知識分享 | 分布式儲能(néng)關鍵技術、商業模式與經(jīng)濟效益探讨

近年來，分布式電源大量接入配電網，其接入點的随機性和出力的不确定性給配電網的規劃運營帶來了新的問題。與此同時(shí)，随著(zhe)負荷快速增長(cháng)，峰谷差不斷增大，城鄉配電網“标準低、聯系弱、低電壓”等問題日益突出，負荷需求響應作爲一種(zhǒng)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(néng)技術。

随著(zhe)儲能(néng)技術進(jìn)步和成(chéng)本降低以及需求側的演化發(fā)展，分布式儲能(néng)在電力系統中的廣泛應用是未來電網發(fā)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。

分布式儲能(néng)安裝地點靈活，與集中式儲能(néng)比較，減少了集中儲能(néng)電站的線路損耗和投資壓力，但相對(duì)于大電網的傳統運行模式，目前的分布式儲能(néng)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(fā)運行，相當于接入一大批随機性的擾動電源，它們的無序運行無助于電網頻率、電壓和電能(néng)質量的改善，也造成(chéng)了儲能(néng)資源的較大浪費。

在配電網中合理地規劃分布式儲能(néng)，并調控其與分布式電源和負荷協同運行，不但可以通過(guò)削峰填谷起(qǐ)到降低配電網容量的作用，還(hái)可以彌補分布式出力随機性對(duì)電網安全和經(jīng)濟運行的負面(miàn)影響。進(jìn)一步，通過(guò)多點分布式儲能(néng)形成(chéng)規模化彙聚效應，積極有效地面(miàn)向(xiàng)電網應用，參與電網調峰、調頻和調壓等輔助服務，將(jiāng)有效提高電網安全水平和運行效率。

儲能(néng)規劃技術

目前，分布式儲能(néng)的應用場景主要包含用戶側、分布式電源側和配網側 3 個方面(miàn)，其投資主體包括用戶、分布式電源投資商和電網公司，多以分布式電源、用戶側或微電網爲背景引入，電動汽車也是其中的一種(zhǒng)重要組成(chéng)。

在配網中，關于分布式儲能(néng)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(miàn)，并且當需要同時(shí)開(kāi)展容量和選點研究時(shí)，鑒于二者間存在的強耦合關系，在目前國(guó)内外開(kāi)展的研究中，往往將(jiāng)之作爲一體化問題處理，多通過(guò)將(jiāng)分布式儲能(néng)規劃描述爲一個優化問題，優化目标和約束條件随應用場景和應用目标而變。

優化目标主要包括技術性目标和經(jīng)濟性目标兩(liǎng)類，約束條件一般包含儲能(néng)設備布局總點數、儲能(néng)本身和系統運行方面(miàn)的約束條件。

在配網側規劃儲能(néng)系統時(shí)，儲容配置和選點布局的一般步驟如下：

1)确定研究對(duì)象，電網和儲能(néng)應用場景(約束條件、負荷曲線、時(shí)間跨度等)。

2)确定電網内可用于安裝儲能(néng)設備的節點數。

3)确定分布式儲能(néng)系統的總容量。

4)确定儲能(néng)系統的控制策略。

5)确定分布式儲能(néng)系統的容量劃分方式。

6)在選定的應用場景中，模拟分布式儲能(néng)的分配效果。

7)重複步驟 5)和 6)，叠代次數取決于布局點數和計算精度要求。算法流程圖見圖。

圖：采用遺傳算法的求解流程圖

綜合目前國(guó)内外開(kāi)展的分布式儲能(néng)系統的優化規劃方面(miàn)的研究，大多建立以技術性或經(jīng)濟性或技術與經(jīng)濟性綜合目标的目标函數，在儲能(néng)本身和系統運行的約束條件下開(kāi)展尋優求解，目标函數一般可綜合爲單目标優化，約束條件包含等式約束和不等式約束，針對(duì)該優化求解問題也開(kāi)展了較多研究，多采用智能(néng)求解算法進(jìn)行求解，比如遺傳算法。

此外，在用戶側規劃儲能(néng)設備，不存在布點問題;并且因爲我國(guó)目前實行分時(shí)電價和針對(duì)工商業用戶的兩(liǎng)部制電價政策，所以用戶側分布式儲能(néng)的引入多從經(jīng)濟性角度出發(fā)，以減少電費或最大化收益爲目标開(kāi)展儲能(néng)配置研究。江蘇 2017年用戶側分布式儲能(néng)規劃建設情況如下圖所示。從圖中可以看出，當前用戶儲能(néng)的建設目标還(hái)是以需求響應(價差套利)和提高供電可靠性爲主，對(duì)電網的支撐作用主要是削峰填谷。

圖：江蘇省 2017 年用戶側儲能(néng)規劃建設情況(容量1MW以上)

總體而言，國(guó)内外在分布式儲能(néng)規劃方面(miàn)已有較多研究，但目前的研究均是在确定的應用場景下開(kāi)展常規性的規劃研究，爲提高分布式儲能(néng)系統的利用效率和充分調動電網資源，有必要面(miàn)向(xiàng)電網應用，開(kāi)展基于配網内現有儲能(néng)資源的補充性規劃技術研究，即針對(duì)電網需求，首先評估電網内已有的可彙聚儲能(néng)資源，在此基礎上，開(kāi)展差額配置和布點研究。

儲能(néng)參與配電網優化運行

儲能(néng)系統憑借其快速功率調節以及兼具供蓄能(néng)力的特征，在平滑間歇式能(néng)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(miàn)都(dōu)發(fā)揮了較大作用，是配電網實現對(duì)廣泛接入的分布式能(néng)源靈活調節以及網絡優化運行的關鍵所在。

當大量可再生能(néng)源接入配電網時(shí)，其出力的波動性會(huì)對(duì)配電網的電壓質量帶來不利影響，甚至會(huì)使電壓越限，使用儲能(néng)裝置可以對(duì)接入節點的可再生能(néng)源及負荷進(jìn)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(duì)新能(néng)源的接納能(néng)力;同時(shí)，儲能(néng)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(jiāng)多個子儲能(néng)系統并聯在微網中可提高儲能(néng)系統的容量，利用儲能(néng)系統的快速功率調節能(néng)力，可爲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(néng)參與系統輔助服務

儲能(néng)系統可通過(guò)參與系統輔助服務，對(duì)電網起(qǐ)到支撐作用，應用模式主要包括調頻和調峰。不同于傳統火電機組，可再生能(néng)源發(fā)電系統屬于低慣量系統，雖然可以通過(guò)虛拟同步或虛拟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并網會(huì)降低電力系統的慣量，弱化電網對(duì)頻率的調節能(néng)力，影響其安全穩定運行。

利用儲能(néng)系統，可以進(jìn)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(duì)頻率調節的響應能(néng)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(shí)，儲能(néng)系統可以通過(guò)放出或吸收功率，完成(chéng)新能(néng)源電站對(duì)電網頻率變化的響應。

總體而言，已有研究大多針對(duì)集中式大容量的儲能(néng)系統，而對(duì)于分布式儲能(néng)參與電網輔助服務的協同控制技術研究還(hái)較少。如何構建規模化分布式儲能(néng)彙聚效應的動态仿真模型，協調控制多點布局的分布式儲能(néng)以及柔性負荷，亟需開(kāi)展相關内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(jìn)一步可以擴展到儲能(néng)參與需求響應和提供輔助服務中，將(jiāng)會(huì)出現“資源聚合商”，未來資源聚合商將(jiāng)彙聚若幹分布式用戶儲能(néng)參與電力市場交易，基本框架如下圖所示。

圖：分布式儲能(néng)彙聚(資源聚合商)參與電網調度交易示意圖

關鍵裝備：高效率、即插即用儲能(néng)變流器

在一些特殊的場合下，分布式儲能(néng)設備需要有并網和離網運行2種(zhǒng)工作模式，這(zhè)2種(zhǒng)工作模式之間的切換需要盡可能(néng)平滑，減小對(duì)用戶或電網的沖擊和影響，使分布式儲能(néng)設備能(néng)夠柔性接入和退出的控制技術是實現分布式儲能(néng)設備即插即用的基礎。通過(guò)并網切換孤島過(guò)程補償算法與孤島切換并網過(guò)程預同步方法可以實現2種(zhǒng)工況的無縫切換。

對(duì)于提高分布式儲能(néng)系統的效率而言，基于新型中點鉗位(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，有利于降低絕緣栅雙極型晶體管(IGBT)耐壓，以減小開(kāi)關器件成(chéng)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(duì)于單台儲能(néng)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/通訊接口技術以及設備并網運行時(shí)的柔性接入/退出，減小對(duì)系統沖擊方面(miàn)和不同應用模式下平滑切換控制技術方面(miàn)研究較少，亟需開(kāi)展相關内容的深入研究。

關鍵裝備：儲能(néng)系統就(jiù)地監控設備

電池儲能(néng)系統一般由儲能(néng)電池、電池管理系統、雙向(xiàng)變流器和監控系統等幾個主要部分組成(chéng)，并通過(guò)升壓變壓器接入10kV及以上電壓等級。儲能(néng)監控系統與電池管理系統、雙向(xiàng)變流器、上級調度系統通過(guò)高速的通信協議以及通信網絡實現信息交互與傳輸，從而實現對(duì)儲能(néng)系統的監測、運行控制以及能(néng)量管理。

針對(duì)分布式儲能(néng)系統的不同應用場景以及需求，儲能(néng)監控系統基于儲能(néng)系統中電池、雙向(xiàng)變流器等配套設備的運行狀态，實時(shí)控制各儲能(néng)變流器的充放電功率并優化管理儲能(néng)電池系統充放電能(néng)量，不僅實現電池儲能(néng)系統在各種(zhǒng)場景下的應用目标，并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(néng)系統高效、安全、可靠、經(jīng)濟運行。儲能(néng)監控系統的設計需要遵循IEC 61850 标準，能(néng)夠完成(chéng)實時(shí)監控和高效控制的功能(néng)，提高儲能(néng)系統運行的穩定性，主要環節包括信息采集、狀态監測、遠程控制、人機交互等。儲能(néng)監控系統拓撲結構見下圖。

圖 ：儲能(néng)監控系統拓撲結構

由于國(guó)情不同、電網的生産運營方式不同以及高昂的價格，國(guó)外的監控系統很難在國(guó)内推廣應用。考慮到今後(hòu)儲能(néng)監控技術與需求的發(fā)展，實現先進(jìn)的優化控制調度，開(kāi)發(fā)具有自主知識産權适用于多點布局中小規模分布式工程的低成(chéng)本儲能(néng)監控系統勢在必行。

關鍵裝備：多源儲能(néng)系統協調控制設備

多源協調控制根據分布式電源、負載類型以及配電網不同的工作模式，通過(guò)主從控制、對(duì)等控制以及其他相關控制策略，抑制因各節點電壓差産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、基于動态虛拟慣量的分布式電源控制等。對(duì)于離網運行的工況而言，多台儲能(néng)逆變器并聯運行時(shí)，需要爲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(huì)造成(chéng)功率分配不均以及環流過(guò)大等問題，從而導緻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(néng)逆變器之間的分配問題。

針對(duì)逆變器間的環流，可以增加虛拟阻抗技術，使變流器等效輸出阻抗呈現阻性，從而抑制環流;對(duì)于不同電池系統，其荷電狀态不同，可以施加功率控制外環，根據電池系統的荷電狀态合理分配功率，從而實現多台逆變器離網狀态下的協調控制。下垂控制适用于本地多逆變器離網的并聯控制，對(duì)于配電網中分布式儲能(néng)而言，往往是并網運行，且分布在不同節點上。

對(duì)于廣域布局分布式儲能(néng)系統的協調控制設備的研制，需要遵循IEC61850通信标準建立儲能(néng)系統的擴展信息模型，實現不同節點儲能(néng)系統的通信與數據共享，并以最優電能(néng)質量指标或最大經(jīng)濟效益爲目标編寫控制軟件，實現廣域布局分布式儲能(néng)系統的協調控制。

除了分布式儲能(néng)系統之外，有學(xué)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布式儲能(néng)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布式儲能(néng)的控制策略。

目前，國(guó)際上的分布式儲能(néng)協調控制設備研發(fā)也處在剛剛起(qǐ)步的過(guò)程，如德國(guó)能(néng)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(xiàng)能(néng)源管理系統”(簡稱 BEMI)，每15min儲存用戶用電數據，記錄用戶用電習慣，當電價發(fā)生變動時(shí)，BEMI通過(guò)控制分布式儲能(néng)系統來調控用電時(shí)間和用電量。

目前國(guó)内尚沒(méi)有分布式儲能(néng)相關産品，主要是借用微網控制器實現類似功能(néng)，然而微網控制器多用于本地控制，很少涉及到廣域多點調度相關功能(néng)，同時(shí)微網控制器缺乏對(duì)電池儲能(néng)系統在線檢測、充放電優化控制和保護的相關功能(néng)，難以實現對(duì)于分布式儲能(néng)系統的全面(miàn)控制和優化。

伴随配網側分布式儲能(néng)的快速發(fā)展，面(miàn)向(xiàng)電網的儲能(néng)資源彙聚應用將(jiāng)包含電池儲能(néng)設備、通過(guò)V2G并網的電動汽車、儲熱鍋爐、冰蓄冷中央空調等分布式儲能(néng)設備，通過(guò)多設備間的協調控制，參與電網調峰、調頻等應用，如下圖所示。在這(zhè)個過(guò)程中，儲能(néng)系統的協調控制設備在上層調度和各分散的分布式儲能(néng)資源間起(qǐ)到調度指令分解、儲能(néng)設備協調控制、儲能(néng)監控與保護、多應用功能(néng)切換等功能(néng)。

圖：面(miàn)向(xiàng)電網應用的分布式儲能(néng)協調控制框圖

商業模式

作爲分布式可再生能(néng)源發(fā)電和智能(néng)微電網的關鍵支撐技術，分布式儲能(néng)在分布式發(fā)電和微電網系統中除了參與系統運行控制，還(hái)可以産生相應的經(jīng)濟效益，如在分時(shí)電價機制下，可以通過(guò)低儲高發(fā)實現套利，在工商業用戶兩(liǎng)部制電價下，通過(guò)降低基本電價爲用戶節省電費，或通過(guò)提供用戶需求響應能(néng)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(guó)家能(néng)源局發(fā)布的《關于促進(jìn)電儲能(néng)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》特别強調了鼓勵電儲能(néng)參與電網的調峰，并針對(duì)用戶側電儲能(néng)調峰進(jìn)行了說明，用戶側建設的電儲能(néng)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，也可視爲分布式電源就(jiù)近向(xiàng)電力用戶出售電量;用戶側建設的一定規模的電儲能(néng)設施，可作爲獨立市場主體或與發(fā)電企業聯合參與調頻、深度調峰和啓停調峰等輔助服務。

該通知明确了電儲能(néng)參與系統輔助服務的身份，在目前的電力市場環境下通過(guò)低儲高發(fā)獲取收益是可行的途徑。從目前的市場環境來看，儲能(néng)設備獲利是具有政策支持的，目前的研究也多基于此展開(kāi)。

目前，與分布式光伏組合形成(chéng)的分布式光儲系統在國(guó)外已有較多的商業應用，在不同的國(guó)家，分布式光儲發(fā)電的應用重點各不相同，美國(guó)加州在工商業領域的分布式項目居多，澳大利亞和德國(guó)市場的重點在戶用儲能(néng)領域。

以德國(guó) SENEC.IES 公司爲例，該公司將(jiāng)用戶側儲能(néng)聚集起(qǐ)來開(kāi)展“免費午餐”模式，享有對(duì)電池的主要控制權，當電網“零電價”時(shí)控制電池從電網充電。用戶主要通過(guò)最大化地自我消納屋頂光伏所發(fā)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(jìn)而獲益。SENEC.IES的商業模式見下圖。

圖 ：SENEC.IES 的商業模式

Fenecon/Ampard 開(kāi)展的虛拟電廠模式，將(jiāng)Ampard 的能(néng)源管理模塊與 Pro Hybrid 儲能(néng)系統集成(chéng)起(qǐ)來，使其可以在用戶側被(bèi)用作虛拟電廠。用戶爲了增加自發(fā)自用而購買儲能(néng)系統，Ampard 利用他們的能(néng)源管理系統(Ampard Energy Manager)將(jiāng)這(zhè)些系統管理起(qǐ)來，爲這(zhè)些儲能(néng)系統增加虛拟電廠的功能(néng)提供一次調頻控制和備用等服務。Fenecon/Ampard 的商業模式見下圖。

圖：Fenecon/Ampard 的商業模式

從目前分布式儲能(néng)應用現狀來看，分布式儲能(néng)系統具有通過(guò)彙聚將(jiāng)“點”資源凝聚起(qǐ)來，通過(guò)前面(miàn)定義的資源聚合商概念，實現分布式儲能(néng)資源的彙聚商業運營的可能(néng)，國(guó)外在該方面(miàn)的應用已經(jīng)初具雛形。國(guó)内對(duì)于分布式儲能(néng)運營商業模式研究還(hái)處于起(qǐ)步階段，相關的探讨和分析仍比較局限。随著(zhe)政策引導和市場需求的增強，預期將(jiāng)發(fā)展形成(chéng)一大批從事(shì)各類型儲能(néng)技術研發(fā)、制造、建設、運營的相關企業，分布式儲能(néng)將(jiāng)在電網中得到更廣泛的應用，關于商業模式的研究有待進(jìn)一步深入。

經(jīng)濟性評估

在自由競争的電力市場中，相關的評估研究大多針對(duì)運營商的收益，如低儲高發(fā)套利、調頻收益、備用收益等，根據電價預測，計及運維成(chéng)本，建立優化調度模型，在日前市場中合理安排儲能(néng)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(duì)儲能(néng)系統應用的效益進(jìn)行評估。

對(duì)分布式儲能(néng)的經(jīng)濟評價，需要量化儲能(néng)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(néng)源接入等帶來的收益以及節能(néng)減排等其它收益。由于新能(néng)源出力的不确定性，可以使用典型日提取、信息決策理論等方法對(duì)儲能(néng)帶來的收益進(jìn)行量化評估，建立相應的目标函數，評估儲能(néng)投資的可行性。分布式儲能(néng)參與系統調峰目前在美國(guó)已經(jīng)實現商業化運營，針對(duì)這(zhè)一應用模式就(jiù)目前中美兩(liǎng)國(guó)的應用現狀進(jìn)行比較，如下圖所示。

圖：中美分布式電儲能(néng)參與調峰輔助服務現狀對(duì)比

圖：美國(guó)加州某區電價

圖：上海地區電力市場相關數據

通過(guò)對(duì)比情況可看出，目前在我國(guó)通過(guò)儲能(néng)參與電網調峰輔助服務并不具備經(jīng)濟性，作爲優質的輔助服務資源，應盡快出台量化儲能(néng)價值的政策法規，通過(guò)政策導向(xiàng)激勵儲能(néng)産業，以産業自身發(fā)展帶動成(chéng)本下降，進(jìn)而實現儲能(néng)産業的良性發(fā)展。

商業模式

近年來，國(guó)内外在分布式儲能(néng)的優化配置、參與輔助服務、關鍵設備研制以及商業模式等方面(miàn)已有一定研究。在此基礎上，未來在以下方面(miàn)進(jìn)行深入探讨。

1)補充性規劃技術。面(miàn)向(xiàng)參與電網輔助服務或優化電網運行等應用，基于對(duì)局域電網内現有分布式儲能(néng)資源的評估，開(kāi)展補充性規劃技術研究，通過(guò)在關鍵節點配置少量儲能(néng)，起(qǐ)到以小博大的作用，充分整合已有的儲能(néng)資源。

2)針對(duì)大電網的調峰、調頻和緊急事(shì)故響應需求、配電網的電壓調節、清潔源滿額消納和源網經(jīng)濟運行等需求，開(kāi)展分布式儲能(néng)、柔性負荷等響應資源的協同調控策略研究。

3)在分布式儲能(néng)關鍵設備方面(miàn)，有必要根據不同拓撲結構以及所設定系統動态、穩态性能(néng)指标對(duì)不同功率等級的分布式儲能(néng)設備進(jìn)行參數優化設計，提高設備運行效率，降低運維成(chéng)本，實現分布式儲能(néng)系統在不同應用模式下平滑切換。此外，針對(duì)廣域多點調度需求的分布式儲能(néng)監控設備、規模化分布式儲能(néng)協調調控設備的研制工作亟待開(kāi)展。

4)在促進(jìn)分布式儲能(néng)的商業運營發(fā)展方面(miàn)，應認可儲能(néng)作用，給予儲能(néng)參與電力市場的同等身份。鑒于目前我國(guó)儲能(néng)技術發(fā)展主要是依托于可再生能(néng)源，通過(guò)出台補貼政策推動儲能(néng)産業發(fā)展的可行性不大，建議放開(kāi)輔助服務市場，使儲能(néng)設備獲得與其他資源同等的身份，通過(guò)分布式儲能(néng)彙聚參與電網輔助服務實現市場化運營。

5)在時(shí)間粒度和位置粒度上細化儲能(néng)系統的計量計費辦法，量化儲能(néng)的時(shí)間價值和位置價值，并研發(fā)支撐細化辦法的計量設備。

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