新能源集中并网下大规模集中式储能规划研究述评

古宸嘉，王建学，李清涛，张耀

(陕西省智能电网重点实验室（西安交通大学），陕西 西安 710049)

0 引言

随着全球能源消费飞速增长，以及煤炭、石油、天然气等化石燃料的大量使用对环境带来的污染加剧，人类社会的可持续发展面临着巨大的双重压力[1]。以风电、光伏为代表的新能源发电技术作为世界上迄今最为成熟的低碳清洁技术之一，可从根本上缓解人类面临的能源困境[2]。特别地，中国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的宏伟目标。在未来新能源大规模并网的背景下，势必要构建适应高比例可再生能源发展的新型电力系统。一方面，相较于传统的火电机组，新能源机组出力存在着严重的波动性及不确定性，电力系统面临系统灵活性不足的风险；另一方面，高比例可再生能源接入的电力系统还须应对新能源出力与负荷需求不匹配的难题。这些都会阻碍并网新能源装机容量的有效利用，一方面，会导致投入的资本发生严重的浪费及损失；另一方面，也会更为长远地影响新能源的可持续发展，不利于能源供给的清洁转型以及双碳目标的最终实现。

针对此类问题，储能一直都被视为是极具前景的解决技术之一[3]。特别是近年来，储能设备在技术上逐步突破并在商业上得到初步应用，规模化储能在可预见的时间内将成为解决新能源消纳难题的可靠方案。储能的特性由其电量和电力特性决定，充裕的电量可以确保其能够缓解更长时间尺度下风电和负荷之间的时序不匹配现象，而足够大的电力则允许其能对短期内大功率幅值波动做出快速响应。在大规模新能源接入的背景下，规模化储能可以更好地平抑新能源的时序波动并实现其电量的时间转移[4]，从而提高系统运行的经济性和可靠性。现今，国内各项大规模储能示范性项目陆续开展，仅2020年就投运或开工了多个“首个”示范项目，如福建晋江百兆瓦级储能电站示范项目、辽宁大连由国家能源局批准的首个大型电化学储能国家示范项目以及浙江湖州全国首座铅碳式电网侧储能电站项目等，标志着大规模储能技术的发展已步入崭新的阶段。

然而，即使储能技术实现了持续的突破，其投资成本仍然很高。在不同的应用背景下，需要采用针对性的规划方法才能保证储能部署的经济性及合理性。然而，当前综述更多关注对储能技术及其应用场景的归纳总结，很少对储能规划方法，特别是大规模储能在源-网侧配置方法进行全面的梳理。

本文对新能源集中并网下的大规模储能规划研究进行调研及梳理。首先，归纳分析大规模储能接入电力系统的不同功用，并探讨其对规划问题建模及求解的影响；然后，论述大规模储能源侧/网侧规划方法，并进一步探究大规模储能与源网元件的协同规划技术；最后，深入探讨当前大规模储能规划的重点问题并对其前景做出展望。

1 大规模储能纳入电力系统规划后整体影响分析

随着技术进步和功能需求的变化，储能的形式及种类得到持续的丰富与发展。一方面，依照储能容量及响应速度的不同，储能装置可以分为能量型储能及功率型储能；另一方面，根据能量存储对象的不同，储能装置可以分为电储能、气储能以及热储能等，这些储能在各自应用领域中都具有重要的作用。

以电能为能量存储对象的能量型储能已在电力系统规划及运行中得到了广泛应用。根据容量规模的不同，又可以分为集中式和分布式，大规模集中式储能主要作用于源网端[5]，而小容量分布式储能则作用于用户端[6]，本文着重阐述大规模集中式储能的研究。因此，若无特殊说明，本文储能特指的是大规模集中式能量型电储能。

目前，规模化储能主要以抽水蓄能、压缩空气储能以及大容量电池储能为代表。本文基于大规模储能典型应用场景，探究其对系统各类运行特性的提升以及对实际规划模型构建的影响。

1.1 储能应用场景分析

大规模储能在提升电力系统运行的经济性、环保性、灵活性、可靠性以及系统弹性等方面都有着显著效益[7]。

储能对系统经济性、环保性、灵活性的提升作用主要体现在以下几个方面。（1）系统削峰填谷[8-10]。储能具有能量转移特性，可将新能源峰值出力时段的电量转移至新能源谷值出力时段，从一定程度上降低源荷时序不匹配带来的系统峰谷差。（2）平抑新能源出力波动[11-13]。相较于常规发电机组，储能具备快速爬坡能力，可以充分应对新能源瞬时波动导致的功率调节需求，从而提高电网消纳新能源能力。（3）延缓系统设备投资[14-17]。储能具有电力和电量的双重优势，可以实现对其他系统设备的替代，包括减缓输电阻塞导致的线路、变压器以及灵活机组投建，从而节省不必要开支，提升系统整体效益。

储能对系统可靠性、弹性的提升作用主要体现在以下几个方面。（1）提供旋转备用[18-20]。相较于常规机组，储能元件具有快速响应能力及双倍调节区间，可以参与满足系统的旋转备用需求。（2）参与系统调频[21-22]及稳压[23]。电力系统频率以及电压幅值波动等电能质量问题的关键在于短时功率的动态补偿，而储能元件秒级乃至毫秒级功率动态调节能力正好与此需求匹配。（3）黑启动[24-25]。储能装置具有启动时间短、自身储能稳定不受外界影响以及距离负荷中心较近等特性，适合作为黑启动电源。

1.2 储能对规划问题模型构建的影响

1.2.1 储能规划目标构建

通过优化设计规划目标及相应限制约束，可以在规划问题中纳入上述因素影响。当前规划问题多以规划期内储能及其他各类型系统设备的投资和运行总成本最小为目标，即通过合理规划储能，使储能投建成本与储能运行效益达到均衡。这使得储能规划方案得以充分发挥储能在提升系统经济性、环保性、灵活性乃至可靠性等方面的效用[26]，具体可表示为

式中：CTotal为总的投资和运行成本；CInv,s、CInv,o分别为储能和其他新建系统设备的投资成本；COM,s、COM,o、COM分别为储能、其他系统新建设备和系统原有设备的运行维护成本；CCT为弃新能源惩罚。

除了式（1）中常见目标函数的分项，也可以通过设计出一系列表征系统可靠性或弹性的指标，并组合构造出储能规划问题优化目标，从而更有针对性地分析储能对系统可靠性/弹性提升作用。如在文献[27]中，即针对电力负荷以及非黑启动发电机组，设计出“可接入容量”指标，用以评估在极端场景下的系统可靠性，并以此作为规划目标之一，优化决策出对系统弹性提升最大的储能配置方案。文献[28]则是以用户避免电力中断的支付意愿为基准，设计出可靠性指标，并在储能优化配置问题的目标函数中加以考虑。

1.2.2 储能复杂运行约束对规划问题求解的影响

在规划问题中针对储能元件进行建模时，由于储能自身异于常规电源的特性，会对规划问题产生如下影响。

（1）储能设备具有电能的时序转移特性，可以实现新能源出力电量在时序上的转移变换。因此，需要在规划问题中嵌套运行模型，以综合考虑包含储能设备在内的多种元件的联合运行特性[29]。然而储能及其他机组的运行约束，特别是储能荷电状态与充放电功率时序耦合约束等复杂约束的引入，会导致规划问题的维度扩大，模型复杂度大为增加。

（2）储能设备可以持续存储电量，可以实现一定程度上的“套利”，即将发电成本低时段的电量转到发电成本高的时段。从这个角度分析，规划建设的储能可以在一定程度上减少运行费用。因此，可以在目标函数中综合考虑投资和运行成本，以选取相应的最优方案实现成本的进一步降低。此时投资决策和运行优化耦合关系会愈发紧密，使模型问题进一步复杂化。

（3）如果在规划问题中，将储能装置的投建变量设为整数变量，且其运行时的充放电状态由0-1变量表征，则会在储能最大充放电功率约束中引入非线性项，从而改变规划问题混合整数线性问题的性质[30]，使模型求解难度增加。

综上可知，储能在电力系统规划问题中的引入使得规划模型更加复杂，针对性地更新和改进现有求解方法，进一步提出新的优化模型及框架，极具必要性。通过对一系列文献综述与归纳，本文提炼的大规模储能规划框架如图1所示。

图1 大规模储能规划框架Fig.1 Framework of large-scale energy storage planning

2 大规模储能源侧/网侧规划方法

大规模储能源侧/网侧规划是在现有既定电源、网架以及其他系统设备的配置条件下，综合考虑各类电源的分布及相关特性，寻找可行乃至最优的储能电站投建地点，投建类型及投建容量。表1给出了储能规划研究总结和对比。在新能源随机性的刻画方面，文献多是采用了基于场景的随机表征方法或基于不确定集的鲁棒表征方法；规划目标主要是投资的经济性，兼顾了新能源消纳、供能可靠性、电压稳定及线路阻塞缓解等需求，最终基于多阶段分层/最优潮流优化理论构建了储能选址定容优化问题。

表1 源侧/网侧储能规划研究概述Table 1 Overview of research on source/grid-side energy storage planning

在大规模新能源接入的背景下，储能规划实现了储能设备及其他系统元件的精细化建模，使得对物理系统特性的刻画更能贴合实际，从而更为切实地制定了储能配置需求，提升了资源的配置效率。本文将从电源侧储能规划以及电网侧储能规划两类分别进行阐述。

2.1 电源侧储能规划

电源侧储能规划侧重于厂站级或者区域级规划，其研究的关注点在于储能对区域内灵活性的提升以及对应外部特性的改善，通常不计及网架的影响。通过对储能在电源侧单点的配置容量以及运行策略进行优化设计，可使储能与各类电源得以协调互补运行。同时，从发电公司的角度出发，结合自身需求进行储能容量优化，可以优化电源侧结构，提升电源的灵活调节能力，从而满足电源并网要求或是提升自身效益。

电源侧储能规划主要分为在常规发电侧和在新能源侧的配置。在常规发电侧配置储能主要作用是提升常规发电机组的灵活性，更偏重设备改造升级，从而使其可以满足一定的技术要求，以及可以参与提供辅助服务，进而得到一定的收益。因此，储能的投建主要取决于以下几个方面。（1）当地辅助服务资源的紧缺度，当该区域的辅助服务资源极为紧缺，通过储能配置进而参与辅助服务市场，可以获得相应的较高收益。（2）辅助服务市场的规则设计，储能参与辅助服务市场的收益主要取决于辅助服务市场政策及所制定的规则，随着辅助服务市场的逐步建设及完善，将会给储能创造更多价值增值的机会。然而，当前国内尚未建立起完善的电力辅助服务市场，因此储能参与辅助服务效益并不显著。储能主要还是参与到常规发电机组的技术升级上，如文献[31]即建立了以辅助单台火电机组AGC调频为目标的储能双层规划方法。

新能源侧配置储能是当前的热点，中国多个省区（比如山西、新疆）相继出台相关文件要求光伏、风电等新能源电站加装储能系统，占比在5%～20%不等。储能在向“市场刚需”转变的过程中，不仅需要上述清晰有力的政策支持，也需要通过合理手段实现优化配置。电源侧储能配置，即是从系统资源联合优化角度，分析储能对新能源场站各类运行指标以及系统运行效益的提升，以优化决策出储能的最佳容量配置。换言之，其主要解决的是“配多少”的问题。部分文献关注于储能与风火系统的联合规划优化。文献[32]实现了储能电站与火电及风电联合优化配置及运行，提高了新能源并网友好性，提升了新能源的消纳空间。类似地，文献[33]在保证系统供电可靠性水平的基础上，通过优化储能配置实现了风/柴系统的成本效益最优。

同时，相较于传统新能源单独配置，储能参与的新型“新能源+”模式可以有效利用资源的互补特性，避免能源浪费及设备利用率低等问题，从而更好地实现源端多能互补体系的构建。目前，风-光-储、风-光-水-储、风-光-热-储互补系统的整体规划与协调调度已然成为清洁能源规模化开发、深度互补利用的新范式[34]。如文献[35]即以张家口地区的实际风光电站为对象，通过研究不同类型储能混合优化配置方案的经济性，实现了储能效益最大化以及风光的高效利用。在此基础上，多能互补能源基地、复合电站等新概念也陆续提出。文献[36]围绕大规模新能源外送示范基地，采用了风、光、火打捆外送方式，研究了多类型源储的配比方案，最大化新能源的利用。文献[37]选用风光等间歇性电源为主要开发能源，并辅之以储能、光热为代表的灵活性调节电源，定义并优化构建了面向间歇性资源规模化并网的多能互补复合电站。在实际工程方面，中国已开展并建成多项多能互补示范工程项目，如鲁能海西州多能互补集成优化示范工程集“风、光、热、蓄、调、荷”于一体，通过智能调控实现了纯清洁能源多能互补高效利用。

储能配置问题在电源侧的聚焦，使得相关研究有能力更好解决“如何配”以及“如何用”的问题，从而实现储能投资的功效最优化。其中部分研究在电源侧储能充放电策略的优化决策的基础上，探究了储能在电源侧的最优配置方法。文献[38]提出了基于可变功率修正系数的储能充放电控制策略，实现了电功率波动平抑的同时避免了储能寿命的过度折损；文献[39]实现了储能充放电控制策略的优化，并将其整合入储能优化配置的模型中。另一部分研究则是基于电源侧储能典型应用场景及运行策略的归纳分析，形成了一套“经验化”的储能快速定容方法。文献[40]构建了电池储能容量和净负荷快速变化值的回归模型，提出电池容量系数指标用以快速定容；文献[41]探究了储能容量需求与负荷及电源组合间的关系，并分析了多类型储能的最佳配比，以此提出了在给定净负荷曲线情况下储能实用化配置方法。

上述研究更多地计及了储能配置的技术性因素，很少考虑其收益因素，这是由于当前储能的成本较高，即使在投资储能后可以减少弃风弃光量，但是其投资回报率较低，发电公司主动配套储能的积极性不强，仅对部分上网电价较高的新能源项目具有一定的吸引力。未来，可以通过一系列政策（比如加强辅助服务市场建设、在实时市场中加大出力偏差考核），来推动新能源侧配套储能的建设。

总之，电源侧储能规划更加侧重于等效单节点的容量规划，主要解决了储能与各类型电源的配比问题，取得了以下成效：（1）提升了传统电源的机组特性，如其参与调峰、调频等一系列辅助服务的能力；（2）改善了新能源的并网特性，稳定及平滑新能源出力；（3）实现了源侧的多能互补配置。由于该部分研究更聚焦于储能参与下的各类复杂物理问题，建模的复杂程度及精细化程度都相对较高，更多地依赖于启发式算法进行求解。

2.2 电网侧储能规划

相较于电源侧储能的配置，电网侧储能规划，主要是从系统运营公司的角度出发，目的是确定储能设备的最优位置及容量，最大限度发挥储能削峰填谷和改善电网线路阻塞等能力，实现储能投建的社会效益最大化。

2.2.1 电网侧储能规划的数学模型

以促进新能源集中并网为导向的储能规划，其实际效果很大程度上依赖于对新能源不确定性的刻画精度。在规划过程中充分评估与衡量多种不同新能源出力场景下系统的运行情况，可以很好地模拟与还原真实情况。然而，这会导致规划模型规模过大，难以求解。为此，部分研究将储能规划拆分为选址和定容问题，并侧重解决其中某一方面，从而简化了模型求解。文献[42-43]选用鲁棒不确定集来描述新能源出力情况，并选用了基于鲁棒优化两阶段的储能规划模型。其中，前者侧重于储能选址，而后者关注于储能定容。文献[44]计及了运行中的阻塞成本，从而在模型中引入了非线性项，致使模型求解复杂程度增加，因而仅解决了储能定容问题。文献[45]以风电汇集的多端直流系统为对象，研究了直流电网储能的容量配置方法，并对模型重构以保障问题可靠求解。

实际上，对新能源不确定性的刻画只需达到一定的精细化程度即可满足规划需求。如何实现储能效用的最大化，最终还是取决于储能的合理选型定容，以及适当的多点布局。同样的储能部署到网架的不同位置所能发挥的效果相差悬殊。另外，不同的位置所需要配置的储能容量也不尽相同。因此，部分研究致力于优化储能的选址及定容。文献[46-47]均以投资成本及系统期望运行成本之和最小为目标，建立了兼顾储能装置的最优选址及定容的两阶段储能随机规划模型。在优化选址定容的基础上，选取适用的储能类型可以更好地提升储能运行的实际效果。文献[48]提出同时部署“能量密集型”与“电量密集型”储能，可以显著提高电网侧储能规划的社会效益。

因此，电网侧储能的规划，不仅要优化选址定容，更需要计及不同类型储能设备所具有的不同运行特征和投建成本构成，以及不同的应用领域和应用时间尺度，实现储能的合理选型。

2.2.2 电网侧储能的模型框架及求解方法

相较于电源侧储能规划，电网侧储能规划涉及更为复杂的网络及元件模型，其求解难度相对较大。因此，需要定制化设计出配套的优化框架或方法，以实现模型的解耦及问题简化。一类常见的优化方法是基于分解协调的思想，构造出一系列多层或多阶段模型，使其适用于交替迭代求解算法。典型的分层优化方法，即是将储能规划问题分解为内外层嵌套的双层决策模型，其中外层的长时间尺度规划问题主要决定了储能的选址定容，而内层则在短时间尺度上评估了储能参与实际运行的效果，由此交替迭代实现了成本与效益的均衡，具体如文献[49]所述。类似地，多阶段模型的求解也往往是根据需要将规划问题解耦为一阶段规划问题、二阶段运行问题乃至其他多阶段问题，使其符合分解算法所对应的特殊数学结构。文献[50]提出了三阶段储能优化模型，通过在3个阶段逐次考虑储能的选址、定容以及运行评估，实现了对储能规划“近似最优”的快速求解。

另一类主流的优化方法则是以最优潮流为框架，并结合启发式算法进行求解。该类方法通过将储能装置按照充放电状态分别等效为负荷或发电机，使得整个优化问题适用于最优潮流框架快速求解，此类典型的应用在文献[51]中有所体现。此外，基于此框架，相关研究也逐步进行了扩展。文献[52]将可靠性的成本也纳入目标函数中进行规划求解。文献[53]构造了表征系统运行成本及电压稳定性的双目标最优潮流模型，从而使储能规划方案兼顾了系统的经济性与可靠性。文献[54]提出了基于多时段最优潮流的储能规划方法，克服了单时段最优潮流难以刻画储能时序耦合运行特点的问题。

考虑到不同物理特性的储能在系统中多点部署会带来迥异的效果，电网侧储能规划的目标即是通过对比各类技术方案投资运行经济性，以实现储能选址定容优化决策。相较于源侧的储能配置，电网侧储能规划问题更加依赖于投资决策-运行校验的二阶段配置模式，模型架构相对统一。然而，规划问题的决策精准程度取决于对包含网络架构在内的复杂系统以及海量新能源场景特征的分析与刻画。同时，也需要根据问题的复杂程度，灵活选取内嵌运行的多阶段/多层的建模技术或者是规划-运行交互迭代的分解协调模型框架来进行求解。

3 考虑大规模储能的源网协调规划

大规模储能与源网的联合规划是指储能与其他基础系统设备如输电线路、灵活机组、风电光伏等统一进行协调配置。该方法主要计及了各种系统设备在宏观层面上的耦合与替代关系，并考虑到系统规划与运行间的关联性，从而全面实现各类基础系统设备的优化配置，揭示了在大规模新能源接入下电力系统应有的适应性形态。

当前含储能的源网协调规划总结可参见表2。储能在输电网侧的部署，除了可以替代部分峰荷电厂的投建，其更主要的作用在于可以有效缓解由于新能源高发时段出现的线路阻塞问题，从而延缓部分关键线路扩建计划。如何合理规划具有互补替代关系的储能及输电线路，以实现新能源消纳的提升以及经济成本的优化，成为当前研究的重点。文献[55]设计了最小化投资和弃风总成本，以及最大化储能电站效益的多目标函数，构建了含抽水蓄能电站和输电线路的优化配置模型。文献[56]则进一步在规划问题中考虑储能装置性能的逐年衰减以及输电线路的投建时延。类似地，文献[57]探究了在可自由开闭线路的输电网络中输电线路和储能装置的联合规划问题。储能的合理配置也能提升系统的风险抵御能力。文献[58]从系统可靠性的角度，研究了最恶劣N–K故障下输电网与储能的规划-攻击-防御三层协同规划问题。

表2 源网储协调规划研究概述Table 2 Overview of research on source-grid-storage coordination planning

考虑到当前新能源开发潜力巨大，未来新能源电站并网容量需求仍会逐年攀升，这不可避免地会导致常规机组被大量替代，系统的整体灵活性降低，应对新能源不确定风险的能力持续削弱。同时，现有的输电系统也难以满足新能源的传输需求。为此，系统运营公司需要配套部署储能，以期保有足够的系统调峰及输电能力。部分研究在输电线路和储能装置联合规划问题中，兼顾新能源电站的规划需求，实现了中远期的储能及其他各类系统元件联合优化配置。文献[59]基于优化后的风储充放电策略，在输电网规划问题中充分考虑风储联合规划及运行所产生的影响。文献[60]则充分考虑高比例可再生能源电力系统灵活性需求，探究了以实现灵活性供需平衡为目的的源-网-储一体化规划方法。

随着新能源出力以及能源供给双重不确定性的日益凸显，储能参与区域综合能源系统优化运行，可使得多种能源间的耦合性进一步增强，促进多能互补利用。特别地，储能在电-气耦合系统中的配置利用已经较为成熟，其所吸纳的冗余风光发电量不仅可以在峰荷时段削减电力需求峰值，还可以通过能源转化设备，如电转氢/天然气设备等，保障气网峰值负荷供应。文献[61-62]基于以燃气发电机组为耦合节点的电-气网络，研究了旨在消除弃风风险的储能、热电联产机组、传输线及气网元件联合规划问题，实现了电-气元件互补替代以及能源供需均衡。

总之，含储能的源网协调规划延续了电网侧储能规划的规划理念与规划思想，且具有更深的内涵。从建模方法与求解技术等细节上，含储能的源网协调规划同样以投资决策-运行校验的规划框架为主。然而，在研究内容上，更加侧重于多类型电力元件与储能的协同优化配置，从而实现了源-网-储的优势互补以及资源禀赋的高效利用。更进一步地，储能规划的范畴也随着研究的深入在逐步扩大，储能在多能源系统中与多元件优化配置研究也是当前的热点及难点。

4 大规模储能规划研究存在的问题及展望

随着大规模储能技术的不断突破、经济效益的逐步提升，大规模储能规划的研究将备受瞩目。综上所述，大规模储能规划研究已经形成了比较清晰的脉络及体系，但其中仍然存在一些亟待解决的重要问题。主要分为以下几点。

（1）储能参与电力系统运行时，具有能量转移效益，即参与削峰填谷，提升新能源消纳以及降低污染物排放等静态效益。同时，储能也可以利用自身不同时间尺度上的快速响应能力，参与提供多项电网辅助服务，具有显著的动态调节效益[63]。此外，储能对于维持系统稳定性也具有突出的作用。然而，在储能规划问题中，对上述效益的精准衡量涉及储能本身以及所对应物理问题在不同时间尺度上的建模与刻画。如何在保证整体问题建模内部自洽性的基础上，充分挖掘储能参与提供多重服务的能力，是当前储能规划建模的一个难题。

（2）大规模储能规划问题需要解决储能元件及其他系统元件的选址、选型及定容问题，规划问题本身已非常复杂。特别是，随着规划对象的丰富及规划场景的拓展，需要进一步实现对各类可再生能源、新型电网及其他系统元件的精细化建模，这也会为模型引入各类非线性乃至非凸因素，规划问题求解难度进一步增强。此外，新形势下源荷不确定性将会产生海量场景，待求解问题的规模会进一步增大。在此背景下，问题求解的便捷性和准确性难以兼顾，如何合理对模型进行重构以及简化，并定制化设计快速求解方法，也是需要进一步解决的难点。

（3）当前中国市场化改革为储能的应用提供了更广阔的前景，特别是近年来，随着容量市场及辅助服务市场规则的逐步细化，储能可以获得收益的渠道、种类以及数额也在稳步增加，这将直接或间接地决定储能项目的经济性及可行性，从而影响到储能规划的优化决策[64]。储能作为灵活电源以及可靠的辅助服务提供方，如何在其规划研究中纳入对现行市场机制设计的影响，并合理评估其参与市场的多方面收益[65]，是很有意义的研究问题。另外，对储能商业模式的研究与实践也在逐步深入，青海电网已围绕共享储能运营模式展开了深入探索。如何将实际工程经验吸纳并转化为系统性的规划理论与方法，并进一步推广，也是值得深思的问题。