新能源集中并网大规模集中式储能规划研究.doc

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1、新能源集中并网大规模集中式储能规划研究摘要：随着新能源的大规模集中式并网，新能源的消纳难题愈发突出。作为高比例可再生能源电力系统中的重要组成部分和关键支撑技术，储能的规模化应用有利于提升系统的灵活性、经济性及安全性。然而，当前综述多是侧重于对储能技术归纳总结，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。因此，首先对大规模储能纳入电力系统规划后整体影响进行分析，总结归纳出储能在电力系统中的应用场景，并分析储能的引入对规划问题建模的影响；然后，分别从大规模储能源侧/网侧规划以及考虑大规模储能的源网协调规划两个方面展开论述；最后，探讨当前大规模储能规划的重点问题，并对其前景

2、做出展望。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

3、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

4、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

5、-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

6、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

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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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 planning2 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

13、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

14、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

15、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

16、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