董昱1, 范高鋒1, 董存1, 于若英2, 趙俊屹3

（1. 國家電網有限公司, 北京 100031; 2. 中國電力科學研究院有限公司, 江蘇 南京 210003; 3. 國網山西省電力公司, 山西 太原 030021）

摘要：現階段，儲能的配置分析計算大多是圍繞單一場景開展的，無法充分發揮儲能的多重作用。為合理配置儲能，提高電力系統綜合效益，從系統整體運行需求角度入手，歸納總結電力系統配置儲能應統籌考慮源網荷發展情況、細致分析儲能對常規機組的替代作用、綜合優化儲能充放電策略3方面關鍵因素；提出在功率、能量和充放電時長3個維度均不確定的情況下，電力系統統籌配置儲能的分析計算方法，包括儲能的功率初值計算、確定功率下的能量分析計算和不同功率下的能量滾動計算3個主要環節。最后，以某省級電力系統為案例，開展2021—2025年儲能配置分析計算。計算結果表明：在滿足同一運行要求下，配置有多組可行解，且儲能功率在一定范圍內增大，可一定程度降低系統對能量的需求。算例從經濟性角度出發，對比并選擇可行解中投資成本最小的方案作為最終配置方案。

引文信息

董昱, 范高鋒, 董存, 等. 電力系統配置儲能分析計算方法[J]. 中國電力, 2022, 55(1): 26-36.

DONG Yu, FAN Gaofeng, DONG Cun, et al. Analysis and calculation of energy storage configuration in power system[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 26-36.

引言

隨著儲能技術的進步和電力系統的發展，儲能在電力系統中的配置問題逐步引起關注。目前針對電力系統中的儲能配置問題的研究主要可歸納為如下幾類。（1）儲能與電源聯合規劃配置研究。對于火電配置儲能，主要是用于輔助深度調峰和自動發電控制（automatic generation control, AGC），通過輔助服務獲取收益，以儲能壽命周期內的效益最大為目標建立成本效益模型，求解得到儲能配置容量[1-3]；對于新能源電站配置儲能，通常以平抑新能源波動和減少新能源棄電為目標，前者多采用一階濾波方法求解，后者多以含棄電電量損失懲罰項的運行成本最小為目標建立儲能配置模型，并進行求解[4-6]。若考慮新能源不確定性影響，則多采用隨機規劃[7-9]和魯棒優化方法建立儲能容量配置模型，近年來較為熱門的分布魯棒方法也被應用于解決新能源配置儲能的問題[10]。（2）儲能與電網聯合規劃配置研究。針對儲能可替代輸電線路擴建，緩解線路阻塞，發揮經濟效益，從而建立“儲-輸”優化配置模型，并采用啟發式方法與數學規劃方法相結合的算法求解[11-13]；針對參與電網調峰需求，建立考慮靈活性供需平衡的儲能配置模型，并進行求解[14-15]。（3）面向用戶的儲能配置方法研究，針對用戶加裝儲能后可利用峰谷電價差套利，以經濟效益最大為目標實現儲能的配置[16]。此外，針對近年來“共享儲能”[17]商業模式的興起，也有學者研究從售電公司配置儲能的角度，分析儲能全壽命周期內的投資收益情況，研究儲能的配置規模[18-19]。總體上說，相關研究較為深入，但是這些方法大多是針對特定場景下儲能發揮單一作用的分析計算，而從儲能的功能定位和發揮的作用來看，不同場景下的功能有重合，單個場景下的儲能又能發揮多重作用。同時，配置面向的區域越大，儲能越能發揮多重功能，利用率越高，整體上對儲能配置的需求會顯著降低。因此，若按照不同場景進行分別配置，會造成配置規模冗余，利用率低，經濟性差。從全系統運行需求角度研究配置需求，由于功率和能量互相耦合，且存在功率、能量和充放電時長3個維度均不確定的困難，計算難度大，文獻[20]將充放電時長確定為6 h和720 h，則只需計算系統的功率需求，大幅降低了計算難度，但結果具有局限性。針對一般情況下儲能的功率、能量和時長都未知的情況，求解系統所需配置的儲能規模，目前尚未形成完整成熟的方法體系，導致儲能的配置規模難以評估，難以給出系統性結論。

基于此，本文以滿足電力系統整體運行需求為目標，結合電力系統發展需要，探索研究儲能的統籌配置計算方法，引導儲能合理布局，以運行指導規劃，提升電力系統綜合效益。首先，分析電力系統配置儲能的3方面關鍵因素；然后，提出電力系統配置儲能的總體思路，建立電力系統配置儲能分析計算方法，確立儲能功率和能量分析方法和計算流程；最后，以某省級電網為案例開展分析計算，以期為相關研究工作提供參考和依據。本文中所指的儲能是指納入統一調度控制的公共儲能系統。

1  電力系統配置儲能考慮的關鍵因素

1.1  統籌考慮源-網-荷發展情況

電力系統配置儲能分析計算應結合電力系統網架結構、電源構成及負荷特性，充分考慮系統中新能源規模占比及資源特性，計算案例應能覆蓋典型場景。對于新能源和負荷等不確定性較強的因素，其時序序列應由近3~5年的歷史數據分析得到。計算水平年的新能源可用發電功率數據應由非限電情況下歷史可用發電功率數據或限電記錄還原的數據分析得到，能夠反映當地新能源出力變化特性。水電功率應結合中長期水文預報結果，計算在不同來水條件下的水電發電量。計算水平年的用電負荷數據應涵蓋典型負荷預測水平，典型負荷預測水平應根據歷史年負荷變化情況及經濟發展趨勢確定。聯絡線交換功率數據應考慮聯絡線投運計劃及運行模式。根據計算分析的目的和要求、電網斷面輸電受限情況，可對目標電網結構進行分區簡化和處理。儲能性能衰減情況采用儲能健康狀態表征，應考慮儲能的類型和使用年限綜合。

1.2  考慮儲能對常規機組的替代作用

應結合儲能類型及特性，將儲能的充放電功率納入全網電力電量平衡。在確保安全[21-22]、供熱等條件下，計及儲能對常規調峰電源的替代作用，將穩定可靠的儲能功率納入機組組合，優化系統的開機方式。

考慮儲能納入機組組合后，常規電源的調節范圍上下限為

1.3  優化儲能的充放電策略

儲能的充放電功率首先應滿足儲能電池自身的運行約束，主要包括荷電狀態（SOC）約束、儲能額定功率約束，并考慮儲能的充放電效率影響，即

在此過程中，還應考慮火電機組深度調峰能力、需求側響應及系統中已建儲能（如抽蓄電站）與儲能充放電的協調配合，依據不同的電源、負荷類型和響應機制[23-24]，建立多類型資源的互動調節模式進行具體分析。

2  電力系統配置儲能分析計算方法

2.1  總體思路

根據儲能在電力系統中發揮的作用，以滿足新能源利用率要求，負荷平衡要求和支撐系統安全穩定運行為目標，開展儲能的配置分析計算。采用基于時序仿真的電力電量平衡分析，得到多組儲能的功率和能量配置結果，整體計算流程如圖1所示。

圖1  電力系統配置儲能分析計算方法體系架構

Fig.1  framework of analysis and calculation method of energy storage configuration in the power system

2.2  分析計算方法

電力系統配置儲能分析計算圍繞儲能的功率和能量展開。由于功率和能量相互耦合，在功率、能量及充放電時長都不確定的情況下，無法進行解耦計算。需首先確定功率初值，方能計入機組組合優化開機方式，進而迭代計算得到能量需求。在此基礎上，按一定步長調整功率，滾動計算不同功率對開機方式的影響，最終得到滿足要求的一系列功率和能量的配置組合。因此，計算包括儲能功率初值計算、確定功率下的能量計算和不同功率下的能量滾動計算3個環節。

（1）儲能功率初值Pes0計算。儲能的功率初值應同時滿足負荷功率需求和新能源利用率的要求。計及需求響應的作用，在負荷限電情況下，配置儲能的功率應大于等于負荷限電功率最大值，以滿足負荷可靠供電，即

式中：Plc(t) 為負荷限電功率。

在新能源受阻情況下，配置的儲能功率初值應能滿足新能源利用率要求。由于新能源利用率是對電量的要求，儲能功率初值須通過建立全周期內新能源受阻功率、受阻電量與儲能功率的匹配關系分析得到。如圖2所示，配置功率為Pes0的儲能后，若儲能能量不受限，則小于Pes0的受阻電量都能夠被儲能消納（圖2中受阻功率曲線在紅線以下的部分與紅線圍成的面積），此時，新能源受阻電量為大于Pes0的功率累積的電量（受阻功率曲線在紅線以上的部分與紅線圍成的面積）。

圖2  儲能功率初值計算示意

Fig.2  Initial value calculation of energy storage power

根據新能源利用率要求計算儲能的功率初值的計算步驟為：

①篩選新能源受阻時段和受阻功率；

同時存在新能源受阻和負荷限電時，應比較新能源受阻功率和負荷限電功率，選擇同時滿足二者要求的功率作為儲能功率初值。

（2）確定功率下的能量計算，主要包括開機方式優化、儲能充放電策略確定和儲能能量計算。

結合儲能類型及特性，按式（1）將儲能的充放電功率納入全網電力電量平衡。在確保安全、供熱等條件下，將穩定可靠的儲能功率納入開機方式，具體納入比例應根據系統運行情況確定。考慮源網荷儲的互動協調關系，并根據儲能納入電力電量平衡后的常規電源調節范圍，計算新能源受阻功率和負荷限電功率，和未發生新能源受阻和負荷受限時段的常規電源調節范圍計算系統允許儲能充放電功率（式（4）~（6）），以此確定儲能充放電策略。

根據新能源利用率和負荷限電電量要求，結合儲能充放電策略，計算功率初值對應的儲能能量。計算步驟為：①選擇儲能能量初值，可為單次新能源受阻電量和單次負荷限電電量中的最大值；②逐時段計算儲能的充、放電功率。儲能的充放電功率應由儲能的荷電狀態、儲能功率、新能源受阻功率、負荷受限功率及系統允許儲能充放電功率綜合確定；③計算配置儲能后的新能源受阻電量和新能源利用率；④判斷新能源利用率是否滿足要求。新能源利用率小于目標時，增加儲能能量；新能源利用率大于目標時，減少儲能能量，直至滿足新能源利用率目標；判斷平抑的負荷限電電量是否滿足平衡要求，不滿足時，增加儲能能量，直至滿足平衡要求。

（3）不同功率下的能量滾動計算。根據系統安全約束、新能源利用率和負荷限電要求，按一定步長，調整儲能功率。按照步驟（2）中的計算流程滾動計算不同儲能功率對應的儲能能量，得到儲能功率和能量的配置組合。

3  案例分析

根據上述方法，開展某省級電力系統配置儲能分析計算。根據2021—2025年的邊界條件，考慮該系統中需求響應占比小于1%，以負荷100%滿足和新能源利用率達到95%為目標，開展“十四五”期間逐年配置儲能的分析計算。

3.1  計算條件

表1為該省級電網2021—2025年的計算邊界條件，主要包括電源分類裝機、負荷預測和省間聯絡線交換功率情況。

表1  “十四五”期間計算邊界條件

Table 1  Boundary conditions during the 14th Five-year Plan

3.2  儲能功率和能量計算

（1）儲能功率初值計算結果。根據常規機組開機時序和新能源出力預測，以步長1 h，周期8 760 h計算得到不配置儲能時該省級電力系統2021年共預計發生206次棄電，如圖3中藍色曲線所示，棄電電量83.7億kW·h，棄電率10.7%。

圖3  儲能功率初值與棄電曲線

Fig.3  Initial value of energy storage power and power abandonment curve

按照2.2中儲能功率初值計算方法，不斷調整Pes0，當新能源受阻電量占比為5%時，新能源利用率達到95%的目標，此時，Pes0為290萬kW，即為配置儲能的功率初值。迭代計算過程如表2所示。

表2  儲能功率初值與新能源利用率的關系

Table 2  Relationship between the initial value of energy storage power and the utilization rate of renewable energy

（2）儲能功率初值下的能量計算。在保證電網安全穩定運行和供熱要求的前提下，設置儲能功率初值290萬kW，按40%納入機組組合，能量初值為2900萬kW·h，時序仿真計算得到新能源利用率為94.15%，不滿足利用率要求，進一步增加儲能能量，得到功率初值下，滿足負荷和新能源利用率要求的儲能配置方案為290萬kW、7 250萬kW·h，如表3所示。

表3  儲能功率初值下不同能量對應的新能源利用率和負荷滿足比例

Table 3  Utilization rate of renewable energy and load satisfaction rate corresponding to different energy under the initial value of energy storage power

（3）不同儲能功率和能量的滾動計算。以10萬kW為步長增加儲能功率，滾動計算不同儲能功率下滿足新能源利用率和負荷限電要求的儲能能量，當功率超過780萬kW·h，開機容量小于系統要求的最小值，不再繼續計算。計算得到的部分結果如表4所示。

表4  不同功率下滿足新能源利用率和負荷平衡要求的儲能能量計算結果

Table 4  Calculation results of the energy capacity of energy storage satisfying the requirements of the utilization rate of renewable energy and load balance under different power

以儲能600萬kW/2 400萬kW·h的配置方案為例，選取典型日繪制系統時序運行曲線和儲能SOC曲線，如圖4、5所示。可以看到，當SOC達到100%，儲能無法繼續充電，新能源發生棄電，直到17:00，新能源發電功率減小，負荷上升，儲能有了放電空間，SOC開始減小，直到22:00儲能電量放完。圖6、7為2021年1月儲能的SOC曲線和儲能充放電功率曲線。

圖4  2021年1月14日系統運行曲線

Fig.4  Operation curve of the system on January 14, 2021

圖5  2021年1月14儲能SOC時序曲線

Fig.5  Time series curve of SOC in energy storage on January 14, 2021

圖6  2021年1月儲能SOC時序曲線

Fig.6  Time series curve of SOC in energy storage in January 2021

圖7  2021年1月儲能充放電功率時序曲線

Fig.7  Time series curve of charging/discharging power in energy storage in January 2021

若選擇整小時數的配置方案600萬kW/2 400萬kW·h、700萬kW/2 100萬kW·h和900萬kW/1 806萬kW·h作為2021年的配置結果，結合2021—2025年的邊界條件，并計及儲能的容量衰減，開展2022—2025年的配置需求分析。

儲能的容量衰減按下述方式進行估算：當儲能的最大放電電量衰減到電池標稱容量的80%時[25]，達到電池的壽命終止條件。設初始投運時，電池最大放電電量為標稱容量的100%，考慮目前電化學儲能電站運營年限10年，估算得到年度衰減電量約為標稱容量的2%。

計算各年的儲能配置方案。選取2 h、3 h和4 h的配置結果，結果如表5~7所示。

表5  “十四五”期間儲能配置規模（4 h）

Table 5  Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (4 h)

表6  “十四五”期間儲能配置規模（3 h）

Table 6  Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (3 h)

表7  “十四五”期間儲能配置規模（2 h）

Table 7  Energy storage configuration results during the 14th Five-year Plan (2 h)

3.3  敏感性分析

分析計算表明，滿足該電力系統的負荷平衡和新能源利用要求的儲能配置方案不唯一，按照功率和能量一一對應的關系，可形成一組解集。

分析解集的規律，以2021年的計算結果為例，繪制儲能的功率和能量分析計算結果，如圖8所示。可以看到，在達到相同目標的前提下，儲能的能量隨著儲能功率的增加而減少，且減少的趨勢逐步放緩。在功率較小時（初值290萬kW為起點），能量下降斜率較大，當功率達到650萬kW以上時，儲能的能量基本達到平穩狀態。

圖8  儲能功率和能量變化趨勢曲線

Fig.8  Change trend curve of energy storage power and energy

在此基礎上，進一步分析功率和能量對新能源利用率的影響。

以前文分析為基礎，若保持2400萬kW·h的儲能能量不變，調整儲能的功率，得到儲能功率與新能源利用率變化趨勢曲線，如圖9所示。可以看到，新能源利用率隨著儲能功率增加而上升，且上升的趨勢逐步放緩。在功率較小時，隨著功率增大，新能源利用率上升斜率較大；當功率達到600萬kW以上時，新能源利用率的變化較小趨于平穩。若保持600萬kW的儲能功率不變，調整儲能能量，得到儲能能量與新能源利用率變化趨勢曲線，如圖10所示。可以看到，新能源利用率隨著儲能能量增加而上升，且上升的趨勢逐步放緩。

圖9  儲能功率與新能源利用率變化趨勢曲線

Fig.9  Change trend curve of energy storage power and utilization rate of renewable energy

圖10  儲能能量與新能源利用率變化趨勢曲線

Fig.10  Change trend curve of the energy capacity of energy storage and the utilization rate of renewable energy

3.4  經濟性分析

從技術需求角度看，儲能的配置方案可有多組可行解。本文以最小投資為目標，從多組可行解中選擇最優配置方案。

儲能系統的投資成本包括儲能本體、PCS和輔助設施以及運行維護成本。按照美國電科院對大容量儲能系統的成本現狀調研結果[17]（如表8所示）開展投資成本分析，得到不同類型下的投資成本如表9所示。

表8  大容量儲能系統的單位成本

Table 8  Cost per unit of large-capacity energy storage systems

由表9可以看到，由于不同類型的儲能系統的功率成本、能量成本差異較大，造成不同配置方案的投資成本差別較大。對于電化學儲能系統來說，3種配置方案中，最優的為鉛酸電池系統的900萬kW/2 h方案；若地理條件允許，抽水蓄能電站的600萬kW/4 h方案更優。

表9  不同類型儲能系統的投資成本 單位：萬美元

Table 9  Investment costs of different types of energy storage systems 萬美元

4  結論

為滿足大規模新能源并網背景下電力系統整體運行需求和發展需要，本文從系統全局視角開創性探索研究了電力系統配置儲能的功率和能量分析計算方法，得出結論如下。

（1）電力系統配置儲能需要重點考慮的3方面因素。①應統籌考慮源網荷發展情況，計算所用數據和案例能夠覆蓋未來典型場景；②應細致分析儲能對常規機組的替代作用，在滿足系統安全和供熱要求前提下優化開機方式；③應綜合優化儲能充放電策略，應結合儲能自身運行特性、系統運行需要和源荷儲互動關系綜合確定儲能的充放電時序。

（2）電力系統配置儲能分析計算主要分為儲能的功率初值計算、確定功率下的能量分析計算和不同功率下的能量滾動計算3個步驟。由于功率和能量互相耦合，同一目標下配置方案不唯一，而是一組解的集合。在可行解集中選擇投資成本最小的方案作為最優方案。

（3）本文選取某省級電力系統開展“十四五”期間儲能配置規模測算，算例結果表明，在保障安全和供熱需求的前提下，為滿足新能源利用率和負荷平衡的目標，可形成多組儲能配置方案，且配置的儲能功率、儲能能量與新能源利用率之間存在非線性的耦合關系。通過對比分析不同方案的經濟性可得到最優配置方案。

后續工作中，將繼續深入研究如何在市場環境下統籌考慮儲能調峰、調頻和調壓等多重功能，細化源網荷儲一體化背景下儲能的充放電策略，完善電力系統配置儲能方法體系。