面向电网侧、新能源侧及用户侧的储能容量配置方法研究

白 桦 王正用 李 晨 许 寅

面向电网侧、新能源侧及用户侧的储能容量配置方法研究

白 桦1王正用1李 晨2许 寅2

（1. 浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310000； 2. 北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

电网中普遍存在负荷率过高，电网峰谷差较大的情况。随着风电、光伏等新能源的不断接入，其出力的波动性使得电网调峰问题更加严峻。储能因其具有响应快速、双向调节等优势，在缓解重负载、削峰填谷、平抑新能源波动、提高供电可靠性等方面可发挥关键作用。本文针对电网侧，提出了用于变电站降载及削峰填谷的储能容量配置方法；针对新能源侧，提出了用于平抑新能源出力波动的储能容量配置方法；针对用户侧，提出了用于提高供电可靠性的储能容量配置方法。最后，以某地区电网的实际数据进行了示例分析。

储能技术；储能容量；电网侧；新能源侧；用户侧

0 引言

电网中普遍存在变电站重过载、输电通道受限、局部地区依赖电厂调峰等问题。随着城市电网的快速建设，电网负荷峰谷差率不断增大。一般输配电设备的规划建设以负荷峰值为基准，但峰值负荷的持续时间较短，导致电力设施的利用率较低[1]。此外，随着新能源的占比不断增大，其出力的波动性对电网稳定运行的影响不可忽视[2-3]。季节性和时段性的负荷波动可能引起供电能力不足、电能质量较差、供电可靠性低。

储能具有快速充放电、建设便利等特点，对于缓解电网负荷高峰期设备重过载、削峰填谷、平抑新能源出力波动性、提高用户供电可靠性等有积极作用。储能是未来能源互联网建设的重要构成部分，随着储能技术成本的降低，其应用将更加广泛[4]。配置合理容量的储能设备，不仅有助于储能辅助调节作用的充分发挥，还可以提高电网建设的经济性。因此研究储能容量配置，对于电网储能系统的规划建设具有重要意义。

如何配置储能系统的容量是目前储能建设领域中的研究热点之一。文献[5]提出了针对电网侧的储能近期及远期的规模配置方法，规定了配置原则。文献[6]提出了用于削峰填谷的储能容量配置方法，并进行了一定的经济性分析。文献[7]提出了光伏电站侧储能容量配置方法，考虑了光伏并网的系统功率平衡和功率波动极限。文献[8]对风电场的储能容量配置范围进行了一定的分析，综合考虑了各种影响因素。文献[9]针对储能用于平抑风电出力的波动，提出了基于正态分布的储能容量配置方法。文献[10]提出了考虑经济效益的风电场侧储能容量选取方法。文献[11]提出了用户侧储能容量配置方法，构建了详细的储能优化模型。文献[12]考虑储能建设成本及收益，提出了用户侧储能容量分析方法。

本文将从电网侧、新能源侧、用户侧3个方面，分析储能的应用方向，提出相应的电网侧、新能源侧、用户侧储能系统容量配置方法。

1 储能在电网中的应用方向

储能可应用在不同的需求场景，其所起的主要作用及带给电网的价值也不尽相同[13]。本节将分别从电网侧、电源侧、用户侧3个方面，分析储能系统的应用给电网带来的主要作用及效益。

1.1 电网侧储能应用方向

1）用于延缓电网升级

对于建设较为完善的城市电网，其升级扩建的成本较高。在负载率较大处安装适当容量的储能设备，可以降低负载率，从而延缓电网升级，减少资金的投入[14]。

2）用于减少输电阻塞

在用电高峰时期，输配电系统很有可能出现输电阻塞的情况。考虑在输电阻塞段的潮流下游地区安装储能设施，以减少对输配电系统的用电需求，一定程度上缓解输电阻塞问题[15]。

3）用于提供调峰辅助服务

储能以其可快速充放电的优势，可参与电网调峰。在用电低谷时期，储能存储多余的电能，在用电高峰时则输出电能，减少电网峰谷差值。

1.2 电源侧储能应用方向

1）用于平抑新能源发电波动

利用储能设备灵活的充放电能力，实现平滑风电、光伏等新能源出力曲线的效果，减少其出力波动性对电网的负面影响，促进风电、光伏的消纳。

2）用于提升新能源发电的市场竞争力

电网中常出现弃风弃光的情况。配置储能设备能够提升新能源在电力市场中的竞争力，提高新能源的经济效益以及投资者的开发积极性[16]。

1.3 用户侧储能应用方向

1）用于提高供电可靠性

重要用电设施对供电可靠性的要求标准较高，一旦供电系统出现故障而停止向负荷供电，将会造成一定的经济损失。重要负荷附近的储能设备，可作为备用电源或不间断电源，减少因电力供应不足而带来的停电损失[17]。

2）用于低储高发套利

一般在用电低谷时期，电价较低，储能为充电状态；在用电高峰时期，电价较高，储能为发电状态，电网公司可利用电价差实现套利。

2 电网侧储能容量配置方法

本文中，电网侧储能主要考虑降低变电站负载率、削峰填谷以降低电网负荷峰谷差率，提出用于变电站降载以及削峰填谷的储能容量配置方法。

2.1 用于变电站降载的储能容量配置方法

由于变电站的建设时间较早，设备选型的技术标准不高，大多数变电站都存在以下问题：

1）变电站的负载率较高。若变电站的最大负载率超过90%，则会严重威胁变电站的安全运行[18]。

2）负荷峰谷差大。部分变电站存在负荷峰谷差较大的情况，导致其设备整体的利用率较低。

配置变电站处储能设备的功率需考虑三种因素：①保证重要负荷的运行；②变压器不能存在过载运行的情况；③能够将变电站削峰至其重载功率以下。储能功率的选取如下

基于上述储能功率选取值，配置储能的容量还需考虑：①变电站的重载时间；②重要负荷运行一个周期所需时间。储能容量的选取如下

2.2 用于削峰填谷的储能容量配置方法

削峰填谷问题是电网运行的基本问题之一。大多数火电机组的调节能力不足。水电机组具有运行方式灵活、迅速起停的特点，且其调节范围可接近100%，但是其建设地点的选取完全依赖地理条件。储能因其响应快速且其建设不受地理条件限制的特点，能够满足电网大规模的削峰填谷需求。

用于削峰填谷的储能的功率应取电网调峰的功率最大限值。储能功率的选取如下

在最近一次增持后，中国平安取代贝莱德集团成为汇丰控股的第一大股东，持股约14.19亿股，持股比例为7.01%。以汇丰控股11月5日收市价每股65.5港元计算，这批股份市值约为929亿港元。平安方面表示，对汇丰控股的这笔投资属于保险资金的财务性投资。

基于以上的储能功率确定值，储能的容量选取如式（4）—式（6）所示。

3 新能源侧储能容量配置方法

新能源固有的间歇性特质，使其出力无法被精准预测，不利于电网稳定运行。储能具有快速双向调节出力的能力，可以平抑新能源出力的波动，使其出力平滑[19]。本文中，新能源侧配置储能设备主要考虑平抑新能源出力的波动性。

关于风电场输出功率变化率，对于不同规格装机容量的风电场，对其每10min、1min的最大变化量均制定了标准，其中最大功率变化推荐参数[7]见表1。对于光伏发电站输出功率变化率的要求，依据GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》，光伏发电站有功功率的每分钟变化速率应不超过其装机容量的10%[20]。

表1 风电场最大功率变化推荐值 单位: MW

3.1 用于平抑新能源波动的储能容量配置方法

新能源侧储能的容量配置与新能源的发电数据密切相关。基于新能源出力数据及并网有功功率变化速率的要求，可得到储能功率变化范围曲线，即

3.2 区域内新能源侧储能容量配置估计方法

对于区域内新能源侧储能容量配置的计算，考虑到区域内新能源数量繁多，可采用样本估计整体的方法对区域内新能源侧储能容量配置进行估算。

对于区域内新能源侧储能容量配置的估算，可按照以下步骤进行实施：

1）统计区域内各新能源的类型（风电、光伏）及装机容量大小，分析典型新能源出力数据，包括功率变化率及功率变化率最大值，得到对应的储能所需功率变化曲线。

2）利用样本估计整体的方法，对整个区域内的新能源侧储能容量配置需求进行估算。

4 用户侧储能容量配置方法

本文中，用户侧储能主要考虑提高供电可靠性，提出用于提高供电可靠性的储能容量配置方法。

4.1 用于提高供电可靠性的储能容量配置方法

用户停电事件的发生属于概率事件，用户侧储能容量需求可按照其期望值分析。依据以往停电事件发生的经验，得到市电的可靠度。每次停电对于用户造成的电量不足的期望值为

储能容量期望值可根据投入储能前后的故障停电率之差进行确定，即

4.2 区域内用户侧储能容量配置估计方法

为了获得区域内用户侧储能的整体容量配置方案，可采取适当的样本估计方法对区域内的用户侧储能容量配置进行估算。

对于区域内的用户负荷进行估算，仅仅进行数量上的估算，不具有实际参考价值。对于不同类型用户，其负荷特性不同，对于故障停电率的要求也不同。通常，工业负荷比较平稳，商业负荷具有规律性，居民负荷波动性较大。因此，对于区域内用户侧储能的容量配置，可按照以下步骤进行实施：

1）对区域内的用户类型进行分类，根据各个类别用户中的典型用户负荷曲线，分析其负荷特性，包括负荷峰值、峰值时段、负荷谷值、谷值时段、负荷平均值、负荷峰谷差等。

2）统计区域内各类用户负荷的总电量，分析各类用户负荷用电量的占比。依据各类用户负荷的重要程度，规定其对供电可靠性的要求。

3）利用样本估计整体的方法，对整个区域内的用户侧储能容量配置需求进行估计。采用对不同类型用户负荷分别估计，最后叠加为整体储能容量配置需求的计算方法。

5 示例分析

本节将选取某地区电网实际数据，分别对本文所提出的电网侧、新能源侧、用户侧储能容量配置方法进行示例分析。

5.1 电网侧储能容量配置示例

以某地区中的220kV变电站为例（其日负荷曲线如图1所示），用于变电站降载的储能容量配置的具体分析结果如下所述。

图1 某220kV变电站日负荷曲线

某220kV变电站的额定容量为360MW，由日负荷曲线可以看出，日最大负载为296.72MW，日最小负载为127.48MW，日平均负载为219.83MW，容载比为1.21。根据电网变电站负载率不超过65%的要求，变电站负载率超过65%的时段为9:00—21:00。变电站的重载功率按照65%计算为234MW。由本文所述用于变电站降载的储能容量配置方法可知，需要配置的储能功率为62.72MW。为保证储能容量配置方案的可行性，以最大功率以及变电站重载时间作为储能容量需求的依据。变电站重载持续时间大致为13h，因此需配置储能容量为815.36MW·h。

某110kV变电站的额定容量为100MW，其日负荷曲线如图2所示。由图2可以看出，负荷峰值为37.05MW，谷值为12.12MW，计算得出峰谷差率为67.3%。由电网期望负荷峰谷差不超过25%的要求，依据本文所提的用于削峰填谷的储能容量配置方法，计算得出削峰填谷储能功率需求为8.95MW。统计计算各个时段为满足削峰填谷需要储能充电、放电的功率值，累计求得所需储能容量配置值为108.25MW·h。

图2 某110kV变电站日负荷曲线

5.2 新能源侧储能容量配置示例

选取某风电站数据（装机容量为22.5MW）进行分析。此风电站的某一典型日出力曲线如图3所示，其中数据采样时间间隔为5min。

图3 某风电站的某日出力曲线

由风电出力曲线可以看出，风电出力具有间歇性的特点，出力波动性较大，出力变化并没有明显的规律。为避免风电出力出现波动变化水平较大的情况，应在风电站附近配备相应容量水平的储能，利用其双向快速调节的特性，平抑风电出力的波动性，从而进一步促进风电的消纳。

以上述典型风电站的出力曲线为例，依据本文所提出的新能源侧储能需求计算方法，计算各个时间间隔储能功率需求。为确保尽可能平抑风电出力的波动性，在进行储能容量规划时提高了标准，对于装机量30MW以下的风电出力最大变化功率限制设定为不超过3MW/5min。依据出力最大功率变化限制设定值，得到各个数据点间时段的储能需求功率，典型风电站侧储能需求功率曲线如图4所示。

根据储能功率需求曲线，得到储能设备需持续出力时间。经计算，典型风电站应配备的储能系统容量至少为0.096 89MW·h。典型风电站储能功率值选取一天中最大需求值1.047MW。显然实际规划储能容量时还应考虑储能效率等其他因素的影响，因此实际规划储能容量值应大于上述理论计算值。

图4 一天内风电站侧储能功率需求曲线

5.3 用户侧储能容量配置示例

选取某商业用电负荷进行分析。对于工业用电负荷、商业用电负荷等重要负荷，在其工作时段必须保证其用电可靠性。计算用户侧储能容量配置时，选取其负荷曲线最大值/负荷高峰期的平均值作为储能功率以及容量配置的依据。某商业用户的日负荷曲线如图5所示。

图5 某商业用电的日负荷曲线

由图5可以看出，一天内的用电峰值出现在营业时间段，为747kW，日负荷最小值为35.7kW。商业用电负荷日用电时间以营业时间（10:00—20:00）为准，共10h，假定商业场合全年365天均进行营业。商业负荷在夏季时节7月份的平均负荷为218.46kW。假设区域内可靠性要求为99.999%，经计算，商业用电负荷侧所需储能系统容量配置为0.204 5kW·h。鉴于用户侧储能设备一般安装在用户附近，可考虑选用技术水平较高，可循环利用次数较多的储能技术。同样实际规划储能容量时还应考虑储能效率等其他因素影响，储能容量规划值应大于理论计算值。

5.4 方法优势

传统的储能容量配置计算方法，主要依据电网中的发电机组的装机容量、风电光伏的装机容量以及负荷的额定容量等进行分析计算。由于其计算方法的准确度比较低，未根据电网实际储能需求进行分析，会造成储能设备利用率低或者甚至无法达到预期规划目标。

本文提出的储能容量配置方法，针对储能在电网不同侧的不同作用，分别考虑电网侧、新能源侧以及用户侧储能容量配置。首先，明确储能配置的主要目标，提出相应的配置方法；然后，利用电网实际的观测数据，有针对性地计算储能需求量，从而能够更加合理地规划电网储能建设规模。

6 结论

利用储能的建设便利、双向快速调节等特点，可解决电网中变电站重过载、负荷峰谷差较大、风电、光伏等新能源出力波动大和用户供电可靠性低等问题，进而满足电网对变电站负载率、峰谷差、不同供区用户可靠性等要求。针对上述需求，本文分别提出了电网侧、新能源侧以及用户侧不同作用下的储能系统的容量配置方法，为城市电网未来的储能系统规划建设提供较为合理的容量选取建议。

[1] 谢添卉. 应用于电网削峰填谷的储能电池智能充放电控制策略[J]. 大众用电, 2019, 34(5): 18-19.

[2] 田军, 朱永强, 陈彩虹. 储能技术在分布式发电中的应用[J]. 电气技术, 2010, 11(8): 28-32, 42.

[3] 郭国伟, 刘鹏祥, 徐欣慰, 等. 含可再生能源的配网中储能容量优化配置方法及软件设计[J]. 电气技术, 2020, 21(4): 56-60.

[4] 杜鹏. 用户侧分布式储能接入对配电网的影响研究[D]. 保定: 华北电力大学, 2019.

[5] 陈昆灿. 电网侧电化学储能电站规模配置研究[J]. 国网技术学院学报, 2019, 22(4): 25-28.

[6] 修晓青, 李建林, 惠东. 用于电网削峰填谷的储能系统容量配置及经济性评估[J]. 电力建设, 2013, 34(2): 1-5.

[7] AI Yaoyao, LI Xiangjun, HAN Xiaojuan, et al. Capacity configuration and economic evaluation of grid-connected PV and energy storage charging station[C]//2018 China International Conference on Electricity Distribution (CICED), 2018.

[8] 卢继平, 朱三立, 韩涛, 等. 风电场储能容量合理取值范围分析[J]. 重庆大学学报, 2010, 33(8): 46-51.

[9] 李文斌, 卢继平, 徐兵, 等. 平抑风电场功率波动的储能容量选取方法[J]. 华东电力, 2012, 40(3): 439- 444.

[10] WANG X Y, VILATHGAMUWA D M, CHOI S S. Determination of battery storage capacity in energy buffer for wind farm[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008, 23(3): 868-878.

[11] 赵乙潼, 王慧芳, 何奔腾, 等. 面向用户侧的电池储能配置与运行优化策略[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(6): 121-128.

[12] 王琦. 用户侧储能容量配置和最优运行策略探讨[J]. 技术与市场, 2019, 26(10): 100-101.

[13] 朱寰, 程亮, 陈琛, 等. 多重应用场景下的电网侧储能需求评估方法[J]. 电力建设, 2019, 40(9): 35-42.

[14] 陈阳. 浅谈配电网自动化技术应用[J]. 华东科技(学术版), 2014(8): 217, 227.

[15] 胡雪峰, 杨卓, 谭向宇, 等. 智能电网中大规模储能技术研究[J]. 智能电网, 2013, 3(1): 8-13.

[16] 刘飞, 陶昕, 张祥成, 等. 基于电网消纳能力的新能源发展策略研究[J]. 电气技术, 2019, 20(6): 50-55.

[17] 李锐, 李鹏. 储能系统在孤岛微网中应用[J]. 电气技术, 2014, 15(6): 15-18.

[18] 庞博. 变电站储能配置方案设计及其经济性分析[C]// 2018智能电网新技术发展与应用研讨会, 2018: 7.

[19] 吴玮坪, 胡泽春, 宋永华. 结合随机规划和序贯蒙特卡洛模拟的风电场储能优化配置方法[J]. 电网技术, 2018, 42(4): 1055-1062.

[20] 国家质检总局, 国家标准化管理委员会. GB/T 19964—2012. 光伏发电站接入电力系统技术规定[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

Research on capacity allocation method of energy storage for grid side, new energy side and user side

BAI Hua1WANG Zhengyong1LI Chen2XU Yin2

(1. Zhejiang Huayun Electric Power Design Consulting Co., Ltd, Hangzhou 310000； 2. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Grids have generally suffered from excessively high grid load rates and large differences in peak-to-valley grids. With the continuous access of new energy sources such as wind power and photovoltaic, the volatility of its output has made the problem of peak shaving of the power grid more severe. Energy storage can play a key role in mitigating heavy loads, cutting peaks and filling valleys, promoting new energy consumption, and improving power supply reliability due to its advantages of rapid response and two-way regulation. This paper proposes a storage capacity configuration method for substation load reduction and peak shaving for the power grid side; for the new energy side, a storage capacity configuration method for suppressing fluctuations in new energy; for the user side, this paper proposes Energy storage capacity configuration method for improving power supply reliability. Finally, the actual data of a certain area grid is used to analyze.

energy storage technology; energy storage capacity; power grid side; new energy side; user side

2020-07-03

2020-07-16

白 桦（1980—），男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划研究、工程设计等工作。