分散式儲能的應用技術、關鍵設備及商業模式

來自專欄中國電力市場與能源未來-交能說4 人贊了文章

近年來，分散式電源大量接入配電網，其接入點的隨機性和出力的不確定性給配電網的規劃運營帶來了新的問題。與此同時，隨著負荷快速增長，峰谷差不斷增大，城鄉配電網「標準低、聯繫弱、低電壓」等問題日益突出，負荷需求響應作為一種有效調節手段，在一定程度上可以緩解上述問題，但是要從根本上解決，需要引入儲能技術。

隨著儲能技術進步和成本降低以及需求側的演化發展，分散式儲能在電力系統中的廣泛應用是未來電網發展的必然趨勢，也是突破傳統配電網規劃運營方式的重要途徑。分散式儲能安裝地點靈活，與集中式儲能比較，減少了集中儲能電站的線路損耗和投資壓力，但相對於大電網的傳統運行模式，目前的分散式儲能接入及出力具有分散布局、可控性差等特點。從電網調度角度而言，目前缺乏有效的調度手段，如任其自發運行，相當於接入一大批隨機性的擾動電源，它們的無序運行無助於電網頻率、電壓和電能質量的改善，也造成了儲能資源的較大浪費。在配電網中合理地規劃分散式儲能，並調控其與分散式電源和負荷協同運行，不但可以通過削峰填谷起到降低配電網容量的作用，還可以彌補分散式出力隨機性對電網安全和經濟運行的負面影響。進一步，通過多點分散式儲能形成規模化匯聚效應，積極有效地面向電網應用，參與電網調峰、調頻和調壓等輔助服務，將有效提高電網安全水平和運行效率。

儲能規劃技術

目前，分散式儲能的應用場景主要包含用戶側、分散式電源側和配網側 3 個方面，其投資主體包括用戶、分散式電源投資商和電網公司，多以分散式電源、用戶側或微電網為背景引入，電動汽車也是其中的一種重要組成。在配網中，關於分散式儲能規劃技術的研究主要涉及容量優化配置及選點布局 2 個方面，並且當需要同時開展容量和選點研究時，鑒於二者間存在的強耦合關係，在目前國內外開展的研究中，往往將之作為一體化問題處理，多通過將分散式儲能規劃描述為一個優化問題，優化目標和約束條件隨應用場景和應用目標而變。優化目標主要包括技術性目標和經濟性目標兩類，約束條件一般包含儲能設備布局總點數、儲能本身和系統運行方面的約束條件。

在配網側規劃儲能系統時，儲容配置和選點布局的一般步驟如下：

1）確定研究對象，電網和儲能應用場景(約束條件、負荷曲線、時間跨度等)。

2）確定電網內可用於安裝儲能設備的節點數。

3）確定分散式儲能系統的總容量。

4）確定儲能系統的控制策略。

5）確定分散式儲能系統的容量劃分方式。

6）在選定的應用場景中，模擬分散式儲能的分配效果。

7）重複步驟 5）和 6），迭代次數取決於布局點數和計算精度要求。演算法流程圖見圖 1。

綜合目前國內外開展的分散式儲能系統的優化規劃方面的研究，大多建立以技術性或經濟性或技術與經濟性綜合目標的目標函數，在儲能本身和系統運行的約束條件下開展尋優求解，目標函數一般可綜合為單目標優化，約束條件包含等式約束和不等式約束，針對該優化求解問題也開展了較多研究，多採用智能求解演算法進行求解，比如遺傳演算法。

此外，在用戶側規劃儲能設備，不存在布點問題；並且因為我國目前實行分時電價和針對工商業用戶的兩部制電價政策，所以用戶側分散式儲能的引入多從經濟性角度出發，以減少電費或最大化收益為目標開展儲能配置研究。江蘇 2017年用戶側分散式儲能規劃建設情況如表 1 所示。從表 1可以看出，當前用戶儲能的建設目標還是以需求響應(價差套利)和提高供電可靠性為主，對電網的支撐作用主要是削峰填谷。

總體而言，國內外在分散式儲能規劃方面已有較多研究，但目前的研究均是在確定的應用場景下開展常規性的規劃研究，為提高分散式儲能系統的利用效率和充分調動電網資源，有必要面向電網應用，開展基於配網內現有儲能資源的補充性規劃技術研究，即針對電網需求，首先評估電網內已有的可匯聚儲能資源，在此基礎上，開展差額配置和布點研究。

儲能參與配電網優化運行

儲能系統憑藉其快速功率調節以及兼具供蓄能力的特徵，在平滑間歇式能源功率波動、削峰填谷、改善電壓質量以及提供備用電源等方面都發揮了較大作用，是配電網實現對廣泛接入的分散式能源靈活調節以及網路優化運行的關鍵所在。當大量可再生能源接入配電網時，其出力的波動性會對配電網的電壓質量帶來不利影響，甚至會使電壓越限，使用儲能裝置可以對接入節點的可再生能源及負荷進行削峰填谷，從而抑制了功率波動，減小了電壓越限風險，提升了配電網對新能源的接納能力；同時，儲能系統的接入也可以改善配電網潮流、降低網損，優化配電網的運行。此外，將多個子儲能系統並聯在微網中可提高儲能系統的容量，利用儲能系統的快速功率調節能力，可為整個孤網系統提供穩定的電壓頻率支撐，維持微網系統運行的穩定。

儲能參與系統輔助服務

儲能系統可通過參與系統輔助服務，對電網起到支撐作用，應用模式主要包括調頻和調峰。不同於傳統火電機組，可再生能源發電系統屬於低慣量系統，雖然可以通過虛擬同步或虛擬慣量控制策略獲取一定的阻尼特性，但是作用有限。大量光伏電站或風電場併網會降低電力系統的慣量，弱化電網對頻率的調節能力，影響其安全穩定運行。利用儲能系統，可以進行削峰填谷的工作，減小有功功率的波動；也可以提升可再生電源對頻率調節的響應能力，改善低慣量系統的一次調頻特性。當光伏電站或風電場不足以響應系統的頻率調節時，儲能系統可以通過放出或吸收功率，完成新能源電站對電網頻率變化的響應。

總體而言，已有研究大多針對集中式大容量的儲能系統，而對於分散式儲能參與電網輔助服務的協同控制技術研究還較少。如何構建規模化分散式儲能匯聚效應的動態模擬模型，協調控制多點布局的分散式儲能以及柔性負荷，亟需開展相關內容的深入研究與應用。有研究定義了負荷聚合商概念，因此進一步可以擴展到儲能參與需求響應和提供輔助服務中，將會出現「資源聚合商」，未來資源聚合商將匯聚若干分散式用戶儲能參與電力市場交易，基本框架如圖 2 所示。

關鍵裝備：高效率、即插即用儲能變流器

在一些特殊的場合下，分散式儲能設備需要有併網和離網運行 2 種工作模式，這 2 種工作模式之間的切換需要儘可能平滑，減小對用戶或電網的衝擊和影響，使分散式儲能設備能夠柔性接入和退出的控制技術是實現分散式儲能設備即插即用的基礎。通過併網切換孤島過程補償演算法與孤島切換併網過程預同步方法可以實現 2 種工況的無縫切換。

對於提高分散式儲能系統的效率而言，基於新型中點鉗位(A-NPC)拓撲結構的三電平變流器可以提高輸出電壓波形質量，有利於降低絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)耐壓，以減小開關器件成本、IGBT損耗和電感損耗，來提高系統整體效率，因此具有廣泛的應用前景。

目前對於單台儲能變流設備無縫切換控制策略研究較多，但是如何實現設備即插即用的電氣/通訊介面技術以及設備併網運行時的柔性接入/退出，減小對系統衝擊方面和不同應用模式下平滑切換控制技術方面研究較少，亟需開展相關內容的深入研究。

關鍵裝備：儲能系統就地監控設備

電池儲能系統一般由儲能電池、電池管理系統、雙向變流器和監控系統等幾個主要部分組成，並通過升壓變壓器接入 10 kV 及以上電壓等級。儲能監控系統與電池管理系統、雙向變流器、上級調度系統通過高速的通信協議以及通信網路實現信息交互與傳輸，從而實現對儲能系統的監測、運行控制以及能量管理。針對分散式儲能系統的不同應用場景以及需求，儲能監控系統基於儲能系統中電池、雙向變流器等配套設備的運行狀態，實時控制各儲能變流器的充放電功率並優化管理儲能電池系統充放電能量，不僅實現電池儲能系統在各種場景下的應用目標，並可實現電池系統的優化調度管理，有效減緩電池劣化，實現儲能系統高效、安全、可靠、經濟運行。儲能監控系統的設計需要遵循IEC 61850 標準，能夠完成實時監控和高效控制的功能，提高儲能系統運行的穩定性，主要環節包括信息採集、狀態監測、遠程控制、人機交互等。儲能監控系統拓撲結構見圖3。

由於國情不同、電網的生產運營方式不同以及高昂的價格，國外的監控系統很難在國內推廣應用。考慮到今後儲能監控技術與需求的發展，實現先進的優化控制調度，開發具有自主知識產權適用於多點布局中小規模分散式工程的低成本儲能監控系統勢在必行。

關鍵裝備：多源儲能系統協調控制設備

多源協調控制根據分散式電源、負載類型以及配電網不同的工作模式，通過主從控制、對等控制以及其他相關控制策略，抑制因各節點電壓差產生的環流和控制直流母線電壓的穩定，實現配電網中的各供電電源的協調控制。常用的控制技術包括多代理系統的直流電壓穩定控制策略、電壓分層協調控制策略、基於動態虛擬慣量的分散式電源控制等。對於離網運行的工況而言，多台儲能逆變器並聯運行時，需要為整個微網系統提供穩定的電壓頻率支撐，但逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗的差異會造成功率分配不均以及環流過大等問題，從而導致整個微網系統的不穩定。P-U、Q-f下垂控制策略可以解決功率在多台儲能逆變器之間的分配問題。針對逆變器間的環流，可以增加虛擬阻抗技術，使變流器等效輸出阻抗呈現阻性，從而抑制環流；對於不同電池系統，其荷電狀態不同，可以施加功率控制外環，根據電池系統的荷電狀態合理分配功率，從而實現多台逆變器離網狀態下的協調控制。下垂控制適用於本地多逆變器離網的並聯控制，對於配電網中分散式儲能而言，往往是併網運行，且分布在不同節點上。對於廣域布局分散式儲能系統的協調控制設備的研製，需要遵循IEC 61850 通信標準建立儲能系統的擴展信息模型，實現不同節點儲能系統的通信與數據共享，並以最優電能質量指標或最大經濟效益為目標編寫控制軟體，實現廣域布局分散式儲能系統的協調控制。除了分散式儲能系統之外，有學者在分析電動汽車動力電池特性的基礎上提出了電動汽車分散式儲能的概念。在滿足電池約束、電網約束和車主約束的基礎上提出了電動汽車分散式儲能的控制策略。

目前，國際上的分散式儲能協調控制設備研發也處在剛剛起步的過程，如德國能源供應公司SENEC.IES，目前有 2000 個用戶參與到他們的Economic Grid計劃中，家庭用戶安裝「雙向能源管理系統」(簡稱 BEMI)，每 15 min 儲存用戶用電數據，記錄用戶用電習慣，當電價發生變動時，BEMI 通過控制分散式儲能系統來調控用電時間和用電量。目前國內尚沒有分散式儲能相關產品，主要是借用微網控制器實現類似功能，然而微網控制器多用於本地控制，很少涉及到廣域多點調度相關功能，同時微網控制器缺乏對電池儲能系統在線檢測、充放電優化控制和保護的相關功能，難以實現對於分散式儲能系統的全面控制和優化。伴隨配網側分散式儲能的快速發展，面向電網的儲能資源匯聚應用將包含電池儲能設備、通過 V2G併網的電動汽車、儲熱鍋爐、冰蓄冷中央空調等分散式儲能設備，通過多設備間的協調控制，參與電網調峰、調頻等應用，如圖4所示。在這個過程中，儲能系統的協調控制設備在上層調度和各分散的分散式儲能資源間起到調度指令分解、儲能設備協調控制、儲能監控與保護、多應用功能切換等功能。

商業模式

作為分散式可再生能源發電和智能微電網的關鍵支撐技術，分散式儲能在分散式發電和微電網系統中除了參與系統運行控制，還可以產生相應的經濟效益，如在分時電價機制下，可以通過低儲高發實現套利，在工商業用戶兩部制電價下，通過降低基本電價為用戶節省電費，或通過提供用戶需求響應能力，幫助用戶降低高峰負荷的用電量，賺取需求響應服務費等。2016 年國家能源局發布的《關於促進電儲能參與「三北」地區電力輔助服務補償(市場)機制試點工作的通知》特彆強調了鼓勵電儲能參與電網的調峰，並針對用戶側電儲能調峰進行了說明，用戶側建設的電儲能設施，充電電量既可執行目錄電價，也可參與電力直接交易自行購買低谷充電電量，放電電量既可自用，也可視為分散式電源就近向電力用戶出售電量；用戶側建設的一定規模的電儲能設施，可作為獨立市場主體或與發電企業聯合參與調頻、深度調峰和啟停調峰等輔助服務。該通知明確了電儲能參與系統輔助服務的身份，在目前的電力市場環境下通過低儲高發獲取收益是可行的途徑。從目前的市場環境來看，儲能設備獲利是具有政策支持的，目前的研究也多基於此展開。

目前，與分散式光伏組合形成的分散式光儲系統在國外已有較多的商業應用，在不同的國家，分散式光儲發電的應用重點各不相同，美國加州在工商業領域的分散式項目居多，澳大利亞和德國市場的重點在戶用儲能領域。以德國 SENEC.IES 公司為例，該公司將用戶側儲能聚集起來開展「免費午餐」模式，享有對電池的主要控制權，當電網「零電價」時控制電池從電網充電。用戶主要通過最大化地自我消納屋頂光伏所發的電力、使用 SENEC.IES 提供給用戶的「免費儲存的電力」，實現更低的電費賬單，進而獲益。SENEC.IES 的商業模式見圖5。

Fenecon/Ampard 開展的虛擬電廠模式，將Ampard 的能源管理模塊與 Pro Hybrid 儲能系統集成起來，使其可以在用戶側被用作虛擬電廠。用戶為了增加自發自用而購買儲能系統，Ampard 利用他們的能源管理系統(Ampard Energy Manager)將這些系統管理起來，為這些儲能系統增加虛擬電廠的功能提供一次調頻控制和備用等服務。Fenecon/Ampard 的商業模式見圖6。

從目前分散式儲能應用現狀來看，分散式儲能系統具有通過匯聚將「點」資源凝聚起來，通過前面定義的資源聚合商概念，實現分散式儲能資源的匯聚商業運營的可能，國外在該方面的應用已經初具雛形。國內對於分散式儲能運營商業模式研究還處於起步階段，相關的探討和分析仍比較局限。隨著政策引導和市場需求的增強，預期將發展形成一大批從事各類型儲能技術研發、製造、建設、運營的相關企業，分散式儲能將在電網中得到更廣泛的應用，關於商業模式的研究有待進一步深入。

經濟性評估

在自由競爭的電力市場中，相關的評估研究大多針對運營商的收益，如低儲高發套利、調頻收益、備用收益等，根據電價預測，計及運維成本，建立優化調度模型，在日前市場中合理安排儲能系統的調頻容量、備用容量和充/放電策略，使運營商獲取最大的效益，從而對儲能系統應用的效益進行評估。

對分散式儲能的經濟評價，需要量化儲能的投資運行費用、政策的補貼、工作模式如削峰填谷和配合新能源接入等帶來的收益以及節能減排等其它收益。由於新能源出力的不確定性，可以使用典型日提取、信息決策理論等方法對儲能帶來的收益進行量化評估，建立相應的目標函數，評估儲能投資的可行性。分散式儲能參與系統調峰目前在美國已經實現商業化運營，針對這一應用模式就目前中美兩國的應用現狀進行比較，如表 2 所示。

通過表 2 的對比情況可看出，目前在我國通過儲能參與電網調峰輔助服務並不具備經濟性，作為優質的輔助服務資源，應儘快出台量化儲能價值的政策法規，通過政策導向激勵儲能產業，以產業自身發展帶動成本下降，進而實現儲能產業的良性發展。

商業模式

近年來，國內外在分散式儲能的優化配置、參與輔助服務、關鍵設備研製以及商業模式等方面已有一定研究。在此基礎上，未來在以下方面進行深入探討。

1）補充性規劃技術。面向參與電網輔助服務或優化電網運行等應用，基於對局域電網內現有分散式儲能資源的評估，開展補充性規劃技術研究，通過在關鍵節點配置少量儲能，起到以小博大的作用，充分整合已有的儲能資源。

2）針對大電網的調峰、調頻和緊急事故響應需求、配電網的電壓調節、清潔源滿額消納和源網經濟運行等需求，開展分散式儲能、柔性負荷等響應資源的協同調控策略研究。

3）在分散式儲能關鍵設備方面，有必要根據不同拓撲結構以及所設定系統動態、穩態性能指標對不同功率等級的分散式儲能設備進行參數優化設計，提高設備運行效率，降低運維成本，實現分散式儲能系統在不同應用模式下平滑切換。此外，針對廣域多點調度需求的分散式儲能監控設備、規模化分散式儲能協調調控設備的研製工作亟待開展。

4）在促進分散式儲能的商業運營發展方面，應認可儲能作用，給予儲能參與電力市場的同等身份。鑒於目前我國儲能技術發展主要是依託於可再生能源，通過出台補貼政策推動儲能產業發展的可行性不大，建議放開輔助服務市場，使儲能設備獲得與其他資源同等的身份，通過分散式儲能匯聚參與電網輔助服務實現市場化運營。

5）在時間粒度和位置粒度上細化儲能系統的計量計費辦法，量化儲能的時間價值和位置價值，並研發支撐細化辦法的計量設備。

END

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