從整個電力系統(tǒng)的角度看,儲能的應(yīng)用場景可以分為發(fā)電側(cè)儲能、輸配電側(cè)儲能和用戶側(cè)儲能三大場景。這三大場景又都可以從電網(wǎng)的角度分成能量型需求和功率型需求。能量型需求一般需要較長的放電時間(如能量時移),而對響應(yīng)時間要求不高。與之相比,功率型需求一般要求有快速響應(yīng)能力,但是一般放電時間不長(如系統(tǒng)調(diào)頻)。實際應(yīng)用中,需要根據(jù)各種場景中的需求對儲能技術(shù)進行分析,以找到最適合的儲能技術(shù)。本文著重分析儲能的三大應(yīng)用場景。
發(fā)電側(cè)
從發(fā)電側(cè)的角度看,儲能的需求終端是發(fā)電廠。由于不同的電力來源對電網(wǎng)的不同影響,以及負載端難預(yù)測導(dǎo)致的發(fā)電和用電的動態(tài)不匹配,發(fā)電側(cè)對儲能的需求場景類型較多,包括能量時移、容量機組、負荷跟蹤、系統(tǒng)調(diào)頻、備用容量、可再生能源并網(wǎng)等六類場景。
能量時移
能量時移是通過儲能的方式實現(xiàn)用電負荷的削峰填谷 ,即發(fā)電廠在用電負荷低谷時段對電池充電,在用電負荷高峰時段將存儲的電量釋放。此外,將可再生能源的棄風(fēng)棄光電量存儲后再移至其他時段進行并網(wǎng)也是能量時移。能量時移屬于典型的能量型應(yīng)用,其對充放電的時間沒有嚴格要求,對于充放電的功率要求也比較寬,但是因為用戶的用電負荷及可再生能源的發(fā)電特征導(dǎo)致能力時移的應(yīng)用頻率相對較高,每年在 300 次以上。
容量機組
由于用電負荷在不同時間段有差異,煤電機組需要承擔(dān)調(diào)峰能力,因此需要留出一定的發(fā)電容量作為相應(yīng)尖峰負荷的能力,這使得火電機組無法達到滿發(fā)狀態(tài),影響機組運行的經(jīng)濟性。采用儲能可以在用電負荷低谷時充電,在用電尖峰時放電以降低負荷尖峰。利用儲能系統(tǒng)的替代效應(yīng)將煤電的容量機組釋放出來,從而提高火電機組的利用率,增加其經(jīng)濟性。容量機組屬于典型的能量型應(yīng)用,其對充放電的時間沒有嚴格要求,對于充放電的功率要求也比較寬,但是因為用戶的用電負荷及可再生能源的發(fā)電特征導(dǎo)致能力時移的應(yīng)用頻率相對較高,每年在 200 次左右。
負荷跟蹤
負荷跟蹤是針對變化緩慢的持續(xù)變動負荷 , 進行 動態(tài)調(diào)整 以達到實時平衡 的一種輔助服務(wù)。變化緩慢的持續(xù)變動負荷又可根據(jù)發(fā)電機運行的實際情況細分為基本負荷和爬坡負荷,負荷跟蹤則主要應(yīng)用于爬坡負荷,即通過調(diào)整出力大小,盡量減少傳統(tǒng)能源機組的爬坡速率,讓其盡可能平滑過渡到調(diào)度指令水平。負荷跟蹤和容量機組相比,對放電響應(yīng)時間要求更高,要求相應(yīng)時間在分鐘級。
系統(tǒng)調(diào)頻
頻率的變化會對發(fā)電及用電設(shè)備的安全高效運行及壽命產(chǎn)生影響,因此頻率調(diào)節(jié)至關(guān)重要。在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中,電網(wǎng)短時間內(nèi)的能量不平衡是由傳統(tǒng)機組(在我國主要是火電和水電)通過響應(yīng) AGC 信號來進行調(diào)節(jié)的。而隨著新能源的并網(wǎng),風(fēng)光的波動性和隨機性使得電網(wǎng)短時間內(nèi)的能量不平衡加劇,傳統(tǒng)能源(特別是火電)由于調(diào)頻速度慢,在響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令時具有滯后性,有時會出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)之類的錯誤動作,因此不能滿足新增的需求。相較而言,儲能(特別是電化學(xué)儲能)調(diào)頻速度快,電池可以靈活地在充放電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,成為非常好的調(diào)頻資源。
和負荷跟蹤相比,系統(tǒng)調(diào)頻的負荷分量變化周期在分秒級,對響應(yīng)速度要求更高(一般為秒級響應(yīng)),對負荷分量的調(diào)整方式一般為 AGC。但是系統(tǒng)調(diào)頻是典型的功率型應(yīng)用,其要求在較短時間內(nèi)進行快速的充放電,采用電化學(xué)儲能時需要有較大的充放電倍率,因此會減少一些類型電池的壽命,從而影響其經(jīng)濟性。
備用容量
備用容量是指在滿足預(yù)計負荷需求以外,針對突發(fā)情況時為保障電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行而預(yù)留的有功功率儲備,一般備用容量需要在系統(tǒng)正常電力供應(yīng)容量 15~20%,且最小值應(yīng)等于系統(tǒng)中單機裝機容量最大的機組容量。由于備用容量針對的是突發(fā)情況,一般年運行頻率較低,如果是采用電池單獨做備用容量服務(wù),經(jīng)濟性無法得到保障,因此需要將其與現(xiàn)有備用容量的成本進行比較來確定實際的替代效應(yīng)。
可再生能源并網(wǎng)
由于風(fēng)電、光伏發(fā)電出力隨機性、間歇性的特點,其電能質(zhì)量相比傳統(tǒng)能源要差,由于可再生能源發(fā)電的波動(頻率波動、出力波動等)從數(shù)秒到數(shù)小時之間,因此既有功率型應(yīng)用也有能量型應(yīng)用,一般可以將其分為可再生能源能量時移、可再生能源發(fā)電容量固化和可再生能源出力平滑三類應(yīng)用。例如針對光伏發(fā)電棄光的問題,需要將白天發(fā)出的剩余電量進行儲存以備晚上放電,屬于可再生能源的能量時移。而針對風(fēng)電,由于風(fēng)力的不可預(yù)測性,導(dǎo)致風(fēng)電的出力波動較大,需要將其平滑,因而以功率型應(yīng)用為主。
輸配電側(cè)
儲能在輸配側(cè)的應(yīng)用主要是緩解輸配電阻塞、延緩輸配電設(shè)備擴容及無功支持三類,相對于發(fā)電側(cè)的應(yīng)用,輸配電側(cè)的應(yīng)用類型少,同時從效果的角度看更多是替代效應(yīng)。
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緩解輸配電阻塞
線路阻塞是指線路負荷超過線路容量,將儲能系統(tǒng)安裝在線路上游,當(dāng)發(fā)生線路阻塞時可以將無法輸送的電能儲存到儲能設(shè)備中,等到線路負荷小于線路容量時,儲能系統(tǒng)再向線路放電。一般對于儲能系統(tǒng)要求放電時間在小時級,運行次數(shù)在 50~100 次左右,屬于能量型應(yīng)用,對響應(yīng)時間有一定要求,需要在分鐘級響應(yīng)。
延緩輸配電設(shè)備擴容
傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃或者電網(wǎng)升級擴建成本很高。在負荷接近設(shè)備容量的輸配電系統(tǒng)內(nèi),如果一年內(nèi)大部分時間可以滿足負荷供應(yīng),只在部分高峰特定時段會出現(xiàn)自身容量低于負荷的情況時,可以利用儲能系統(tǒng)通過較小的裝機容量有效提高電網(wǎng)的輸配電能力,從而延緩新建輸配電設(shè)施成本,延長原有設(shè)備的使用壽命。相比較緩解輸配電阻塞,延緩輸配電設(shè)備擴容工作頻次更低,考慮到電池老化,實際可變成本較高,因此對電池的經(jīng)濟性提出了更高的要求。
無功支持
無功支持是指在輸配線路上通過注入或吸收無功功率來調(diào)節(jié)輸電電壓。無功功率的不足或過剩都會造成電網(wǎng)電壓波動,影響電能質(zhì)量,甚至損耗用電設(shè)備。電池可以在動態(tài)逆變器、通信和控制設(shè)備的輔助下,通過調(diào)整其輸出的無功功率大小來對輸配電線路的電壓進行調(diào)節(jié)。無功支持屬于典型的功率型應(yīng)用,放電時間相對較短,但運行頻次很高。
用電側(cè)
用電側(cè)是電力使用的終端,用戶是電力的消費者和使用者,發(fā)電及輸配電側(cè)的成本及收益以電價的形式表現(xiàn)出來,轉(zhuǎn)化成用戶的成本,因此電價的高低會影響用戶的需求。
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用戶分時電價管理
電力部門將每天 24 小時劃分為高峰、平段、低谷等多個時段,對各時段分別制定不同的電價水平,即為分時電價。用戶分時電價管理和能量時移類似,區(qū)別僅在于用戶分時電價管理是基于分時電價體系對電力負荷進行調(diào)節(jié),而能量時移是根據(jù)電力負荷曲線對發(fā)電功率進行調(diào)節(jié)。
容量費用管理
我國對供電部門大工業(yè)企業(yè)實行兩部制電價:電量電價指的是按照實際發(fā)生的交易電量計費的電價,容量電價則主要取決于用戶用電功率的最高值。容量費用管理是指在不影響正常生產(chǎn)的情況下,通過降低最高用電功率,從而降低容量費用。用戶可以利用儲能系統(tǒng)在用電低谷是儲能,在高峰時負負荷放電,從而降低整體負荷,達到降低容量費用的目的。
提高電能質(zhì)量
由于存在電力系統(tǒng)操作負荷性質(zhì)多變,設(shè)備負載非線性等問題,用戶獲得的電能存在電壓、電流變化或者頻率偏差等問題,此時電能的質(zhì)量較差。系統(tǒng)調(diào)頻、無功支持就是在發(fā)電側(cè)和輸配電側(cè)提升電能質(zhì)量的方式。在用戶側(cè),儲能系統(tǒng)同樣可以進行平滑電壓、頻率波動,例如利用儲能解決分布式光伏系統(tǒng)內(nèi)電壓升高、驟降、閃變等問題。提升電能質(zhì)量屬于典型的功率型應(yīng)用,具體放電市場及運行頻率依據(jù)實際應(yīng)用場景而有所不同,但一般要求響應(yīng)時間在毫秒級。
提高供電可靠性
儲能用于提高微網(wǎng)供電可靠性,是指發(fā)生停電故障時,儲能能夠?qū)涞哪芰抗?yīng)給終端用戶,避免了故障修復(fù)過程中的電能中斷,以保證供電可靠性。該應(yīng)用中的儲能設(shè)備必須具備高質(zhì)量、高可靠性的要求,具體放電時長主要與安裝地點相關(guān)。