用于电网削峰填谷的储能系统容量配置及经济性评估
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Fig. 1 图 1 储能系统接入电网示意 Energy storage systems integrated to grid
E ESS = max（ N1 ， N2 ） （ 2） N1 = max（ | ΔP1 ΔT | ， | ΔP1 ΔT + ΔP2 ΔT | ， …， | Δ P 1 Δ T + Δ P2 Δ T + … Δ P N Δ T | ） （ 3）
中图分类号： TM 726 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 7229 （ 2013 ） 02 － 0001 － 05
DOI： 10. 3969 / j． issn. 1000 － 7229. 2013. 02. 001
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引
言
致电网的调峰问题更加突出， 也给电力调度造成一系 列的困难。电力系统中电源及输配电设备均按照电 网高峰负荷规划建设， 但电网高峰负荷持续时间较 短， 导致为满足高峰负荷需求而规划建设的电力设备 资产利用率较低。研究解决电网调峰问题、 提高资产 利用率是现阶段电网建设面临的一个重要课题 。 我国的电源结构以火电为主， 大多数常规火电机
Capacity Configuration and Economic Evaluation of Energy Storage System for Grid Peak Load Shifting
XIU Xiaoqing ，LI Jianlin，HUI Dong
（ China Electric Pow er Research Institute，Beijing 100192 ，China） ABSTRACT： With the gradual increase of peakvalley difference of grid load， many types of equipment of pow er generation，transmission and distribution should be added or retrofitted to meet the peak load demand for electricity． While the low loading rate of grid may lead to a low er asset utilization ratio of pow er equipment，w hich makes pow er planning and construction less economic． Energy storage technology can solve the problem of increase of peakvalley difference and low scale applications at present． asset utilization ratio ，how ever，the high cost of the energy storage system limits its largeConsidering the chargedischarge balance constraints and cycle life of energy storage system ，the control strategy of energy storage technologies for grid peak load shifting is studied，and the mathematical model is established for the economic evaluation of investment in the energy storage system． Taking actual load data as examples，the capacity demands of energy storage system under different peaking degrees are simulated and analyzed． The economic issues of energy storage system investment are studied from the view of social benefits and investors respectively． Finally ，the economic conditions of largescale applications of energy storage system are proposed． KEYWORDS： energy storage technology ； peak load shifting ； capacity configuration； economic evaluation； scale economy
第 34 卷第 2 期 2013 年 2 月
电力建设
重点理论研究
用于电网削峰填谷的储能系统 容量配置及经济性评估
修晓青， 李建林， 惠东
（ 中国电力科学研究院， 北京市 100192 ）
摘 要： 电网负荷峰谷差日益增大， 为满足高峰负荷用电需求， 需增设或改造原有发输配电设备， 而电网的低负荷率导
致电力设备的资产利用率较低， 使得电源规划建设缺乏经济性。储能技术可解决峰谷差加大、 资产利用率低的问题， 但 现阶段储能系统的高成本限制了储能技术的规模化应用。 考虑储能系统充放电平衡约束、 循环寿命等因素， 研究了储 能技术用于电网负荷削峰填谷的控制策略， 并建立了评价储能系统投资经济性的数学模型。 以实际负荷数据为例， 仿 真分析了在不同调峰程度下储能系统的容量需求， 分别从社会效益和投资者角度研究了储能系统投资的经济性问题， 最后提出了储能系统规模化应用的经济条件。 关键词： 储能技术； 削峰填谷； 容量配置； 经济评估； 规模经济
m1
N2 = max
（ 4） m3 mn …， ∑ ΔP i ΔT ∑ ΔP i ΔT ， ΔP i ΔT ∑ i =1 ，
i = m2 i = mj
式中： P ESS 为 储 能 系 统 功 率； E ESS 为 储 能 系 统 容 量； ΔP i 为各个时刻储能系统出力需求； ΔT 为样本数据 m2 ～ m3 ， m j ～ m n 为样本数据 采样时间间隔； 1 ～ m1 、 中需要储能不间断充电 / 放电的数据采样时刻， 其中 不间断充电时间定义为连续不放电时间 ， 不间断放电 时间定义为连续不充电时间。 考虑储能系统充放电平衡约束， 控制储能系统的 ， ： 充放电 控制策略如下 （ 1 ） 导入待处理的负荷数据， 统计负荷的峰值与 谷值； （ 2 ） 根据负荷峰谷值， 设定储能调节后合成出力 低谷值 P ref ， 并为合成出力峰值赋初值 P max ； （ 3 ） 系统循环赋初值 n = 1 ； P max 的大小关系。 （ 4 ） 比较负荷与 P ref 、 当负荷小 P ， ； P ， 于 ref 时 储能电池充电 当负荷大于 max 时 储能电池 P max 之间时， 储能电池不动作。 放电； 负荷在 P ref 、 （ 5） n = n + 1； （ 6 ） 若 n 小于所载入负荷数据的条数时， 返回步 否则进行步骤（ 7 ） ； 骤（ 4 ） ， （ 7 ） 统计储能电池的充电电量、 放电电量； （ 8 ） 判断储能电池充放电是否平衡。 若充电电量 大于放电电量， 减小 P max ， 返回步骤 （ 3 ） ； 若充电电量 增大 P max ， 返回步骤 （ 3 ） ； 若充放电平 小于放电电量， 由式（ 1 ） ～ （ 4 ） 计算储能系统的功率、 容量。 衡，
1wk.baidu.com
重点理论研究
电力建设
2013 年 2 月
组能够灵活调节出力的能力不足额定容量的 50 % ， 当 负荷峰谷差低于火电机组的调整范围时， 需要部分小 容量机组启停调峰或压火调峰， 甚至需投资建设更多 的机组并改进火电机组的运行方式来满足调峰需求，
［ 13 ］ 。据统计， 从而大幅增加了系统的运行成本 近年来 ［ 4 ］ 我国电网负荷的峰谷差为 38% ～ 48% 。以辽宁电网
Electric Power Construction Vol. 34 ，No. 2 ，Feb． ， 2013
近年来， 随着人民生活水平的提高和电力负荷的 快速增长， 电网负荷峰谷差逐步增大， 与此同时， 随机 性、 波动性、 不可调度性的可再生能源大规模并网 ， 导
基金资助项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目 （ 2011AA05A113 ） ； 国家电网公司科技项目（ DG71 － 12 － 003 ） 。
1
储能系统容量配置策略
储能系统接入电网示意图如图 1 所示， 储能电池 升压变压器升压后接入大电网。 经直交变换、 储能技术用于电网削峰填谷的容量配置 ， 包括功 。 率配置和容量配置 储能系统的功率需满足系统调 峰的功率限值， 功率和容量的计算公式为 P ESS = max（ | ΔP1 | ， | ΔP2 | ， … | ΔP N | ） （ 1 ）
2011 年辽宁电网峰值负荷为22 362 MW， 低谷负 为例， 荷为 12 708 MW， 峰谷差为 43. 2% 。 调峰问题是电网运行中的基本问题 。启停迅速、 运行方式灵活的调峰技术符合电网调峰技术的应用 需求。在电力系统常规调峰技术中， 相比于火电机 组， 水电机组启停迅速、 运行方式灵活， 且调峰深度接 ［45 ］ ， 但水电机组的建设受地理条件的限制， 近 100% 不能进行大规模的推广应用。 大规模电池储能系统因其快速响应特性 ， 具有优 越的调峰性能， 可在用电低谷期作为负荷存储电能， 在用电高峰期作为电源释放电能， 实现发电和用电间 解耦及负荷调节， 削减负荷峰谷差， 且其建设不受地 全钒氧化还原液流电 理条件限制。 以锂离子电池、 钠硫电池为代表的电池储能系统， 可有效延缓甚 池、 至减少电源和电网建设， 提高能源利用效率和电网整 ［67 ］ 。 体资产利用水平， 改变现有电力系统的建设模式 影响储能技术在电力领域规模化应用的主要因素 主要包括储能系统规模、 技术水平、 安全性及经济性。 当储能系统的容量达到 MW / MWh 级规模能力、 满足 MW / MWh 级 下 的 安 全 性、循 环 寿 命 达 到 5 000 次及以上、 充放电效率达到 80% 及以上时， 储能 系统的高成本成为限制其大规模应用的关键因素， 从 ， 而有必要研究储能应用的容量配置问题 进而评估储 能项目运营的经济性。储能系统的应用研究主要包括 2 个层次： （ 1） 在规划前期， 根据储能系统应用方向， 配 置储能系统容量， 并进行经济性评估； （ 2 ） 在储能系统 运行过程中， 根据储能系统应用目标， 研究储能系统在 89］ 线优化控制问题， 文献［ 对电池储能系统削峰填谷 1015］ 的在线优化控制进行了研究， 文献［ 研究了风电 场中储能容量的配置方法。关于规划前期， 储能系统 参与调峰的容量配置及经济性问题对储能产业的发展 意义重大， 本文将重点围绕此问题展开研究。
2
Electric Power Construction Vol. 34 ，No. 2 ，Feb． ， 2013
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2. 1
经济性分析
成本分析 电池储能系统成本主要包括初始投资成本和运
第 34 卷第 2 期
修晓青， 等： 用于电网削峰填谷的储能系统容量配置及经济性评估
重点理论研究
营维护成本。储能系统的初始投资成本主要由功率 成本和容量成本构成。 容量成本与储能电池的投资 有关， 功率成本与储能电池用双向变流器、 监控系统 的投资有关。储能系统的运行维护成本为维持储能 电站处于良好的待机状态所需要的费用 。 储能系统循环寿命是其成本分析中的重要参量 。 储能系统的循环寿命， 即标称容量降至储能电池初始 额定容量的 80% 时， 电 池 的 完 整 充 放 电 循 环 次 数。 影响电池循环寿命的主要因素包括极端温度 、 过度充 放电、 充放电深度及充放电速率。储能系统在标准充 放电电流、 电压、 温度条件下工作时， 其循环寿命为充 放电深度的函数。储能系统使用寿命年限为 T life n = L cyc_year
E ESS = max（ N1 ， N2 ） （ 2） N1 = max（ | ΔP1 ΔT | ， | ΔP1 ΔT + ΔP2 ΔT | ， …， | Δ P 1 Δ T + Δ P2 Δ T + … Δ P N Δ T | ） （ 3）
中图分类号： TM 726 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 7229 （ 2013 ） 02 － 0001 － 05
DOI： 10. 3969 / j． issn. 1000 － 7229. 2013. 02. 001
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引
言
致电网的调峰问题更加突出， 也给电力调度造成一系 列的困难。电力系统中电源及输配电设备均按照电 网高峰负荷规划建设， 但电网高峰负荷持续时间较 短， 导致为满足高峰负荷需求而规划建设的电力设备 资产利用率较低。研究解决电网调峰问题、 提高资产 利用率是现阶段电网建设面临的一个重要课题 。 我国的电源结构以火电为主， 大多数常规火电机
Capacity Configuration and Economic Evaluation of Energy Storage System for Grid Peak Load Shifting
XIU Xiaoqing ，LI Jianlin，HUI Dong
（ China Electric Pow er Research Institute，Beijing 100192 ，China） ABSTRACT： With the gradual increase of peakvalley difference of grid load， many types of equipment of pow er generation，transmission and distribution should be added or retrofitted to meet the peak load demand for electricity． While the low loading rate of grid may lead to a low er asset utilization ratio of pow er equipment，w hich makes pow er planning and construction less economic． Energy storage technology can solve the problem of increase of peakvalley difference and low scale applications at present． asset utilization ratio ，how ever，the high cost of the energy storage system limits its largeConsidering the chargedischarge balance constraints and cycle life of energy storage system ，the control strategy of energy storage technologies for grid peak load shifting is studied，and the mathematical model is established for the economic evaluation of investment in the energy storage system． Taking actual load data as examples，the capacity demands of energy storage system under different peaking degrees are simulated and analyzed． The economic issues of energy storage system investment are studied from the view of social benefits and investors respectively． Finally ，the economic conditions of largescale applications of energy storage system are proposed． KEYWORDS： energy storage technology ； peak load shifting ； capacity configuration； economic evaluation； scale economy
第 34 卷第 2 期 2013 年 2 月
电力建设
重点理论研究
用于电网削峰填谷的储能系统 容量配置及经济性评估
修晓青， 李建林， 惠东
（ 中国电力科学研究院， 北京市 100192 ）
摘 要： 电网负荷峰谷差日益增大， 为满足高峰负荷用电需求， 需增设或改造原有发输配电设备， 而电网的低负荷率导
致电力设备的资产利用率较低， 使得电源规划建设缺乏经济性。储能技术可解决峰谷差加大、 资产利用率低的问题， 但 现阶段储能系统的高成本限制了储能技术的规模化应用。 考虑储能系统充放电平衡约束、 循环寿命等因素， 研究了储 能技术用于电网负荷削峰填谷的控制策略， 并建立了评价储能系统投资经济性的数学模型。 以实际负荷数据为例， 仿 真分析了在不同调峰程度下储能系统的容量需求， 分别从社会效益和投资者角度研究了储能系统投资的经济性问题， 最后提出了储能系统规模化应用的经济条件。 关键词： 储能技术； 削峰填谷； 容量配置； 经济评估； 规模经济
m1
N2 = max
（ 4） m3 mn …， ∑ ΔP i ΔT ∑ ΔP i ΔT ， ΔP i ΔT ∑ i =1 ，
i = m2 i = mj
式中： P ESS 为 储 能 系 统 功 率； E ESS 为 储 能 系 统 容 量； ΔP i 为各个时刻储能系统出力需求； ΔT 为样本数据 m2 ～ m3 ， m j ～ m n 为样本数据 采样时间间隔； 1 ～ m1 、 中需要储能不间断充电 / 放电的数据采样时刻， 其中 不间断充电时间定义为连续不放电时间 ， 不间断放电 时间定义为连续不充电时间。 考虑储能系统充放电平衡约束， 控制储能系统的 ， ： 充放电 控制策略如下 （ 1 ） 导入待处理的负荷数据， 统计负荷的峰值与 谷值； （ 2 ） 根据负荷峰谷值， 设定储能调节后合成出力 低谷值 P ref ， 并为合成出力峰值赋初值 P max ； （ 3 ） 系统循环赋初值 n = 1 ； P max 的大小关系。 （ 4 ） 比较负荷与 P ref 、 当负荷小 P ， ； P ， 于 ref 时 储能电池充电 当负荷大于 max 时 储能电池 P max 之间时， 储能电池不动作。 放电； 负荷在 P ref 、 （ 5） n = n + 1； （ 6 ） 若 n 小于所载入负荷数据的条数时， 返回步 否则进行步骤（ 7 ） ； 骤（ 4 ） ， （ 7 ） 统计储能电池的充电电量、 放电电量； （ 8 ） 判断储能电池充放电是否平衡。 若充电电量 大于放电电量， 减小 P max ， 返回步骤 （ 3 ） ； 若充电电量 增大 P max ， 返回步骤 （ 3 ） ； 若充放电平 小于放电电量， 由式（ 1 ） ～ （ 4 ） 计算储能系统的功率、 容量。 衡，
1wk.baidu.com
重点理论研究
电力建设
2013 年 2 月
组能够灵活调节出力的能力不足额定容量的 50 % ， 当 负荷峰谷差低于火电机组的调整范围时， 需要部分小 容量机组启停调峰或压火调峰， 甚至需投资建设更多 的机组并改进火电机组的运行方式来满足调峰需求，
［ 13 ］ 。据统计， 从而大幅增加了系统的运行成本 近年来 ［ 4 ］ 我国电网负荷的峰谷差为 38% ～ 48% 。以辽宁电网
Electric Power Construction Vol. 34 ，No. 2 ，Feb． ， 2013
近年来， 随着人民生活水平的提高和电力负荷的 快速增长， 电网负荷峰谷差逐步增大， 与此同时， 随机 性、 波动性、 不可调度性的可再生能源大规模并网 ， 导
基金资助项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目 （ 2011AA05A113 ） ； 国家电网公司科技项目（ DG71 － 12 － 003 ） 。
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储能系统容量配置策略
储能系统接入电网示意图如图 1 所示， 储能电池 升压变压器升压后接入大电网。 经直交变换、 储能技术用于电网削峰填谷的容量配置 ， 包括功 。 率配置和容量配置 储能系统的功率需满足系统调 峰的功率限值， 功率和容量的计算公式为 P ESS = max（ | ΔP1 | ， | ΔP2 | ， … | ΔP N | ） （ 1 ）
2011 年辽宁电网峰值负荷为22 362 MW， 低谷负 为例， 荷为 12 708 MW， 峰谷差为 43. 2% 。 调峰问题是电网运行中的基本问题 。启停迅速、 运行方式灵活的调峰技术符合电网调峰技术的应用 需求。在电力系统常规调峰技术中， 相比于火电机 组， 水电机组启停迅速、 运行方式灵活， 且调峰深度接 ［45 ］ ， 但水电机组的建设受地理条件的限制， 近 100% 不能进行大规模的推广应用。 大规模电池储能系统因其快速响应特性 ， 具有优 越的调峰性能， 可在用电低谷期作为负荷存储电能， 在用电高峰期作为电源释放电能， 实现发电和用电间 解耦及负荷调节， 削减负荷峰谷差， 且其建设不受地 全钒氧化还原液流电 理条件限制。 以锂离子电池、 钠硫电池为代表的电池储能系统， 可有效延缓甚 池、 至减少电源和电网建设， 提高能源利用效率和电网整 ［67 ］ 。 体资产利用水平， 改变现有电力系统的建设模式 影响储能技术在电力领域规模化应用的主要因素 主要包括储能系统规模、 技术水平、 安全性及经济性。 当储能系统的容量达到 MW / MWh 级规模能力、 满足 MW / MWh 级 下 的 安 全 性、循 环 寿 命 达 到 5 000 次及以上、 充放电效率达到 80% 及以上时， 储能 系统的高成本成为限制其大规模应用的关键因素， 从 ， 而有必要研究储能应用的容量配置问题 进而评估储 能项目运营的经济性。储能系统的应用研究主要包括 2 个层次： （ 1） 在规划前期， 根据储能系统应用方向， 配 置储能系统容量， 并进行经济性评估； （ 2 ） 在储能系统 运行过程中， 根据储能系统应用目标， 研究储能系统在 89］ 线优化控制问题， 文献［ 对电池储能系统削峰填谷 1015］ 的在线优化控制进行了研究， 文献［ 研究了风电 场中储能容量的配置方法。关于规划前期， 储能系统 参与调峰的容量配置及经济性问题对储能产业的发展 意义重大， 本文将重点围绕此问题展开研究。
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Electric Power Construction Vol. 34 ，No. 2 ，Feb． ， 2013
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2. 1
经济性分析
成本分析 电池储能系统成本主要包括初始投资成本和运
第 34 卷第 2 期
修晓青， 等： 用于电网削峰填谷的储能系统容量配置及经济性评估
重点理论研究
营维护成本。储能系统的初始投资成本主要由功率 成本和容量成本构成。 容量成本与储能电池的投资 有关， 功率成本与储能电池用双向变流器、 监控系统 的投资有关。储能系统的运行维护成本为维持储能 电站处于良好的待机状态所需要的费用 。 储能系统循环寿命是其成本分析中的重要参量 。 储能系统的循环寿命， 即标称容量降至储能电池初始 额定容量的 80% 时， 电 池 的 完 整 充 放 电 循 环 次 数。 影响电池循环寿命的主要因素包括极端温度 、 过度充 放电、 充放电深度及充放电速率。储能系统在标准充 放电电流、 电压、 温度条件下工作时， 其循环寿命为充 放电深度的函数。储能系统使用寿命年限为 T life n = L cyc_year