由于轨道交通用电负荷具有明显的规律特点，主要随日间出行需求变化，牵引负荷、空调负荷占比较高，变电所峰段负荷持续时间较短，用地负荷曲线与峰谷电价曲线基本重合，典型日用电有较大用电负荷峰谷差，因此可以用过往建设储能设备削峰填谷获取电价利润，抵消部分由电力市场峰谷电价政策带来的电费费用。而夜间低谷期较长，导致功率因素偏低，承受电能质量指标压力。利用夜间时段进行储能充电时，可以有利于调整功率因数指标。

可预见的，城市轨道交通电力需求将呈现中高速增长趋势。对于逐渐密集的轨道交通供电网络与主变所的持续部署，将对相关变电站带来较大的安全稳定运行压力，同时对线网电力负荷削峰填谷以及线网电能质量调节的需求也日趋明显。

4 结语

在“双碳”背景下，大规模的集中式和分布式新能源并网，为应对高比例新能源的随机性、波动性、间歇性，建设储能电站可以提高轨道交通供电可靠性。同时，推行电力市场改革后，峰谷电价政策大幅度提高电费成本。储能电站在城市轨道交通的应用可利用峰谷电价政策对线网电力负荷进行削峰填谷，降低电费总额，减少运营成本，具有经济效益。此外，储能电站可提高地铁线网的电能质量和供电可靠性，满足负荷快速增长的需要，有效提高能源利用效率，减少输配电网容量建设。