新能源背景下儲能參與火電調峰及配置方式綜述

高春輝，肖 冰，尹宏學，吳冠宇，周京華

新能源背景下儲能參與火電調峰及配置方式綜述

高春輝1，肖 冰1，尹宏學2，吳冠宇1，周京華2

（1.國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010000；2.北方工業大學北京市變頻技術工程技術研究中心，北京 100144）

隨著新能源發電并網的容量不斷增加，新能源發電輸出的波動性和間歇性對電網穩定運行的影響日益嚴重?；痣姀S需頻繁參與深度調峰來保證電網運行的安全性，導致火電廠的調峰壓力急劇增加。對此，本文總結了傳統火電機組參與電網調峰的現狀以及部分地區出臺的相關輔助服務政策，列舉了目前我國已有的儲能系統參與電網調峰的示范工程，并總結了適用于電網調峰的儲能技術及儲能系統常用的容量配置方法。

新能源；火電廠；調峰壓力；儲能技術；容量配置

近年來，我國新能源發電并網設備的裝機容量快速增長。據國家能源局統計[1]：2018年，我國可再生能源發電量達1.87萬億kW·h，同比增長 約1 700億kW·h；可再生能源發電量占全部發電量比重為26.7%，同比上升0.2百分點；其中，風電3 660億kW·h，同比增長20%，光伏發電1775億kW·h，同比增長50%。然而，新能源發電具有間歇、波動、反調峰等特性，增加了系統的負荷峰谷差，對電力系統的接納能力提出了更高的要求。

由文獻[1]可知，電網公司通過采取多種技術和管理措施降低棄風棄光率。2018年，全國平均棄風率同比下降5百分點，全國平均棄光率下降2.8百分點，實現棄風率和棄光率“雙降”。但局部地區如新疆，棄風率、棄光率仍高達23%、16%。雖然整體棄風棄光現象有所減緩，但由于部分地區的環境特點，棄風、棄光問題仍較為嚴重[2]。

為緩解上述矛盾，火電機組需頻繁進入深度調峰的工作狀態，但頻繁、大幅度的調節會降低其使用壽命，并導致效益較低[3]。為此，各地區相繼出臺了輔助服務機制，充分調動火電廠參與調峰的積極性，但收效有限。近幾年快速發展的儲能技術具有較快的響應速度，能夠優化電源結構、增加調峰容量，若能引入儲能系統參與調峰服務，可減少并優化火電機組的頻繁增減出力，從而有效緩解火電廠的調峰壓力，有利于提高新能源消納能力，減少棄風/棄光量。

為便于讀者了解新能源背景下儲能參與火電調峰及配置方式，本文將在介紹目前火電廠的調峰現狀、總結響應輔助服務策略的實施和效果的基礎上，以現有的儲能參與調峰示范工程為例，分析具有較好發展前景的參與調峰儲能技術，并對儲能系統常用的容量配置方法進行總結。

1 火電廠調峰

火電機組具有穩定性好、持續時間長、可控性強等特點，相關技術相對成熟，在傳統調峰方式中占據重要地位。但由于其響應時間長等特性，仍存在安全性、經濟性、調節性等問題[4]，尤其在供熱季，火電機組除了常規發電和調峰任務外，還要兼顧供熱任務，影響其調峰能力與效果。

1.1 火電廠的調峰現狀

大規模新能源接入后，電網的規劃、生產、運行面臨諸多問題與困難，許多火電廠開始對火電機組進行靈活性改造以保障電網穩定運行。文獻[5]介紹了通過改進火電機組設備及協調控制系統控制策略提高火電機組響應速度，增強火電機組的調頻調峰能力來滿足大規模新能源并網要求的措施。目前，火電機組調峰通?？煞譃椋赫；菊{峰、深度調峰和啟停調峰3個階段。火電機組的靈活性改造在一定程度上緩解了部分地區的調峰壓力，但對于新能源消納、棄風、棄光等問題仍然具有一定的局限性。

我國各區域對火電機組調峰能力的要求為最小技術出力在50%N~70%N。文獻[6]的算例表明：部分火電機組調峰深度到達55%N時，整個系統調峰效益最高；隨著調峰深度增加，機組的深度調峰效益逐漸減小。火電機組調峰深度與新能源消納之間的整體效益問題是影響火電廠調峰積極性的關鍵?；痣姀S的調峰效益與其調峰成本之間存在直接關系，文獻[7]研究表明，對系統成本變化趨勢起主要作用的是啟停成本、深度調峰機組的投油成本以及變負荷磨損成本，多方面的成本使得火電廠僅靠自身調峰獲得的經濟收益較低。文獻[8]建立了風電優先的經濟調度模型，并以典型10機系統為例進行了仿真。從算例仿真看，文獻中的深度調峰補償標準不足以補償火電機組深度調峰的損耗，導致火電企業調峰積極性較低。所以，不斷完善輔助服務機制、落實相應輔助服務政策，是提高調峰收益、激勵火電企業主動進行深度調峰的有效方案。

1.2 火電廠調峰的輔助服務策略

我國電力供應能力總體寬松，局部地區棄風、棄光、棄水和系統調峰、北方地區供暖季電熱矛盾等問題突出，建立電力輔助服務市場機制的必要性日益凸顯，補償機制亟需進一步完善[9]。

在未推行相關輔助機制時，文獻[10]研究表明，火電機組深度調峰有利于風電企業，而火電廠得不到相應的調峰效益，導致其參與調峰積極性不高。文獻[11]通過經濟調度模型量化了調峰機組的調峰價值，指出完善輔助服務機制、落實合理的機組調峰補償的重要性。文獻[12]建立了以成本消耗最小為目標的電網調度模型，說明提高火電廠收益可以有效調動火電廠提供調峰服務的積極性。所以部分地區開始嘗試進行輔助服務補償，例如文獻[13]提到蒙東電網的“風火替代交易”機制實現了火電企業和風電企業的合作雙贏。

自2003年原國家電監會批復東北試點區域電力市場建設之后，至今已有14個地區（東北、華北、華東、西北、福建、山西、山東、新疆、寧夏、廣東、甘肅、重慶、江蘇、蒙西）研究啟動電力輔助服務市場。

國家能源局2016年發布的《關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助補償（市場）機制試點工作的通知》和2017年10月發布的《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》等文件中提到的補償方法，調動了火電企業參與調峰的積極性，同時鼓勵企業投資建設儲能設備。因此，發展儲能技術、擴大儲能系統使用范圍，是解決當前新能源并網問題的有效解決措施。部分地區電力服務市場相關情況如表1所示。

表1 部分地區電力服務市場相關情況

Tab.1 Related situations of the electricity service market in some regions

2 儲能技術調峰應用

儲能系統具有靈活性、可控性等特點，能有效平滑間歇式波動電源的功率輸出，提高電網運行的安全性和穩定性。儲能系統參與調峰作用是在用電低谷時蓄能，在用電高峰時釋放電能，實現削峰填谷。本節將從儲熱技術調峰、電池儲能技術調峰以及混合儲能技術調峰等方面，對實用性較強的調峰方法進行總結。

2.1 儲熱技術調峰

儲熱技術大體可以分為顯熱儲能、潛熱儲能和化學儲能3類。文獻[14]分析了供熱機組的熱網儲能特性，機組變負荷過程中利用熱網蓄熱能夠有效減小機前壓力波動，提高電網運行的穩定性。文獻[15]提出了新的利用蓄熱進行調峰的原理，通過增加蓄熱裝置擴大冬季調峰裕度，既能滿足供熱需求，還能保證電網大規模接納新能源調峰。文獻[16]研究表明，對于設置蓄熱罐的系統，當熱化系數大于0.7時，蓄熱罐可以完全取代調峰熱源，實現調峰作用。文獻[17]引入大容量儲熱，實現電－熱聯合調度，提高了能源系統大時空范圍內的優化配置能力，有效緩解了新能源并網的調峰壓力。文獻[18]通過對比不同抽汽條件下熱電聯產機組的調峰能力，指出供暖期“以熱定電”政策下，熱電聯產機組能夠緩解火電機組調峰壓力。文獻[14-18]研究了通過引入儲熱技術，實現能源整合以提高能源系統的調峰能力，從而緩解火電機組的調峰壓力、解決新能源消納問題。

2.2 電池儲能技術調峰

電池儲能技術發展迅速，使用成本不斷降低。文獻[19]從發電側、輸電側以及配電側的應用場景等方面綜述了電池儲能系統運行控制與應用方法，表明儲能電站在新能源并網和電網安全控制等領域發揮重要作用。文獻[20]提出了低成本、長壽命、高安全是電池儲能系統的發展方向，逐漸成熟的電池儲能技術必將在調頻調峰等領域取得長足應用。文獻[21]從全網調峰角度出發，設計了梯次利用電池儲能系統容量配置雙層優化模型，利用遺傳算法得到系統投建成本與發電成本的最優組合，有利于緩解調峰壓力。

電化學儲能設備可根據實際情況靈活選址，按需配置其功率和能量，具有響應速度快、充放電可控、受周圍環境影響較小等特點，且容易大量生產。

2.3 混合儲能系統調峰

儲能技術種類繁多，各種儲能技術具有不同的特性，適用不同的場合，而混合儲能可以彌補單一儲能裝置的不足。混合儲能系統一般由功率型儲能與能量型儲能組成：功率型儲能系統可在短時間內做出自動、快速響應，具有較大功率的充放電能力，如超級電容儲能、飛輪儲能、超導磁儲能等；能量型儲能系統則包括抽水蓄能、壓縮氣體儲能、電池儲能等具有大規模能量吞吐能力的儲能技術?，F有研究表明，相對于單一的儲能系統，混合儲能系統在調峰效果上具有明顯的優勢。國內、外部分儲能典型示范工程列于表2。

表2 國、內外部分儲能典型示范工程

Tab.2 Some typical demonstration projects of energy storage at home and abroad

文獻[22]提出了一種基于改進希爾伯特-黃變（Hilbert-Huang transform，HHT）的混合儲能系統（hybrid energy storage system，HESS）的容量優化配置方法，以提高光伏的消納能力。文獻[23]提出了組合調峰的思路，通過優化組合調峰方案，適應未來新能源比例大幅增加的發展。

相對于傳統火電廠而言，儲能系統在調峰等輔助服務方面具有更明顯優勢，深入研究混合儲能系統的協調優化策略以及容量配置等將是今后的發展趨勢，但混合儲能系統調峰技術研究尚未成熟，存在無法精確建模和運行策略完善等問題。

3 儲能容量配置優化方法

規?；瘍δ苡捎谧陨盱`活方便的運行方式，在解決可再生能源并網的消納問題上具有廣闊的發展前景。合理配置儲能系統容量可以降低儲能系統成本、提高其調峰降損的收益。

3.1 單一目標配置

3.1.1以儲能設備容量為目標

以儲能設備容量最小為目標建立目標函數，確定滿足要求的儲能容量，這種方法是從技術性的角度給出儲能容量的配置方案。文獻[24]以功率容量最小為優化目標，應用魯棒線性優化理論求解考慮隨機變量的優化問題，使系統在現有靈活性調節能力受限的背景下，通過配置較小容量的儲能裝置來實現系統靈活性增加的目的，并有效緩解調峰壓力。文獻[25]在節能環保的前提下以新能源消納量最大為優化目標，基于安全約束經濟調度（security constrained economic dispatch，SCED）模型分析了受端電網直流接納能力，以緩解調峰壓力。文獻[26]針對不同季節的典型日數據，對輸出功率數據進行了統計，獲取了功率波動的概率分布，提出了利用分段平滑的方法確定容量配置的結果，增加了系統運行的安全性和靈活性。文獻[27]以風光儲聯合發電系統輸出功率變化率為目標函數，提出了風光儲發電容量最優配比方法。

3.1.2以成本最小為目標

以成本最小為目標建立目標函數，這種方法是從經濟性的角度給出儲能容量的配置。綜合經濟性是工程實施考慮的最大因素，也是全面推廣儲能系統應用的決定性因素之一。目前，大多數的研究無法計及整個壽命周期內更換、維護設備所產生的費用。文獻[28]從風電場－混合儲能系統主體一體化的角度提出了基于最大經濟收益的混合儲能系統優化控制策略及其容量最優配置方案。文獻[29]以獲得最小系統總成本為目標，基于改進的IEEE RTS-96系統進行了仿真計算和分析，驗證了該復合儲能模型及其容量優化方法的有效性。文獻[30]建立了以經濟性為目標函數的儲能容量優化模型，從投資收益和社會效益2方面研究了其經濟性指標。

3.2 多目標配置

建立多目標優化模型可以兼顧儲能配置的技術性和經濟性，降低成本，提高運行的安全性，使配置更趨合理，調峰效果更加顯著。文獻[31]針對復合儲能系統建立了多目標最優潮流模型，建立了基于電力系統分析綜合程序（power system analysis software package，PSASP）的發輸電網、風電場和儲能系統仿真模型，按照所建模型進行儲能系統的選址和容量配置，通過引入儲能系統擴大了大規模風電并網量。文獻[32]建立了以縮減棄風率與棄光率為目標，以投資成本與新能源消納收益構成的投資收益比評估為約束的儲能系統配置數學模型，提供了儲能系統可有效提升新能源消納能力的技術與經濟可行性思路。文獻[33]建立了復合儲能系統特性參數–風電功率平滑度的短期神經網絡模型，同時考慮了平滑功率的技術性指標和系統運行成本的經濟性指標，通過遺傳算法對該模型的目標函數進行尋優，從而得到復合儲能系統最佳的特性參數組合。文獻[34]提出了一種考慮網架結構的電池儲能系統（battery magnetic energy storage，BESS）配置雙層優化模型，外層模型計及系統安全約束，以風儲聯合系統相較風電場單獨運行的效益增加量最大化為目標，確定電池儲能系統最優配置節點、功率、容量；內層模型以風儲聯合運行效益最大化為目標建立模型。文獻[35]建立了可再生能源輸出波動的平滑目標并選取Savitzky-Golay濾波算法以平抑多種新能源的出力，分析了功率型儲能和能量型儲能的特點，論證了混合儲能的互補性。

4 結 語

新能源發電大規模并網增加了火電機組的調峰壓力，本文總結了在此背景下火電廠進行靈活性改造和參與深度調峰運行的現狀以及部分地區出臺的相應的輔助服務策略。相關數據顯示，服務機制的完善在調動火電廠調峰積極性、緩解火電調峰壓力方面具有顯著效果。通過列舉儲能系統參與調峰的示范工程，總結了不同儲能技術的調峰方法，其中混合儲能系統在調峰效果、容量配置、節約成本等方面相比單一的儲能裝置具有明顯優勢，可以彌補單一儲能系統的不足，但也存在無法精確建模等弊端。

此外，本文還總結了儲能系統容量的優化配置方法，根據不同的優化目標來建立模型，如以最小容量、運行成本為目標以及構建多目標函數等，合理的容量配置可以使儲能裝置具有更好的調峰效果，儲能系統容量配置方法的優化仍然是今后的主要研究方向。

火電機組自身的出力特性和較長的響應時間限制了其在調峰時增大輸出功率的速度，影響調峰效果。而快速發展的儲能技術具有調節性能強、響應速度快等特性，隨著技術的成熟和成本的不斷下降，其在工程上的應用將越來越廣泛。

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Energy storage participating in thermal power peaking and configuration in background of new energy: a review

GAO Chunhui1, XIAO Bing1, YIN Hongxue2, WU Guanyu1, ZHOU Jinghua2

(1. State Grid Inner Mongolia Eastern Power Co., Ltd., Institute of Electric Power Science, Hohhot 010000，China; 2. Inverter Technologies Engineering Research Center of Beijing, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

With the increasing capacity of new energy power generation grids, the volatility and intermittent nature of new energy power generation output has an effect on stable operation of the power grid. Thermal power plants need to frequently participate in deep peak shaving to ensure the safety of power grid operation, resulting in a sharp increase in peaking pressure of thermal power plants. In this regard, this paper summarizes the current situation of conventional thermal power units participating in power grid peak shaving and related auxiliary service policies issued in some regions. It lists the existing demonstration projects of energy storage systems in China to participate in power grid peak shaving, and summarizes the applicable power grid adjustment, peak energy storage technology and capacity allocation methods commonly used in energy storage systems.

new energy, thermal power plant, peaking pressure, energy storage technology, capacity allocation

TM621.7

A

10.19666/j.rlfd.201903059

2019-03-13

高春輝(1972)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電氣工程，TLJGCH@163.com。

尹宏學(1994)，女，碩士研究生，主要研究方向為電氣工程，2870094871@qq.com。

高春輝, 肖冰, 尹宏學, 等. 新能源背景下儲能參與火電調峰及配置方式綜述[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 38-43. GAO Chunhui, XIAO Bing, YIN Hongxue, et al. Energy storage participating in thermal power peaking and configuration in background of new energy: a review[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 38-43.

（責任編輯 李園）