史梓男-电网侧储能设施规划方法研究

电网侧储能设施规划
方法研究
清华四川能源互联网研究院
二零一九年四月
主要内容
一、研究背景
二、储能技术现状
目录
三、电网侧储能规划方法
四、某地区电网侧储能规划案例分析
五、电网侧储能经济性评估
一、研究背景根据国际能源署（IEA）预测，
按照现有能源消费模式：
到2050年
城市一次能源消费将增加70%城市能源碳排放将增长50%
能源枯竭
环境破坏
气候变暖
能源转型已成为当前
经济社会可持续发展
的必然选择
世界各国均采取有力措施，探索推动能源绿色低碳转型。

2015年11月以来，近200个国家先后签署《巴黎协定》，共同应对全球气候变化。

1.1 国际背景
一、研究背景
1.2 国内政策
2011201420152016
“十二五”规划纲要，储能首次在国家纲领文件中出现。

《能源发展战略行
动计划（2014-
2020年）》，首次
将储能列入9个重
点创新领域。

《关于推进“互联
网＋智慧能源发展
的指导意见”》，
提出鼓励建设分布
式储能系统。

“十三五”规划纲
要，《能源技术革
命创新行动计划
(2016-2030）》。

《新能源汽车动力
蓄电池回收利用管
理暂行办法》。

20172018
第一个国家级政策
《关于促进我国储
能技术与产业发展
的指导意见》。

《关于创新和完善
促进绿色发展价格
机制的意见》，提
出利用峰谷电价差、
辅助服务补偿等市
场化机制，促进储
能发展
二、储能技术现状
2.1 电网侧储能定义
定义：泛指与电网所属的输、变、配电资产连接，服务电网运行的大规模能量存储载体，通过为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种辅助服务，可促进新能源消纳，提高电网运行安全稳定水平、灵活性和经济性。

2.2 储能技术分类
根据储能技术的不同，电网侧储能主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能等多种形式。

机械储能主要包括压缩空气储能、飞轮储能和抽水蓄能等。

电化学储能主要包括锂离子电池、铅碳电池、钠硫电池和液流电池等。

电磁储能主要包括超导储能和超级电容储能等。

截至2017年底，全球已投运储能项目累计装机规模为175.4GW。

其中，抽水蓄能装机占比最大，为96%，占据了绝大部分的市场份额；电化学储能占已投运储能总规模的1.7%，较2016年增长45%，虽然装机规模不大，但增速较快，发展潜力大。

0.11
10
100
1000秒
分钟
小时
天月
放电时间功率（MW ）
电化学储能
飞轮储能
超导储能
抽水蓄能
压缩空气储能
85-100%
45-70%
70-85%
效率
从充放电效率、连续放电时间、电站最大功率三个特征指标方面，建立各类电网侧储能的比较如图所示。

电化学储能凭借宽广的适应范围和快速反应能力，成为
近期研究和工程实践的热点。

储能应用场景
储能在电力系统发、输、配、用领域均有重要应用价值，是能源互联网主要支撑技术之一。

消纳可再生能源
调频辅助服务
调峰辅助服务
用户侧能源管理服务
移动式储能
3.1 数学模型及方法
三、电网侧储能规划方法
需求配置模型
经济性原则
多目标优化
协同优化求解
算法
差分进化算法预测-校正内点法
储能规划方法储能系统在一个充放电周
期内满足能量守恒：
24
1
()()0
d c
i
P i P iη
=
-=
∑
储能系统在运行过程中，
其充放电功率及总放电
量应满足如下约束：
24
1
()0,1,2,...,24
()0,1,2,...,24
()
d
c
d
i
P P i i
P P i i
P i E
=
⎧
⎪-≥=
⎪⎪
-≥=
⎨
⎪
⎪≤
⎪⎩
∑
利用储能系统进行充放电，
配网系统的等效负荷应满
足下述关系：
max
()()()(1)
l d c
P i P i P i P
α
-+≤-
电网侧储能的主要目的是促进可再生能源消纳、减缓网络输电阻塞（满足
N-1、缓解重过载）、调峰调频及可靠性（旋转备用、配网侧储能等）。

地区储能需求分析思路
可再生能源消纳情况
STEP2：确定电网整体储能需求
STEP1：确定可再生能源储能需求
出力特性
可再生能源接入站储能配置
装机容量
限电比例
220kV 变电站容载比
统计情况
储能配置原则
储能配置原则电网整体储能容量需求
STEP3：确定网络需求储能选址及容量
110kV 变电站（重载）储能容量配置
110kV 变电站2（过载）
220kV 变电站（重载）220kV 变电站N （过载）
储能容量配置
配置方法
配置方法STEP4：确定调峰调
频储能容量
调频需求STEP5：确定可靠性
需求储能选址及容量调峰需求储能配置储能配置
选址
容量
可靠性薄弱点
可靠性需求
可靠性需求储
能配置
110kV 变电站容载比
统计情况
根据规划地区可再生能源装机容量及其出力特性，确定促进可再生能源消纳的整体储能需求。

可再生能源消纳配置需求
可再生能源消纳
平抑发电波动
跟踪发电计划曲线
提高调度灵活性
减少弃风弃光
根据新能源电站历史运行数据，可得到发电计划曲线和预测可发能力曲线，做差得到发电偏差曲线为：
()()()
fcst plan
P t P t P t ∆=-
逐日对偏差曲线进行分析，提取偏差曲线的峰值功率、偏差电量，如下所示：
()
{}
,
max,
peak D
P P t t D
=∆∈
()() max max,0,min,0 D
t D t D
E P t P t
∈∈
⎧⎫=∆-∆
⎡⎤⎡⎤⎨⎬
⎣⎦⎣⎦⎩⎭
∑∑
循环上述过程，即可得到一年内各日偏差曲线的峰值功率、偏差电量，可按照所有日最大的峰值功率和偏差电量配置功率和电量
{},
max
st peak D
P P
=
{}
max,1,2,365 st D
E E D
==L
网络结构与调峰配置需求
常规解决方案
◆主变增容扩建；
◆改造老旧线路，增大导线截面；
◆新建变电站；
◆优化网络结构；
◆安排电厂顶峰发电计划。

储能解决方案
储能系统快速充放电、时移转换特点使得其在缓解电网负荷高峰期设备重过载、提高关键输电通道断面的输送容量、提高电网运行的稳定水平等方面具有优势。

对于峰值负荷持续时间较短，尖峰负荷高的情况，储能的优势更为明显。

因此可综合使用多种方式解决上述电网问题，通过技术经济比选确定最优方案，以发挥储能设施技术经济效益。

针对220KV、110kV变电站重过载、潮流瓶颈、输电通道受限、局部地区依赖电厂调峰等问题，有常规解决方案和储能解决方案两种方法。

单变电站储能配置：考虑到变电站N-1需求，可得到变电站储能功率的
配置需求如下：
网络结构与调峰配置需求
()max max 1.3111.3st L L P P N S N k NS
N ≥---⎛
⎫=- ⎪⎝
⎭其中，P Lmax 和K Lmax 分别为变电站最大负荷和最大负载率，N 为主变台数，S 为单台主变容量。

电网结构、调峰需求
地区变电站储能需求
综合优化
地区变电站储能综合
单个变电站储能
容量配置
储能功能定位
满足N-1准则
短时允许过载率不应超过1.3过载时间不超过2小时
容载比
确定重过载110kV 和220kV 配置标准
供电分区。