综合能源背景下的电网储能规划研究

综合能源背景下的电网储能规划研究

陈奇 1陈曦寒 2

江苏省规划设计集团有限公司 江苏省南京市 210036

摘要：对综合能源系统进行优化提升是适应“双碳”战略目标的内在要求，本文围绕综合能源场景下电力系统与其他能源相融合的现状，针对产能与用能间存在的时间及需求错位的情况，展开对电网储能设施规划及容量配置的研究与探讨。

一、背景

“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点的战略方向，如期实现“碳达峰、碳中和”目标，需要着力构建综合能源系统，改变传统能源系统建设路径和发展模式，大力推动能源生产和消费革命。

综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统。它主要由供能网络、能源交换环节、能源存储环节、终端综合能源供用单元和大量终端用户共同构成。

能源应用的多元化使得能源成为一个多领域交错的综合问题，仅靠能源供应的保障即供应侧的规划，或仅靠需求侧能源消费单个领域的个别节能措施是无法根本解决的，需要在更高的层面上权衡、统筹和协调。

二、能源规划存在的问题

传统能源规划仅仅面对单一能源系统，如供电、供燃气、供热等，缺乏对各能源系统的资源优化配置，降低了整体能源利用效率。针对上述现象，就需要从综合能源系统协同规划的理念出发，将多种类型能源系统有机耦合，提供一个多种能源综合利用的物理平台，充分发挥不同能源形式的互补特性和协同效应，在更大范围内实现能源系统资源优化配置，提升系统灵活性，提高可再生能源消纳能力和系统综合能效。

在综合能源系统运行过程中，由于新能源存在发电不稳定，容易出现产能时间与用能时间不匹配，发电与供热不同步，热电联产产生的电能与负荷不同步等问题。因此在规划中须考虑能量的存储，通过蓄能使负荷平准化、协调供应和需求，使能源的生产和使用相匹配，确保供需平衡。

三、综合能源下电力系统总体运行模式

作为能源供应的一部分，电力系统的“源-网-荷-储”协调优化模式能够更为广泛地应用于整个能源行业，形成整个能源系统的协调优化运营模式，可以发挥更大的作用。

“源”包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法。综合能源背景下的电网运行模式可以主要分为两个方向。

1）横向多源互补。横向互补可将电力系统、石油系统、供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间互补协调，突出强调各类能源之间的“可替代性”，用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由选择能源资源的取用方式。

2）纵向“源-网-荷-储”协调。主要是指2个方面，一是通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能量传输网络之间的相互协调；二是将用户的多种用能需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩大化成为全能源领域的“综合用能管理”，将广义需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳定运行方面的作用进一步放大化。

四、基于综合能源的电力系统储能规划

先进的储能技术在综合能源系统中发展空间很大，储能技术对电网调频调峰、改善供电质量和可靠性方面也具有重要的作用。可再生能源如太阳能、风能具有间歇性、波动性等特点，通过在系统中接入储能设备，可以平滑可再生能源发电功率的输出波动，减少随机性，降低接入电网的难度，而储热、储氢等技术的发展，为多能互补系统中电能向热能、氢能等不同能源形式的转移提供了途径。

常见的储能方式主要有机械储能、化学储能、储热、储氢等。机械储能主要分为抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能；化学储能主要分为电化学储能（各类电池）和超级电容储能；储热主要采用储热罐，常用的储热介质有水、蒸汽、固体或者相变材料；储氢技术包括高压或低温液化方式，固态材料储氢等。

不同的储能方式都存在着其优缺点，需要根据经济性和容量等要求选择合适的储能方式。在电力规划中，可以结合变电站的规划，依据不同类型变电站特点采用不同方式建设电化学储能站，从储能规模的利用率以及最大限度满足电网侧需求两个角度出发，考虑电化学储能电站的能量配置和功率配置。

1、储能系统容量配置方式

（1）平均偏差能量法

统计全年每一天的每一个统计时段的功率高于(或低于)当天平均功率得到正功率差(或负功率差)，并结合该功率差所持续的时间段，计算得出该时间段的可放电(或可充电)能量，进而累加得出当天总的可放电或可充电的能量（即能量偏差）。设定连续若干个能量偏差区间，计算在各区间的概率分布。选择能量偏差区间概率较大对应的平均能量偏差作为储能系统能量配置依据。

（2）总概率能量法

统计全年的逐日能量偏差。选择某一确定的能量值，统计大于等于该充／放电能量的总概率能量，以对应的充／放电能量(计及充放电转换效率)作为储能系统能量配置依据。

考虑到目前大规模储能技术还处于发展阶段，大规模储能系统的稳定性、安全性等问题还有待进一步验证，概率能量值一般按总需求的90％以上选取。

（3）正态分布能量法

统计全年的逐日能量偏差。求每日能量偏差的中心值(均值)和标准差，并根据正态分布原则，把每日能量偏差看作随机变量，进而作为储能系统能量配置依据。

2、储能系统功率配置方式

（1）平均偏差负荷法

统计全年的逐日最高/最低负荷与当日平均负荷之差的最大值，简称“负荷偏差”。设定连续若干个负荷偏差区间，计算在各区间的概率分布，选择负荷偏差区间概率较大对应的平均负荷偏差作为储能系统功率配置依据。

（2）总概率负荷法

统计全年的逐日负荷偏差。统计大于等于某一负荷偏差的概率时的功率，并选择该率值对应的负荷偏差作为储能系统功率配置依据。考虑到目前大规模储能技术还处于发展阶段，大规模储能系统的稳定性、安全性等问题还有待进一步验证，概率功率值按90％以上选取。

（3）正态分布负荷法

统计全年的逐日负荷偏差。求每日负荷偏差的中心值(均值)和标准差，并根据正态分布原则，把每日的负荷偏差看作随机变量，作为储能系统功率配置依据。

2、储能系统接入容量选择

平均偏差法、总概率法主要是从储能规模的利用率方面考虑，正态分布法则从最大限度满足电网侧需求面考虑。现阶段，电化学储能项目广泛应用，实现商业化初期向规模化发展转变，考虑到目前储能技术发展成熟度，建议近期储能规模配置宜采用平均偏差法、总概率法，中远期在占地等条件允许下储能规模配置可按正态分布法预留。

电化学储能电站的近期规划中，考虑到大规模储能技术还处于示范阶段，现阶段储能功率建议取所在变电站最高负荷的12％左右，并结合国内储能电池参数情况，选址区位、经济条件等因素，充放电时间建议取3～4小时。随着大规模储能技术的提升和应用的成熟．在占地等条件具备情况下，远期规模可按所在变电站最高负荷的30％左右预留，充放电时间仍建议取3-4小时。

为节省占地及投资成本，电网侧储能电站建议通过10千伏及以下电压等级接入，若220千伏变电站站址周边位置、间隔等受限，也可考虑分散接入其供电的110千伏变电站10千伏侧。

五、结语

综合能源背景下，电力系统的定位必将从电能配送发展为多种能源相互转换、相互支撑的新型系统。在充分考虑储能系统规划及容量配置的情况下，相信综合能源会向着全面协调的方向发展，从而在社会发展中创造更多的经济效益和环境效益。

参考文献：

[1]刘盛浩.智能配电网规划与建设[J].科技创新与应用,2020(32):61-62.

[2]盛万兴,段青,王良,等.基于多代理协调机制的能量路由器群组与配电网综合规划[J].高电压技术,2020(10):1-15.