儲能參與泛在電力物聯網輔助服務應用綜述

王輝，梁登香，韓曉娟

（華北電力大學控制與計算機工程學院，北京市 昌平區 102206）

0 引言

隨著風電、光伏等可再生能源的大規模開發，交直流輸電規模增大，大量電力電子元器件進入電網，加劇了電網的復雜程度。同時，人工智能的快速發展，互聯網經濟、數字經濟等出現，對現有電力系統的運行方式提出了新的要求。結合物聯網技術打造電網設備的全面互聯、互通和互操作的“泛在電力物聯網”，已成為新時代我國電力能源體系的發展趨勢[1-3]。

儲能系統作為泛在電力物聯網的關鍵支撐，可有效彌補風電、光伏等間歇式新能源并網時給電網安全穩定運行帶來的挑戰，不但能提高系統運行的穩定性，同時還能夠優化系統結構[4-10]。通過在發電側配置儲能，可以有效解決風電、光伏等可再生能源的波動性和間歇性，顯著提高風能、光能的消納水平；在負荷側配置儲能，可以有效實現需求側管理，提高供電質量，降低用戶的用電成本；在輸配電側配置儲能，可以為系統提供無功支持，緩解線路阻塞，延緩輸配電設備的擴容升級。此外，儲能還可以參與電力系統輔助服務，為系統提供調峰、調頻、電壓支持和備用容量等服務[11-13]。

隨著電力市場的進一步深化改革，電力輔助服務市場成為改革的熱點和重點。2017年9月，國家發改委和國家能源局等五部門聯合下發了《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》，指出“允許儲能系統參與機組聯合或作為獨立主體參與輔助服務交易”，初步建立了儲能參與輔助服務的市場機制。東北、山西、福建、山東、新疆、寧夏、廣東、甘肅等8個電力輔助服務市場改革試點所公布的輔助服務試運行方案中，專門為儲能系統制定了相關的運營規則，這意味著儲能技術作為一種新興的技術手段，出現在輔助服務市場的視野內，未來隨著政策及市場的影響，儲能在電力輔助服務市場將迎來新的發展浪潮。

本文以儲能參與泛在電力物聯網下的輔助服務為應用場景，分析了儲能在調峰、調頻、電壓支持和備用容量領域的參與機制，歸納總結了當前的研究現狀，討論了儲能在泛在電力物聯網下輔助服務中的發展前景和研究方向。同時結合泛在電力物聯網建設，對儲能在我國參與輔助服務的商業模式進行了探討，為后續開展更深入的研究提供參考與借鑒。

1 儲能技術的發展現狀

儲能是指通過一定的裝置或物理介質將能量存儲起來的技術，儲能技術按其存儲介質進行分類，可以分為機械儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。機械儲能主要是通過將電能和機械能相互轉換進行能量的存儲和釋放，主要有抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等；化學儲能通過化學反應實現電能和化學能的相互轉換，主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池、釩液流電池和鈉硫電池等；電磁儲能主要包括超導磁儲能和超級電容器等，超導磁儲能利用超導線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉換，超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，充電速度快，可提供強大的脈沖功率；相變儲能是利用相變材料在物態變化時吸收或放出大量潛熱而實現[14-16]。

據統計，截至2019年年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模183.1 GW，其中，抽水蓄能的累計裝機規模最大，為171.0 GW。中國已投運儲能項目累計裝機規模32.3 GW，占全球市場總規模的17.6%，其中，抽水蓄能累計裝機規模最大，達到30.3 GW；電化學儲能累計裝機規模位列第二，為1 582.7 MW；在各類電化學儲能中，鋰離子電池累計裝機規模最大，為1 261.4 MW。

近年來我國的電化學儲能市場規模一直保持著高速增長的勢頭，2017年增長率為60.4%，2018年增長率更是達到175.2%。隨著電力體制改革的進一步推進，推動市場化機制和價格機制的儲能政策將為儲能應用帶來新一輪的高速發展，市場需求也趨于剛性。在此背景下，電化學儲能的規模將得到繼續擴大。截至2018年年底，電化學儲能在各應用領域的累計裝機分布如圖1所示。

圖1 電化學儲能在各應用領域的累計裝機分布Fig. 1 Cumulative installed distribution of electrochemical energy storage in various application fields

從圖1可以看出，電化學儲能目前在電網側和輔助服務領域的快速發展使得儲能在四大領域均衡發展，一改前幾年集中于用戶側的現狀。隨著電力改革的推進，電力輔助服務市場將逐步放開，儲能在輔助服務市場將具有巨大潛力。

2 儲能技術在電力系統輔助服務中的應用

輔助服務是為了保障電力系統安全穩定運行和電能質量而開展的一種必不可少的服務[17-19]。我國電力輔助服務分為基本輔助服務和有償輔助服務。其中，基本輔助服務是指機組必須提供的服務，不進行補償，主要包括一次調頻、基本調峰、基本無功調節等；有償輔助服務是指并網發電廠在基本輔助服務之外所提供的輔助服務，將結合輔助服務主體實際應用效果為參與者提供合理的價值補償，主要包括自動發電控制(automatic generation control，AGC)、有償調峰、備用、有償無功調節、黑啟動等。儲能在輔助服務中的應用主要包括調峰、調頻、電壓支持和備用輔助服務4種。

2.1 儲能調峰

隨著風電滲透率的增加，系統負荷峰谷差增大，加劇了電網的調峰壓力，應用儲能輔助電網參與調峰，存儲低谷時段電力，在用電高峰時釋放，可以有效降低系統負荷峰谷差，減少調峰容量需求。目前，抽水蓄能電站已被廣泛應用于電網調峰領域。在電化學儲能方面，大連融科攜手大連熱電集團有限公司建設了200 MW/800 MW·h的儲能調峰電站。此外，AES在全球也規劃建設了多個鋰離子電池調峰電站。

目前儲能參與電網調峰的研究主要集中在儲能系統的容量配置和控制策略等方面[20]。

1）容量配置方面。

容量配置作為儲能參與輔助調峰規劃的首要環節，對儲能參與調峰具有至關重要的影響。針對儲能參與輔助調峰進行容量配置時，不僅需要考慮負荷和新能源出力的不確定性，同時還需要兼顧系統的經濟性。文獻[21]提出了基于博弈論的混合儲能系統優化配置方法，分別將鉛蓄電池、鋰離子電池和釩液流電池作為合作博弈模型的參與者，利用遺傳算法得到博弈模型的納什均衡解作為儲能系統的最優容量。文獻[22]針對單類型鋰離子電池應用場景單一的問題，提出采用混合儲能技術實現多類型電池互補，并基于 BP神經網絡算法實現了混合儲能系統功率容量的最優配置。文獻[23]在考慮放電深度對電池使用壽命影響的基礎上，合理評估了儲能承擔調峰功能的節能效益、環保效益以及容量替代效益，以凈收益最大為目標，提出了基于可變壽命模型的儲能容量配置方法。

在儲能參與調峰的容量配置層面，目前的研究多以系統凈收益最大為目標函數，兼以考慮儲能成本、環境效益等因素來配置合理的儲能容量。隨著我國電力系統輔助市場交易規則的逐步完善，在儲能參與調峰時，對當地的補償政策應予以充分考慮。

2）控制策略方面。

目前儲能參與調峰的控制策略研究主要集中在儲能系統與其他機組協調運行，共同參與輔助調峰。文獻[24]提出一種儲能與正常調峰、深度調峰、投油調峰和啟停調峰等常規手段組合調峰的方法。文獻[25]在考慮調峰過程中的各類非線性及時變因素的基礎上，提出了基于最優價值網絡的跨區直流輸電調峰優化方案。文獻[26]設計了含動作死區參與負荷低谷時段調峰的電池儲能系統控制策略，該策略可有效減少因風電接入所引發的火電機組啟停調峰次數。文獻[27]從風電幅頻特性出發，提出了含高滲透率風電的電力系統混合儲能后協調優化運行的模型，利用儲能電池響應快的特點配合風電場平抑波動，利用抽水蓄能存儲容量大的特點協調系統進行調峰。

目前多以儲能配合常規機組的方式完成調峰任務，在儲能參與調峰的控制策略層面，應詳細考量儲能系統的循環壽命以及其他機組的調峰能力，設計高效的綜合調峰控制策略。同時在泛在電力物聯網下，多種信息高速互聯，給儲能參與調峰帶來了機遇與挑戰，在制定控制策略時，應及時考慮新能源輸出、實時電價、電力負荷等信息，使儲能參與調峰更加智能。

2.2 儲能調頻

調頻輔助服務主要是通過調節電網中的有功出力，實現對電網頻率及聯絡線功率的控制，以解決區域電網的短時隨機功率不平衡問題。儲能相對于傳統的火電機組，具有快速精確的響應能力，可以在 1 s內完成調度指令，調頻效果也遠優于傳統的火電機組。另外，儲能設備還能經濟運行在非滿負荷狀態，既能向上調節，也能向下調節，可以提供本身容量2倍的調節能力，因此儲能是一種優質的調頻資源。

儲能參與調頻輔助服務在國外有豐富的經驗可以借鑒，根據美國國家能源局全球儲能項目數據庫統計，截止到2019年7月31日，全球已簽約或在建的用于電力系統調頻的儲能工程共計228項，累計裝機規模為1 378.265 MW。其中，美國占92項，累計裝機規模達638.549 MW；中國占23項，累計裝機規模為39.18 MW，用于調頻的儲能項目數排在世界第 6。國外儲能調頻案例的成功為儲能參與調頻在我國發展提供了借鑒。2013年北京石景山熱電廠 2 MW/0.5 MW·h鋰離子電池輔助220 MW燃煤機組參與電力系統調頻正式掛網運行，成為我國第1個以提供電網調頻服務為主的兆瓦級儲能系統示范項目，也是全球第1個將儲能系統與火電機組捆綁，聯合響應電網自動發電控制(autoumatic genetation control，AGC)指令信號的項目，儲能系統接入后，機組調頻性能得到了顯著提升。

目前，業內針對儲能調頻的研究主要集中于調頻特性、充放電控制策略、儲能系統容量配置等方面[28]。

1）在調頻特性方面。美國西北太平洋國家實驗室的研究報告指出，飛輪儲能的調頻能力為水電機組的 1.7倍，燃氣機組的 2.5倍，燃煤機組的 20倍。文獻[29]通過對電池儲能系統的功率-頻率特性分析得出，電池儲能系統的調頻效果是燃煤機組的3.3倍左右。

2）在控制策略方面。針對電網級的調頻控制策略，主要通過設置分配系數將調頻需求分配給儲能系統和傳統調頻機組[30-31]，或者通過設計相應的濾波算法對區域控制誤差(area control error，ACE)信號進行分解，實現對儲能系統和機組的功率分配[32-33]，或者對不同調頻源的優先級進行排序，根據優先級調用不同的調頻源[34]。對于輔助單臺機組而言，文獻[35]提出了一種以最大化儲能系統 AGC運行的凈收益為目標，儲能系統響應電網 AGC指令的優化控制模型，但該策略是基于已有的 AGC指令特性進行事后評估，不涉及實際運行中的詳細控制策略。現有工程采取滿功率補償策略，但該策略缺乏對儲能系統的能量管理，不利于儲能工況持續性，為對該情況進行改善，儲能充放策略應考慮儲能對 AGC指令與機組出力偏差的補償度，在考慮調頻性能的同時兼顧儲能的電量平衡度[36]。因此，儲能系統在參與調頻的控制策略層面，需綜合考慮其他機組的運行狀態、自身的調頻能力以及電力系統的調頻需求，統籌考慮各機組的調頻方式及調頻深度，確定合適的調頻時機與調頻力度，在滿足電力系統的調頻需求下，優化自身的調頻策略。

3）在容量配置方面。目前常用的方法主要有差額補償法和經濟特性法。根據歷史典型日的ACE數據，利用集合經驗模態分解法確定儲能系統容量或在收益和成本基礎上，考慮系統頻率波動曲線和電池儲能的充/放電特性，以儲能年收益最大為目標，給出儲能系統最優容量配置[37]。未來隨著儲能成本的進一步下降，在調頻中可以考慮用儲能替代傳統調頻設備，降低調頻成本。

2.3 電壓支持

由于無功功率在傳輸過程中容易發生損耗，對于線路較長、供電范圍較大、有多級變壓的供電系統，利用發電機組調壓將難以滿足系統需求。儲能裝置能夠快速響應負荷需求，為負荷提供幾分鐘以上甚至 1 h的服務。因此，通過在負荷側配置儲能系統，根據負荷需求釋放或吸收無功功率，可有效解決遠距離輸送時無功功率損耗的問題。目前儲能系統參與調壓的研究主要集中在配電網中分布式儲能容量配置和控制策略。文獻[38]以電壓越限調節為目標，建立了分布式光伏配電網儲能容量優化配置模型；文獻[39]針對主動配電網中潮流雙向性及可再生能源帶來的電壓頻繁波動問題，提出一種基于兩階段運行優化的傳統調壓設備與分布式儲能協調控制方法。在第1階段，分布式儲能系統僅用于有功平衡，不提供無功支持；在第2階段，分布式儲能通過無功控制和有功充放電控制使關鍵節點電壓維持在正常范圍內。

在儲能參與電壓支持的進一步研究中，需計及地域因素、傳統電壓調節設備、清潔能源、可控負荷等進行綜合建模，需詳細考慮儲能及其他調節資源的成本、可靠性、快速響應性能等因素，對電能質量、經濟效益、環境效益等多目標進行規劃求解。

2.4 備用輔助服務

備用容量是指電力系統除滿足預計負荷需求外，通過預留一定的有功功率儲備，在發生事故時，能夠保證系統的安全穩定運行和保障電能質量。儲能系統可以通過充放電為電網提供備用輔助服務，由于其可充放電的特性，儲能設備提供備用輔助服務時，相當于可提供2倍于其額定容量的調節容量。目前針對儲能參與備用輔助服務的研究主要集中于通過引導儲能參與需求響應作為備用容量。文獻[40]在計及環境因素的動態調度中考慮需求響應資源提供旋轉備用，以最小化社會成本為目標函數，確定提供旋轉備用的最優儲能容量。文獻[41]討論了電動汽車儲能在系統備用中的應用。文獻[42]分析了含壓縮空氣儲能電力系統的協調調度模型，考慮了反映壓縮空氣儲能電站分鐘級運行特性的旋轉備用容量約束和日內調度約束，在制定壓縮空氣儲能電站最優運行計劃的同時得到壓縮空氣儲能電站的最優旋轉備用容量承擔方案。文獻[43]基于可再生能源預測存在誤差，分析了儲能作為備用容量可以在不同時間范圍內彌補預測誤差以確保新能源的可用性。文獻[44]利用大用戶以直購電的形式消納風電，引入儲能系統彌補因風電的不確定性導致的備用空間的不足。

隨著電動汽車與清潔能源的應用越發廣泛，其對電網安全的沖擊也就越發明顯，儲能作為備用輔助服務的中堅力量，在備用容量配置上，需充分考量電動汽車與清潔能源給電網帶來的極端波動情況，對儲能成本以及參與備用輔助服務的收益進行評估，對參與輔助服務的獎勵機制及政策進行精準剖解；由于電動汽車的反向并網(vehicle-to-grid，V2G)技術的日益成熟，儲能參與備用輔助服務也需適當考慮電動汽車蓄電池參與服務的能力，從而降低成本。

3 儲能參與電力系統輔助服務的商業模式

商業模式作為推動儲能發展的關鍵，能夠最大化儲能的應用價值。儲能參與不同應用領域，其電價機制、政策環境等因素不同，經濟價值有所差異，因此其商業模式也各不相同。目前，針對儲能商業模式的研究主要集中在分布式發電、微電網、電動汽車及動力電池梯次利用等領域[45-47]。

由于我國輔助服務政策都是結合發電端操作和運行的，國內對于儲能參與輔助服務的商業模式研究還處于初步階段。泛在電力物聯網下儲能參與輔助服務的商業模式如圖 2所示。隨著電力市場的日趨成熟、儲能參與輔助服務的市場機制的逐步完善，儲能將在輔助服務市場得到更廣泛的應用，尤其是泛在電力物聯網的建設將加速儲能在輔助服務領域的商業化進程，儲能的商業模式也將通過市場不同主體投資運營來實現。

圖2 泛在電力物聯網下儲能參與輔助服務的商業模式Fig. 2 Business model of energy storage participating in ancillary services under ubiquitously internet of things

1）發電企業投資。在該投資模式下，發電廠利用現有資金或從銀行借貸對儲能系統進行投資和運營。在風電場、光伏電站配置儲能系統，在促進新能源消納的同時為電網提供輔助服務，獲取輔助服務收益。在火電廠配置儲能系統，輔助火電機組參與 AGC調頻，在提高機組調頻性能的同時可使機組獲得更大的調節深度，使機組得到更多的補償收益。

2）電網公司投資。在該投資模式下，由電網公司對儲能系統進行投資和運營。儲能系統代替部分效率低下的燃煤機組，作為獨立主體參與輔助服務，獲取輔助服務收益。

3）第三方投資。在該投資模式下，儲能系統由第三方進行投資和運營。第三方可以直接將儲能系統作為獨立主體參與輔助服務，獲取輔助服務收益，也可以將儲能系統租賃給發電企業或電網公司，通過收取租賃費用收回投資。

4）工商業、住宅用戶投資。在該投資模式下，儲能系統由工商業、住宅用戶進行投資和運營。儲能系統接受電網調度機構統一調度，為電網提供輔助服務，獲取輔助服務收益。

目前，北京睿能石景山電廠電池儲能調頻應用示范項目、遼寧臥牛石風電場釩液流電池儲能示范電站等項目采用發電企業投資模式，廣東電源側儲能電站項目采用電網公司投資模式，無錫新加坡工業園智能配網儲能系統采用第三方投資模式，張北風光儲輸示范工程采用工商業、住宅用戶投資模式。我國正在嘗試各種投資模式以使儲能更好地參與輔助服務。隨著泛在電力物聯網的建設，共享經濟將成為主要的價值取向，若能將儲能系統作為電力系統常規設備參與調度管理和結算，實施“按效果付費”，將為儲能系統投資收益提供保障，加速儲能在輔助服務領域的商業化進程。

4 結論

隨著泛在電力物聯網的建設及輔助服務市場的開放，為儲能參與輔助服務提供了良好的契機。儲能參與輔助服務，在國內無論從技術成熟度還是相關的基礎研究都已具備實現產業化的基礎條件。但是，其商業運營模式高度依賴于相關政策的制定。未來，需要進一步開放輔助服務市場，使儲能可以名正言順地以獨立主體參與到電力市場中，同時進一步加快儲能在輔助服務領域的應用試點，將儲能設備作為電力系統常規可控設備參與調度管理和結算，實施“按效果付費”的輔助服務補償機制，為儲能系統的投資收益提供保障，充分發掘儲能系統的調峰調頻能力，培育獨立的電力系統調頻運營商，加速儲能在輔助服務領域的商業化進程。