大容量电池储能电站在山东电网应用的可行性分析

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SHANDONG ELECTRIC POWER 山东电力技术第４6 卷（总第 2５8 期）２０１9 年第 5 期大容量电池储能电站在山东电网应用的可行性分析撖奥洋 1 ，何俊峰 2 ，张冰 3 ，王亮 3 ，周生奇 1 （1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛 266002；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；３.国网山东省电力公司，山东济南 250001）摘要近年来山东电网新能源发电容量不断增长，系统调峰能力不足的问题逐渐凸显，特高压直流投产进一步挤占了系统的调峰容量，新能源发电的消纳压力逐步增大。在详细分析山东电网现有运行问题的基础上，从系统调峰、新能源消纳、电网安全、局部电网潮流改善、系统调频、电网黑启动、短路电流特性共 7 个方面，阐述大容量电池储能电站对解决现有山东电网运行问题的可行性，并分析了大容量电池储能电站的运行经济性。关键词电池储能电站；调峰；新能源消纳；潮流控制中图分类号 TM910 文献标志码 A 文章编号１００７－９９０４（２０１9）05－００30－05 Feasibility Analysis of the Application of Large Capacity Battery Energy Storage Power Station in Shandong Power Grid HAN Aoyang 1 ， HE Junfeng 2 ，ZHANG bing 3 ，WANG Liang 3 ，ZHOU Shengqi 1 （1.State Grid Qingdao Electric Power Company，Qingdao 266002，China； 2.NＡRＩ Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China； 3.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China） Abstract In recent years，the renewable energy generating capacity of Shandong power grid has been increasing continuously. The problem of insufficient peak shaving capacity of the system has gradually become prominent while UHVDC further occupies the peak shaving capacity of the system.The absorption pressure of renewable power generation is gradually increasing. Based on the detailed analysis of the existing operation problems of Shandong power grid，the feasibility of large capacity battery energy storage power station to solve the existing operation problems of Shandong power grid is expounded from seven aspects system peak shaving，renewable power absorption，power grid security，power flow improvement of local power grid， system frequency regulation，black start of power grid and short-circuit current characteristics.And the operation economy of large capacity battery energy storage power station is analyzed. Keywords battery energy storage power station；peak shaving；new energy acceptance；power flow control 0 引言随着特高压交直流电网快速发展和新能源发电大规模并网，山东电网运行特性发生了深刻变化，电网 “强直弱交 ”特征突出，安全稳定问题呈现复杂化、多样化趋势，系统调节能力下降，外电大幅增加，新能源消纳形势严峻［1］。电池储能电站具有建设周期短，控制灵活、快速，调峰能力大等突出优点，近年来成为研究及实践的热点［2-8］。大连 200 MW 超大容量电池储能电站、格尔木美满 16MW／64MWh 储能电站、河南电网 100 MW 电池储能示范工程等一批项目开始大力推进。近期江苏镇江建成投运 101 MW／202 MWh 的储能电站，成为目前国内规模最大的已投运电池储能电站项目，该项目的建成可以为当地提供近 40 万 kWh 的高峰电力供应，满足 17 万居民生活用电需求［9］。电池储能电站在电网调频调峰、新能源接纳等方面均可发挥重要作用［10-13］。基金项目山东省电力公司科技项目 “大容量储能技术应用研究 ”（2018A-024）。 30 SHANDONG ELECTRIC POWER 山东电力技术第４6 卷（总第 2５8 期）２０１9 年第 5 期山东电网也开展了电池储能电站的相关研究，并在政策方面积极进行探索。在分析大容量电池储能电站解决山东电网调峰、新能源消纳、局部供电不足等问题可行性的基础上，分析了大容量电池储能电站的运行经济性。 1 山东电网运行基本情况山东电网面临的主要问题有电网峰谷差加大，调峰能力不足；特高压交直流落户山东后，电网 “强直弱交 ”特征突出，电网安全稳定问题复杂化；严重故障条件下可能出现调频容量不足；新能源发电快速增长，新能源消纳形势不容乐观；整体电力盈余与局部供电能力不足现象并存。 1.1 电网峰谷差加大与系统调峰能力不足问题山东电网目前主要的调峰手段包括利用泰山抽水蓄能电站调峰；利用带基本负荷的机组进行调节；采取机组轮流开停的方式进行调节。目前，正常情况下，机组负荷调节能力可满足次日系统调峰需求。但对于天气变化导致连续多日负荷水平急剧变化，需要充分利用泰山抽蓄及火电机组开停机进行调峰，个别情况下，需要采取临时停机备用的手段。随着关停小机组和冬季供热机组增加， 300MW 机组成为主力调峰机型，节假日期间仍需调用所有的调峰手段，多台次开停 600 MW 及以下机组。随着新能源装机容量特别是风电装机容量的快速增长，调峰压力日益增大，部分情况下需要采取弃风、弃光的措施。这在很大程度上制约了对新能源的消纳。随着特高压交流和直流落户山东及山东海阳核电的投运，山东电网网内的调峰措施可谓捉襟见肘，这给大小方式转换和小方式安排带来较大困难。同时，系统调峰容量不足也压缩了新能源的消纳空间。 1.2 山东电网新能源消纳情况截至 2017年 10月底风电总装机容量 1007万 kW，光伏总装机容量 902 万 kW，其中集中式光伏装机容量 536 万 kW。 2018 年底，预计全网装机容量 1.02 亿 kW，其中直调火电装机容量将达到 6 371.5 万 kW、抽蓄 100 万 kW、核电 250 万 kW、风电 1 280 万 kW、集中式光伏 820 万 kW。目前山东电网弃风、弃光比例分别为 1.11，0.45。未来随着新能源装机的进一步增长，弃风、弃光比例将会上升。影响电网对新能源接纳能力的因素主要有 2 个方面系统调峰容量及调峰能力与电网送出能力。电网送出能力主要包括线路额定功率、考虑电网稳定控制要求后的断面功率限制等，山东电网网内大部分地区还有较大的送出裕度。影响山东电网新能源发电接纳能力的首要因素是系统备用调节容量不足。目前山东电网主要依靠直调公用机组以及泰山抽水蓄能电站调峰，直调公用机组深度调峰能力约为 700 MW，泰山抽蓄抽水负荷约为 530 MW，调峰能力远不能满足未来新能源继续增长的需求。综上所述，山东电网的新能源消纳形势已经不容乐观。提高新能源消纳水平，需要增加系统的备用调节容量，就当前而言，水电、抽水蓄能机组受自然条件限制，短时无法增加。煤电机组基本都是超大容量机组，这类机组只有在设计优化的负载区间内效率最优；当进行深度调峰时，机组效率下降，煤耗大幅上升。同时，伴随在特高压交直流落户山东，以及海阳核电机组陆续投运，在发电与供电平衡中整体发电存在盈余的情况下，大量增加煤电机组，显然会进一步降低在运火电机组的年利用小时数，对于社会整体而言显然是一种巨大的浪费。 1.3 电网安全稳定问题随着特高压交直流电网快速发展和新能源大规模并网，电网运行特性发生深刻变化，电网 “强直弱交 ”特征突出，安全稳定问题呈现复杂化、多样化趋势，主要体现在多回直流集中馈入，交流电网支撑不足；系统调节能力下降，安全基础明显削弱；交直流混联特性复杂，受电能力约束增多；故障冲击不断加大，连锁反应风险剧增，网内多条 500 kV 及 220 kV 线路故障将导致 3 回直流同时换相失败，对送、受端电网均产生巨大的有功、无功冲击；网内 2 回及以上直流闭锁，易造成华北华中特高压联络线长南 I 线解列，华北电网频率可能跌破 49.25Hz，触发低频减载动作等方面。 1.4 电力整体盈余与局部地区供电能力不足问题 2017 年随着特高压 “两交两直 ”相继投产（榆横潍坊交流、临沂特高压交流、上海庙临沂直流、扎鲁特青州直流），山东电网通过 4 回 1 000 kV 线路、4 回 500 kV 线路，3 回直流与外网联系，山东 31 SHANDONG ELECTRIC POWER 山东电力技术第４6 卷（总第 2５8 期）２０１9 年第 5 期电网的受电比例大幅增加。与此同时，网内海阳核电陆续投产，进一步增加了系统供电电源，而负荷的增长则趋缓，总体而言，山东电网处于一个大多数时间段电力盈余，只有极短的时间处于夏季高峰负荷电力供应趋紧时段的状态。另一方面，山东电网存在局部地区由于负荷密集程度高、电网送电能力有限导致的供电不足问题，如青岛崂山片，即存在夏季大负荷方式主变压器下送及线路输送能力不足的问题。该类地区经济较为发达，城区用地紧张，线路和主变压器改造相对困难，在一定程度上给当地居民的生产生活带来了不利影响。电池储能电站建站灵活，可以充分利用现有变电站的空地，采取分散建设、统一协调控制的模式，在实际运行中起到一个大电站的作用。电池储能电站在低谷负荷时充电，在高峰负荷时发电，可以减少在高峰负荷时上级主变压器的下送功率同时减少输电线路的输送功率需求，从而解决局部地区供电能力不足的问题。 1.5 系统调频问题目前山东电网一次调频、二次调频基本能满足需求，特高压交直流落户山东后，在正常小扰动方式下，山东电网的频率波动范围满足严格的电网频率控制要求。但在特高压直流单极闭锁（N-1 故障一般不采取稳控措施）叠加新能源大量脱网的情况下，系统的频率偏差将会加大，需要采取紧急调控措施。如果有大容量储能电站紧急输出功率，可以减少系统频率的波动。 2 大容量电池储能电站对山东电网的作用 2.1 大容量电池储能对系统调峰的作用电池储能电站建站灵活，既可大容量集中建设，又可小容量分散建设协调控制。而火电机组建设周期长，集中占地面积大；另一方面，为了降低度电煤耗，现有政策不允许新建小容量火电机组，新投产的火电机组容量大都在 60 万 kW 以上，新上大容量火电机组势必会进一步降低本来已经很低的火电机组年利用小时数，对社会资源来说是巨大的浪费。储能电站本质上是将负荷在时间上进行重新排布，并不是新增电源。储能电站的建设有利于提高现有机组的年利用小时数，减轻大小方式转换和小方式安排的困难程度，同时又可以增加在高峰负荷时的发电容量。因此储能电站对于电网调度来说其优点不言而喻。储能电站可以在正反 2 个功率方向进行调节，因此可以在高峰负荷和低谷负荷 2 个时段增加系统的调节容量，可以有效解决系统调峰容量不足的问题。通过对包含储能电站的多电源联合优化，采取削峰填谷的控制策略，制定优化调度计划，可以大大缓解系统的调峰压力。储能电站的削峰填谷，能够为系统提供备用容量，同时减少常规机组启停次数，较大程度地降低系统总能耗，改善电网经济性。当储能电站达到一定规模时，将大大缩减电网的峰谷差，降低装机投资成本，减少火电调峰的次数。 2.2 大容量电池储能对新能源消纳的作用新能源发电出力具有随机性和波动性，高渗透率的新能源接入将给电网潮流、电压、频率等带来不利影响，严重时可导致潮流大范围变化，系统电压频率大幅波动。电池储能电站比常规电厂出力调节速度更快，具有控制响应速度快，有功、无功四象限解耦控制的优异性能，若能对储能与风电光伏等新能源发电联合调度，通过适当的控制策略可使随机变化的输出功率转换为相对稳定的输出，满足并网的各项技术要求。从而可以提高新能源发电功率的可控性，抑制其波动性，提高电能质量，大大提升电力系统对风力发电、光伏发电等新能源发电的接纳能力。 2.3 大容量电池储能对电网安全稳定性的作用电池储能可以在几十毫秒内实现充电、放电状态之间的快速转换。在制定安全稳定控制策略时，优先使用电池储能电站进行调节，可以达到 “以调代切 ”的效果，减少切机切负荷量。 2.4 大容量电池储能对改善局部电网潮流的作用山东电网局部地区存在高峰负荷时段供电能力不足的问题，部分线路及主变压器长期处在重载状态。利用大容量储能在低谷时段储能，高峰时段发电可以大大缓解高峰时段输电线路和主变压器的负载率。青岛地区高峰负荷下，青联线故障会导致青南线、李南线重载甚至过载问题。若在南京路站或附近布置储能装置，则加装不同容量储能时，线路负载率 32 SHANDONG ELECTRIC POWER 山东电力技术第４6 卷（总第 2５8 期）２０１9 年第 5 期变化情况如表 1 所示。从表 1 可见储能对局部潮流的改善作用非常明显。表 1 夏季高峰电池储能电站对局部潮流的改善作用 65.4300 69.6 电池储能量／ＭＷ青南线负载率／％李南线负载率／％ 200 75.4 78.1 108.60 88.7 100 81.5 91.7 2.5 大容量电池储能对系统调频的作用常规机组对调度指令从开始响应到完全响应，动辄几百毫秒，抽水蓄能机组从发电状态转入抽水状态或从抽水状态转入发电状态中间需要停机，时间可以长达几分钟甚至更长，而电池储能可在几十毫秒之内完全响应上级调度的控制指令，可以实现从发电、储能状态之间的快速转换，因此利用电池储能电站来进行调频或平抑新能源出力波动，可以使得电网频率、功率控制更加精细、快速。此外，电池储能电站调频时优先动作可以减少常规机组调门动作次数，提高常规机组调门的使用寿命，产生综合的社会效益。 2.6 大容量电池储能电站对电网黑启动的作用大容量储能电站具有自启动特性，可以在电网发生严重故障导致局部或全网失电时充当黑启动电源，为重要负荷供电，也可以给火电厂提供厂用电，帮助火电厂进行启动。 2.7 大容量电池储能电站的短路电流特性由于逆变器本身的限流控制，电池储能电站在系统故障期间可以看作是一个电流源，其大小一般不超过额定电流，因此对于系统短路容量的增加贡献较小，相比于同等容量的同步发电机相差近一个数量级。这对于部分短路电流水平较高同时又因新能源消纳等而产生有新增发电机组需求的地区而言无疑是一个更优的选择。 3 大容量电池储能电站的经济性随着电池材料的进步及电池的规模化应用，电池储能的价格特别是锂电池的价格呈现逐年下降的趋势。在各种类型的电池里面，锂离子电池工作电压高、体积小、能量密度高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长；锂电池具有所有储能电池中最高的能量密度和综合循环效率。目前锂电池的最低报价已经接近 1 500 元／kWh，基本达到电站运营的盈亏平衡点。随着材料科学的发展及规模化应用，大容量储能电站的成本还将进一步下降，大容量储能电站的经济性将进一步凸显。电池储能电站的政策方面，2016 年 11 月，东北能监局发布了东北电力辅助服务市场运营规则（试行），为储能设施参与电力辅助服务提供了依据。 2017 年，国家发展改革委、国家能源局等 5 部门联合印发关于促进储能技术与产业发展的指导意见，明确了促进我国储能技术与产业发展的重要意义、总体要求、重点任务和保障措施。 2017 年 12 月，南方监管局发布了南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则（试行），鼓励发电企业、售电企业、电力用户、储能企业或其他市场主体投资建设储能设施，促进储能电站为电力系统运行提供调频、调峰、调压、黑启动等辅助服务。 2018 年 7 月，山东经信委联合山东物价局制定印发了关于开展电力需求响应市场试点工作的通知（鲁经信电力［2018］244 号），明确将通过经济激励政策，调节电网峰谷负荷，储能设施应具备单独控制条件，补偿价格为每响应 1 kW 负荷最高可补偿 30 元。上述政策的出台明确了电池储能参与电力辅助服务并获取收益的地位，有利于电池储能电站的健康发展。 4 结语山东电网近年来面临电网峰谷差加大，系统调峰容量不足，新能源接纳能力不足，局部电网供电能力不足等问题。大容量电池储能电站可以改变电能生产、输送与消费必须同步完成的传统模式，通过适当的控制策略，可以发挥调峰、调频、调节潮流、提供黑启动电源等作用，随着电池储能技术特别是材料科学的进步以及规模化应用，电池储能成本将进一步下降，其经济性将进一步凸显，电池储能电站必将在未来电网中扮演更加重要的角色，发挥更大的作用。 33 SHANDONG ELECTRIC POWER 山东电力技术第４6 卷（总第 2５8 期）２０１9 年第 5 期［５］卫志农，何桦，郑玉平 .配电网故障定位的一种新算法［Ｊ］.电力系统自动化，２００１，２５（１４）４８－５０. ［６］刘健，张志华，张小庆，等 .继电保护与配电自动化配合的配电网故障处理［Ｊ］.电力系统保护与控制，２０１１，３９（１６）５３－５７. ［７］刘健，张小庆，张志华，等 .继电保护提高配电自动化故障处理性能［Ｊ］.电力系统保护与控制，２０１５，４３（２２）１０－１６. ［８］王靖楠，继电保护与配电自动化配合的配电网故障处理［Ｊ］.城市建设理论与研究，２０１７（２７）１３. ［９］徐丙垠，李天友，薛永端，等 .智能配电网建设中的继电保护问题［Ｊ］.供用电，２０１２，２９（２）１５－２２. ［１０］刘健，同向前 .配电网继电保护与故障处理［Ｍ］.北京中国电力出版社，２０１４. ［１１］陈堂，赵祖康，陈星莺，等 .配电系统及其自动化技术［Ｍ］.北京中国电力出版社，２００２. ［１２］王义平，向辉，张明昭，等 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