美国权威分析储能在电力系统中的应用-北极星储能网

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能源互联网运行关键技术是清华四川能源互联网研究院重点研究方向之一，其重要组成部分为储能等灵活性资源与电力系统深度互动技术。研究院致力于推动储能等灵活性资源行业发展和电力市场化改革，服务于中国能源互联网市场变革与发展。

笔者比较关注储能与电力系统领域的发展，看到很多文章提及储能电力系统应用时在表述上存在概念上错误和重叠，因此将2015年美国能源部和电科院联合出版的储能手册中应用部分翻译及解读刊出，以便读者理清储能在电力系统中的应用种类及价值。

1、背景介绍

风电光伏新能源发电具有间歇性和波动性，其大规模接入对电网运行调度带来了巨大挑战。新能源波动性使电力系统调频愈加困难，需要储能实现高效精准地控制电网频率。新能源易受天气等因素影响，难以预测其发电。储能能够调节发电出力和跟踪发电计划，提高新能源发电的并网稳定性和上网电量。在山区和海岛等离网地区风电光伏结合储能可有效降低当地居民和企业用电成本。随着电动汽车规模快速增长，电动汽车充电也需要储能调节。智慧城市和能源互联网等技术发展，也离不开储能电站。

2、储能应用

美国能源部和电力科学研究院联合国家农村电力委员会出版的电储能手册，在综合其他研究成果基础上明确储能在电力系统中的五大类18项应用服务(图2.1)。

图2.1储能应用

2.1、批发能源服务

2.11、电能时移套利

电能时移套利是在低电价或系统边际成本时段，购买廉价电能在高电价或成本时段使用或卖出。储能电站电能时移也可储存多余电量，例如弃风弃光。储能电站的可变运维成本和系统效率对该服务很重要。可变运维成本中两个核心因素是充放电效率和容量衰减率。影响该服务经济收益因素包括购电、储电、放电等成本和放电收益等。跨季节或昼夜储能也可参与大宗批发能源服务。这种服务可用于解决新能源发电季度或日间差异。

技术要求：储能电站容量为1-500MW，放电持续时间为小于1小时，年最小运行次数为250次

解读：抽水储能技术适合该应用可参与日间峰谷调节。电转气技术适合跨季节储能，但是电转气技术经济性取决于低价电量，弃风弃光等多余电量适合该技术。

2.12、电源容量供应

根据区域电力系统情况，储能电站可用于延缓或削减新建发电站容量，或者减少在批发市场购买容量。各地区电力容量市场规则差异较大，有些区域发电容量成本包含到批发电价中，有些区域电力容量需要单独付费。储能电站作为容量供应商的运行机制亦各不相同。储能电站提供容量服务收益取决于具体容量计费制度。图2.2显示了系统存在容量限制和储能电站供应容量的情况。其中上图峰值为工作日的峰值负荷，下图为储能在峰值负荷时段放电以满足负荷要求，在夜间负荷低谷时段充电。

技术要求：储能电站容量为1-500MW，放电持续时间为2-6小时，年最小运行次数为5-100次

解读：储能容量供应服务适合电力供不应求或供需紧平衡的市场，能够减少新电源建设或提高调峰电站利用率。中国电力市场总体供过于求的局面，储能参与该服务竞争力不足。

2.2、电力辅助服务

2.2.1、调频辅助服务

调频辅助服务是特别适合储能电站一种电力辅助服务。调频辅助服务为控制区域之间联络线交换功率和区域内部短时需求变化。电力系统需要采购调频辅助服务为了保持电网频率稳定和满足北美电力可靠性委员(NERC)关于有功功率平衡控制性能(BAL001)和扰动控制性能(BAL002)标准。

调频辅助服务用于调节发电和负荷波动导致的瞬时差异，抑制这种波动带来的频率变化。图2.3显示细负荷曲线为无调频服务情况下因发电和负荷不平衡产生大量波动，而粗负荷曲线为调频辅助服务抑制了波动后的平滑曲线。

发电厂可根据需要提高或降低功率输出以参与调频辅助服务。当发电不足时，发电厂提高功率输出以提高频率，而当发电过剩时发电厂减少功率输出以降低频率。大型火电厂参与调频辅助服务时调整功率输出会带来严重机组磨损。

如图2.4所示1MW储能电站参与调频辅助服务的两种运行模式，而发电厂参与调频有三种运行模式。左边图为1MW储能电站一半功率用于频率调高，一半功率用于频率调低，该运行模式效率比较低。右边图为1MW储能电站通过充放电实现1MW频率调高和1MW频率调低，总共提供2MW调频辅助服务。

储能参与频率调低服务过程充电需要向电网支付电费。该服务中电费可能超过调频服务收益，特别是低效储能电站。

储能电站快速响应特性使其成为非常有价值的调频资源。储能参与调频辅助服务需能响应区域控制误差(ACE)信号或者自动发电控制(AGC)信号。储能电站可快速充放电，其平均调频性能是传统发电厂的两倍，原因为储能可更快和准确地响应信号，同时避免发电设施存在的磨损损失。

图2.5表现储能响应调频辅助服务需求。上边曲线为夸张地表现发电需响应的负荷波动情况，而下面曲线为储能充放电提供调频辅助服务。

技术要求：储能电站容量为10-40MW，放电持续时间为15分钟-60分钟，年最小运行次数为250-10000次

解读：储能电站非常适合调频辅助服务的主要原因为调频利用其快速功率调节性能，不需要涉及大量电量，适合能量有限的储能系统。此外，储能电站可快速响应、精准调节都是其竞争优势。但是储能调频服务取决于电力辅助服务市场的规则，根据美国调频辅助服务市场发展历程分析，只有更合理调频服务考核和补偿机制才能发挥储能调频辅助服务的价值。国内山西、山东、广东等区域电力辅助服务市场改革有利于储能参与调频服务并获取合理回报。

原标题：8000字长文|美国能源部和电科院权威分析储能在电力系统中的应用

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