电力储能评估框架及典型应用案例

引言：电力储能可以提高电力系统中可变可再生能源(VRE)的份额，从而加速离网电气化并间接使运输部门脱碳。虽然它在能源转型中发挥关键作用，但是储能的系统价值通常难以进行解释，往往这使得设计出现问题，进一步导致投资收益受损，成本流失。国际可再生能源机构(IRENA)提出储能评估框架(ESVF)，其目的在于帮助制定有效的储能政策，以整合可再生能源发电。电力储能的重要性电力储能是指存储电能并在最需要时按需释放电能的技术。它可以通过快速可变的部署和有效的辅助服务加速能量转换，使发电资产的盈利能力(如提高捕获价格、获得辅助服务收入)最大化，进而解决能源结构转型所带来的某些经济性问题。储能技术是将大量VRE集成到电力系统中的关键助力，也是提高电网柔性的关键技术，如下图所示。

图1 传统的柔性提供者(左)与新兴的柔性提供者(右)

能够提供快速频率响应的电力系统已在某些国家(如英国)中出现。1)几秒到几分钟的储能，能够提供业务储备(主要是电池，飞轮和抽水电)。2)数分钟到数小时不等的抽水蓄能、液流电池可用于负载跟踪和能源时移(能源套利)。3)数小时到数天，数周甚至数月可进行长期电力储能及调度。

图2 电力储能可以在不同的时间范围内提供的系统服务

储能可提供的服务取决于电源系统中的连接点。输电级连接时，电力储能可以支持更高的VRE接入比例，参与电力市场招标以买卖电力，并在与技术能力相关的各个时间范围内提供辅助服务。配电级连接时，储能在提供上述所有服务的同时，还帮助本地变电站提高电能质量和可靠性。

它还可以连接到其他发电设施，从而实现更准确的价格捕获，提供电网服务的同时节省连接成本。储能装置也可以放在用户端，以支持用户增加PV本地消纳，减少电费。

图3 储能的网格应用

针对不同利益相关者，基于研究结果，IRENA报告提出了以下的储能系统发展建议：

1、储能开发商应制作各种针对特定市场的业务模型，可以为其项目提供可行的案例。

2、进行垂直整合的公用事业公司应考虑升级计划工具，并公开咨询其它利益相关方。使费率设计人员、计划人员和电网运营商能够共同努力，充分发掘储能装置的潜力。

3、监管者应消除相关法律或管理方面的阻碍，以免影响储能参与能源和辅助服务市场的发展

4、研究机构可以开发相关工具和研究具体方法来进行电力储能评估。

储能评估体系(ESVF)的提出旨在支持监管机构和其他利益相关方使用建模工具来评估电力系统中储能的系统价值。

ESVF分五步进行指导研究，研究中心主要围绕以下几点展开：a)储能为电力系统带来的价值;b)储能的最佳利用方式;c)确保可盈利收入高于成本的方法。

图4 储能评估框架：五个阶段

储能评估体系(ESVF)的步骤

阶段1：识别可支持与集成VRE的电力储能服务

如前所述，在阶段1就确定能支持VRE集成的所有电力储能服务。图5分析了各种能源服务的内容以及区别。红色框表示在被评估框架中需要量化的部分，需要特定的建模工具进行量化分析。

图5 可量化的储能服务

阶段2：存储技术映射

此阶段必须建立不同存储技术对各种应用的适用性概述。

表1 可供考虑的存储技术列表

注：CAES =压缩空气储能;LFP =亚磷酸铁锂;LTO =钛酸锂;NaNiCl =氯化镍镍; NaS =钠硫;NCA =锂镍钴铝;NMC =锂镍锰钴;VRLA =阀控铅酸;ZnBr =溴化锌。

阶段3：系统价值分析

该阶段主要进行系统级分析，计算给定电力系统中储能系统建设所投入资产的总经济效益。

图6 系统价值分析步骤

通过在高峰时段满足需求，非高峰时段存储低成本电力的方法，储能可以提高电力系统的VRE容纳率。这不仅节约了石油等更昂贵的高峰发电资源，降低高峰时段电价的同时，也避免出现与能源供求事件相关的潜在价格飙升。

图7 不带储能(上)和带储能(下)的电力特征变化

阶段4：储能运行与累计收益模拟

储能可以一次为系统提供多个价值流，但通常以降低总系统成本或生产成本为目标进行系统级分析。此时还需模拟储能过程对以上分析进行补充。此方法模拟储能资产如何从能源和辅助服务市场中获得更多收益，探究实际市场利润最大化的方法。

阶段5：储能项目的可行性分析

该阶段是查看单个储能项目在不同情况下的收益，研究项目收入是否足以维持储能项目支出，该阶段主要使用项目可行性模型。

项目可行性模型主要是成本效益分析，用于评估提供预定义服务的储能项目是否具有成本效益。在考虑了项目收益和系统价值以及项目成本之后，可行性模型将可货币化的收益进行叠加，并将其与成本进行比较。

下图显示了项目可行性模型的结果示例。在此特定示例中，尽管系统收益总和超过成本，但项目收入小于成本，项目所有者出现“负收益“。

图8 成本和收益分析

储能适用的情景案例

随着可再生能源的快速发展，电力系统面临与运营和规划有关的挑战，此时需要更加灵活的能源系统来确保可靠、有效地整合资源。储电系统具有快速吸收电能、存储然后再注入电网的能力，因此将成为VRE集成的关键技术。

下面例举8个不同情景的应用案例：

案例1：业务储备

具有高非同步发电(如来自VRE)比例的电力系统，惯性更低，需要更快的资源响应来阻止由功率不平衡产生的频率变化。这种情况下，电力储能是非常合适的技术，可以对任何不平衡功率提供快速响应。

英国实施的增强频率响应服务(EFR)，预计在系统中部署201 MW储能装置，来提供频率响应。南澳大利亚已部署了100 MW的特斯拉电池来提供频率控制辅助服务(FCAS)和能源套利服务。

图9 英国的频率响应服务

案例2：负荷柔性爬坡

高VRE渗透率的电力系统中，资源的可变性和不确定性不断重塑负载曲线。当太阳能PV的渗透率很高时，负载曲线将向所谓的“鸭形曲线”靠拢，其特点是系统中的其他资源需要满足很高的爬坡要求，而储能技术能满足这些斜坡要求，使得鸭形曲线变平坦。

图10 储能对鸭形曲线的影响：提供灵活的负荷坡度

案例3：能源套利

能源系统的不断发展，要求电力系统匹配实时的供需。考虑到太阳能和风能的高度不可预测性，实时供需预测极具挑战性。利用储能系统来提供灵活性并提高电网效率是一种可行的解决方案。能源套利是储能系统提供的价值流之一，人们可以在电价便宜时存储电量，在电价昂贵时将其接入电网，从差价中获得收益。

但是，单独进行能源套利是不够的，因为在一天、一周或一个月内，高峰和非高峰之间的价格差异，会随着套利的增加而减小。也就是说套利可能会随着储能渗透率的增长而饱和，因此需要结合电网服务来积累套利收入。

案例4：VRE曲线的平滑化

现在安装的存储系统多数是为了帮助VRE曲线实现平滑化。但是，当与其他服务堆叠在一起时，那些都将成为附加价值。此外，平滑化的VRE输出对于独立电网尤其重要。电网高峰用电期的辅助能源通常是污染严重的柴油发电机，如果使用可再生能源发电便可大幅度的降低污染，减少二氧化碳排放。

案例5：传输与分配投资延缓

VRE占比的提高会增加传输与分配(T&D)拥堵的风险，而储能是避免拥堵并延缓T&D网络投资的潜在解决方案。一些项目已经安装并成功运行。意大利的特尔纳安装了38.4 MW的钠硫电池，用于延缓输电投资。

案例6：优化工厂投资

电源系统必须具有足够的容量来满足峰值需求，但是高渗透率的VRE可能导致系统容量过剩，供应机制的安全性难以保证。

储能是保证供应机制安全性的一个选择，因为它们提供了额外的电力转化途径。使用储能来满足高峰需求可以降低对调峰电站的投资，马萨诸塞州和纽约市的研究项目已证明了这一点。

案例7：在离网中实现较高的VRE占比

许多农村地区和岛屿仍然严重依赖化石燃料，但它们的电力供应并不可靠，一天中只有数小时能使用电力。太阳能光伏和电池储能系统是已知的最低成本、最环保的解决方案。

离网中使用电池储能系统的其他好处还包括：减少环境影响(局部排放，全球排放，燃料泄漏)、减少对价格波动性进口燃料的依赖以及增强本地能源供应的独立性。

案例8：后台电力储能

近年来，传统电网已经逐渐向智能电网升级。在智能电网中，消费者可以使用自己的可再生电源与电网互动。为了最大程度地实现自我消费，电力储能是至关重要的环节。它在减少电费和需求费用的同时提供备用电源，提高电网灵活性。