储能电站综合效益评价体系设计研究

高 峰，黄晓东，戎晓波，田启明，沈 奕，张永平

(1.IBM中国研究院，北京100193；2.南方电网调峰调频发电公司，广东广州510630)

储能电站综合效益评价体系设计研究

高 峰1，黄晓东2，戎晓波2，田启明1，沈 奕1，张永平1

(1.IBM中国研究院，北京100193；2.南方电网调峰调频发电公司，广东广州510630)

储能是智能电网中不可或缺的关键部分。储能电站及整个储能体系的优化规划和运行，需要对储能进行更深入量化的综合效益分析与评估，而分析和评估的基础在于清晰完整的储能综合效益体系。在深入分析国内外相关研究成果的基础上，形成了一个清晰全面的多维度的储能功能作用与效益综合体系。基于该体系，可实现储能效益的量化评估，为储能的部署和运行提供科学依据。

储能系统；储能效益；效益体系

当前，为应对气候变化，提高能源供应安全及利用效率，在新能源、新材料、网络信息技术、节能环保等高新技术的推动下，智能电网已逐渐成为未来电网的发展趋势[1-3]。集中式储能和分布式储能是未来智能电网中不可或缺的关键部分，对实现智能电网具有重要作用[1]。

为了更好地指导和规划储能电站及整个储能体系的建设，以及更加有效合理地优化储能运行，迫切需要对储能进行更深入量化的综合效益分析与评估，提高储能规划及运营水平。而准确合理的储能效益分析和评估的基础在于清晰完整的储能综合效益体系。

以抽水蓄能为代表的集中式储能具有几十年的历史，其效益体系的设计研究已经比较深入[4]。随着电池储能、超级电容等新型分布式储能形式的迅速发展，国外已经开始研究其效益体系设计，并初步形成集中式与分布式储能的总体效益体系[5-6]。

为了弥补国外储能效益体系不足，填补国内相关研究的空白，本文将在国内外相关研究的基础上建立储能电站在智能电网环境下的全方位多维度的综合效益体系，将储能电站在整个电力能源价值链的功能、作用以及效益进行深入分析，为包括发电公司、电网公司以及用电客户的储能设备所有者和收益者提供明确的效益体系。基于该体系，可实现储能效益的量化评估，为储能的优化部署和运行实施提供科学依据。

1 现有储能效益体系

以抽水蓄能为代表的集中式储能具有几十年的历史，其容量大、寿命长、技术成熟，应用范围最广，因此其效益体系的研究已经比较深入[4]。随着具备快速高效充放电性能的电池储能、超级电容等储能技术的高速发展，分布式储能形式正在成为集中式储能的有效补充，世界各国已经进行了很多相关的试点建设[7-9]，如我国南方电网公司建设的10 MW深圳宝清锂电池储能电站[10]。在这种情况下，综合考虑集中式储能和分布式储能的效益体系成为储能研究的重要关注点[5-6]。

美国Sandia国家实验室总结的储能效益综合体系如表1所示[5]。其将17个储能应用分为5大类，包括供电、辅助服务、电网、用电客户和可再生能源接入。该储能效益体系不仅包括对储能在传统电网中的应用，同时也包括了储能在智能电网环境下的应用。美国电力科学研究院归纳总结的储能综合效益体系更加完整[6]，如图1所示。该体系总结了11个储能的应用，并按照不同维度进行了划分和总结，覆盖了储能的应用对象、储能的效益类别、储能放电时间和储能大小等。

这两个体系存在一些需要改进的地方。比如分布式储能作为一种储能形式，其在用户侧可以帮助用户提高电能质量以及进行能量管理，因此其不应被划为储能应用。

2 储能综合效益体系

在国内外相关研究的基础上，本文试图建立储能在智能电网环境下的清晰的综合效益体系，并希望整个效益体系不拘泥于具体的储能技术与储能成本。

表1 SNL储能效益体系[5]

图1 EPRI储能效益体系[6]

2.1 储能功能

储能，顾名思义，就是能量的存储。换句话说，储能设备本身不能产生能量，它的主要功能就是将能量存储起来并在适当的时候释放。能量存储和释放的时机和目标不同，则带来了储能不同的应用和效益。举例来说，储能在电网负荷较小或非峰时充电，并在负荷较大或峰时放电，对整个电网来说，效果相当于最大负荷减小了。从而对于发电侧来说，其装机容量可以减少；对于输配电侧来说则可以延缓电网的升级改造。

另外，储能设备除了能量存储的设备如电池、水库等本身外，还需要附加的能量转换设备，如电池储能设备中的能量转换系统(PCS)和抽水蓄能中的发电机。这些设备除了能量转换的主要功能外，还具有一些附加的功能，主要为无功控制，从而使得储能设备具有调节无功与电压的能力。在抽水蓄能系统中，无功是由发电机提供的，与占主要投资的水库无关，该功能的成本和效益均可只对发电机进行分析，因此储能的附加功能不在本文深入分析。

表2给出了按照放电时间归类的五大储能功能。备用电源功能是在电网故障或者供电功率不足时利用之前存储的电能提供备用电力的功能，其所需要的放电时间依赖于具体情况而不同，充电时间则没有要求，一般是放电结束后即开始充电。

表2 储能功能

削峰功能是储能在用电高峰时通过释放储存的电能使得储能上游电力系统最大功率减少的功能。由于峰值通常持续几个小时，削峰功能相应的一般需要几个小时的放电时间，对充电时间没有要求，一般采用谷时充电的方式。功率调度功能是按照一定的优化目标进行充放电控制的功能。其充放电时间依赖于优化目标，同机组排程类似，主要是以小时为单位。如果采用更精细的控制，充放电时间可以到数分钟的量级。功率跟踪功能是指储能通过快速充放电来跟踪出力或负荷变化的功能。其充放电时间的要求为分钟甚至数秒的量级。抑制闪动功能是储能可以避免电网中出现的闪动或其他电能质量事件影响到用电设备的功能。其放电时间最短，是秒级甚至毫秒级。

2.2 储能作用

基于上述五大功能，储能在智能电网中发输配用各个环节发挥了重要的作用，可总结出如表3所示的14个主要作用。

表3 储能作用

这14个作用按电能维度可以分为三大类：功率作用、电量作用和容量作用。功率作用需要通常几秒到几分钟这样相对较短的时间内的大功率输出。电量作用则需要相对大的电能存储，通常储能系统的放电时间从几分钟至几小时不等。容量作用简单来说就是由于采用了储能设备而因此延缓或减少了其他设备的需求。

按时间维度还可以分为静态作用、动态作用和瞬态作用。瞬态作用可以理解为同电力系统暂态相关的作用，它通过储能超短时间的功率控制来体现，所需的充放电时间在秒级甚至毫秒级，因此需要响应时间很快的储能技术，如超级电容等。动态作用和静态作用与传统抽水蓄能效益分析里的概念类似。

2.3 储能效益

储能的作用与效益如表4所示。以帮助发电厂黑启动来说，发电的快速恢复可以使得电网尽早恢复，从而电力客户可以尽快恢复用电。发电厂可以多发电，电力公司可以多售电，电力客户可以多用电生产生活，所以受益方涵盖了能源链各方。保障独立电网、微电网运行为电力公司和电力客户带来了提高电网供电可靠性的效益。保证(重要)用户供电为电力客户带来了直接的减少停电损失的效益，而为供电公司间接地减少由于停电造成少售电的损失。

表4 储能作用与效益

储能安装在配电侧可以实现就地削峰，从而最大化延缓发电装机与延缓输配电升级改造的作用。其带来的降低投资成本的效益也分别由发电厂和电力公司获得。另外，由于新装发电机容量大于负荷的增长，发电机无法满发，造成效率的降低，从而带来更多的排放，因此延缓发电装机还可以给社会带来节能减排的效益。

节省输电接入和拥塞费用直接给在电力市场环境下不拥有输电资产的供电公司带来了降低成本的效益。电力批发市场套利给储能的所有者，包括发电厂和电力公司，带来直接的增加收入效益。分时电价用户电费节省给拥有储能的电力客户带来降低成本的效益。

降低线损给电力公司带来直接的降低成本的效益，另外由于线损是比用电量多出来的发电量，在用电不变的情况下线损的减少直接可以使发电量降低，从而减少发电机组的排放，给社会带来节能减排的效益。

输配电支撑、减少拥塞作用避免了线路重载或者过载，提高了电网的可靠性，直接获益方是电力公司。

促进可再生能源接入使得风电厂、太阳能电厂等可再生能源发电厂多发电，带来直接的收入增加。对于电力公司来说，更加平滑的可再生能源出力避免了电网中发电功率的急剧变化，使得电网稳定性得到提高。对于电力客户来说，通过安装自有的小型分布式发电并结合储能的促进可再生能源接入的作用，使得从电网购电量下降，从而降低成本。可再生能源的更多更有效的利用，减少了燃料发电，给社会带来节能减排的效益。

负荷跟踪作用直接减少了对调峰发电机的需求，减少了发电机组启停爬坡等低效率运行状态，使得发电机组可以以额定功率最大效率运行，从而降低发电厂运行成本，还给社会带来节能减排的效益。

调频、提供旋转备用使得电网的稳定性得以提升，另外同负荷跟踪作用类似，由于发电机无需留出一部分热备用容量，从而为发电厂降低了成本，发电机效率的提升也为社会带来节能减排的效益。

提升电能质量，避免影响用电设备可以为用电客户减少由于闪动等电能质量问题带来的经济损失。对于电力公司来说，该作用是提高了其供电的安全性。

储能效益可以总结为三类，包括经济效益、电网运行效益和社会效益，如表5所示。经济效益大多数情况下可以用货币金额来评估衡量。电网运行效益很难直接用金钱来衡量，通常可以采用等效替代、成本核算的方法进行评估。社会效益无法用金钱来衡量，可以采用减少的碳排放进行评估，未来如果碳交易机制成熟后则可以通过交易来获取一定的经济收益。

表5 储能效益分类

2.4 储能综合效益体系

通过分析储能的五大功能，然后得到储能的14个主要作用，并总结出储能的三大类效益，从而形成一个如表6所示的综合的多维度的储能功能作用与效益体系。

表6 储能效益综合体系

3 结语

本文通过分析储能的五大功能，14个主要作用，并总结出储能的三大类效益，形成了一个清晰全面的多维度的储能功能作用与效益综合体系。我们希望在国内外科研技术人员的共同努力下，该综合效益体系可以不断补充和完善。储能效益综合体系可以为储能电站的效益分析提供理论和框架指导，并使得储能效益的评估更加科学合理，相关成果将在后续文章中展示。通过储能综合效益体系，将为储能的规划建设以及运营管理提供科学的依据，提高储能规划及运营水平。

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Design of holistic benefit system of energy storage

Energy Storage(ES)was a key part of smart grid.Deeper analysis and evaluation of holistic benefit of ES were required by optimized planning and operation of ES substations and systems.Based on the analysis of related research,a multi-dimension system of ES functions,applications and benefits were formed.Quantitative evaluation of ES could be achieved,and scientific support could be provided for ES deployment and operation.

energy storage system;energy storage benefit;system of benefit

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0638-04

2015-02-11

高峰(1977—)，男，河北省人，博士，主要研究方向为智能电网规划设计、电网生产与运行的分析与优化。