電化學儲能於電網應用研究

1 電化學儲能發展

1.1 電化學儲能的現狀

近年來伴隨着電化學儲能技術成熟性增加和成本日益下降，以三元鋰及磷酸鐵鋰為代表的鋰電池因其高質量密度、充放電壽命長、綜合穩定性強等特點在儲能系統的應用得到大規模推廣，顯著提升了儲能系統裝機容量，降低投資成本。近年來各地頻發支持儲能發展文件以及兩會提出的“碳達峯、碳中和”目標，使得各省市電力公司以及各大儲能集成商均在積極佈局儲能於各個場景應用，探索新盈利模式。截止2022年底全國5.93GW的電化學儲能中，鋰離子電池在電化學儲能裝機量的佔比達到90%以上增長速度最為迅速，已經發展為最快的電化學儲能技術，同樣在電動汽車方面，截止2022年底全國新能源汽車已經達到600萬輛，其中純電動汽車更是佔據半壁江山。主要應用的方向有：

1.1.1 儲能在電網側應用

儲能作為電網的重要補充，電網側得到較為廣泛應用場景，主要用於調峯、調頻、緊急功率支撐、黑啟動、延緩電網設備升級改造等方面。［1］

1.1.2 儲能在電源側應用

在電源側，隨着大規模的風電、光伏併網，多數新能源電量無法就地消納，出現返送或棄風棄光現象，電源側儲能可解決新能源場站消納問題，降低電網波動，使新能源場站更加平滑出力，並可減少新能源輸出波動。

1.1.3 儲能在用户側應用

在用户側方面，儲能有更加多應用場景。可以為用户套取峯谷價差紅利，降低用能成本，儲能的接入可為用户提供備用電源，在夏季有序用電或限電情況下提供一段時間負載，還可作為廠區備用電源，降低重要線路因突然停電導致的設備損壞或產品質量問題導致的經濟損失。受近期峯谷電價政策驅動影響以及儲能系統成本下降，工商業用户部署儲能的優勢正在逐步顯現。

1.2電化學儲能應用的典型場景概述

1）以某汽車部件有限公司為代表的用户側儲能應用場景，利用儲能套取峯谷電價差、提升供電可靠性實施方式；

2）以淅川某變電站為代表的電網側儲能應用場景，需解決電網側新能源消納、提升供電可靠性、解決台區重過載等問題；

3）以某為代表的配電網儲能應用場景，需解決供電線路末端低電壓問題；

4.依託儲能系統或其它三相不平衡治理裝置解決蘭考縣大規模扶貧光伏發電引起的三相不平衡問題；

5）儲能系統作為移動應急保障電源車，在遇到如鄭州720特大暴雨時間時作為應急保電、大學聯考保電、運動會保電、重要會議保電等；

6.儲能系統應用於火電機組調頻輔助、黑啟動等功能。

2電化學儲能應用研究

為探索河南省儲能應用發展方向，2022年至2023年期間前往南方電網公司、山東電工時代、許繼集團等儲能集成商或電網公司調研。上述企業在多個領域有儲能應用，資源整合能力較強，可代表各省市儲能項目落地實施經驗，學習儲能項目盈利模式。南網公司在火儲一體輔助調頻項目、應急電源保障車以及儲能應用於配電網治理有豐富的實踐經驗，南網公司的“某電廠儲能調頻項目”“惠州市某村低電壓治理與供電可靠性提升項目”“應急電源保障車”有較為成功應用。

2.1 某燃煤電廠儲能調頻項目

某燃煤電廠電廠現有裝機2X300MW熱電機組。2021年，該廠新加裝儲能輔助調頻項目，是由社會企業投資，於該場建設的9.45MW/5.25MWh儲能輔助調頻系統，工程歷時10個月，2021年11月23日完成涉網試驗，工程總投資約4000萬元。該廠新儲能調頻項目由4台40尺電池箱，電池系統由3台1400kWh和1台1050kWh集裝箱組成；1台40尺環網櫃、4台20尺PCS集裝箱、1台控制箱構成，總佔地面積1200平米。電池系統由3台1400kWh和1台1050kWh集裝箱組成，環網箱內以開關櫃為主，PCS系統由三台2.5MVA集裝箱和一台2MVA集裝箱組成。電池採用津力神電池股份有限公司生產的磷酸鐵鋰電池，搭載某電力公司自主研發的面向火儲調頻場景的儲能能量管理系統（EMS）。

該廠新儲能調頻項目由4台40尺電池箱，電池系統由3台1400kWh和1台1050kWh集裝箱組成；1台40尺環網櫃、4台20尺PCS集裝箱、1台控制箱構成，總佔地面積1200平米。電池系統由3台1400kWh和1台1050kWh集裝箱組成，環網箱內以開關櫃為主，PCS系統由三台2.5MVA集裝箱和一台2MVA集裝箱組成。電池採用天力神電池股份有限公司生產的磷酸鐵鋰電池，搭載某公司研發的面向火儲調頻場景的儲能能量管理系統（EMS）。

該項目採取基於合同能源管理機制（EMC）模式實施項目總承包。由社會企業總投資，與該廠以賺取調頻市場電價分紅實現回收全部投資成本方式。項目建成後該廠調頻性能理論K值由0.42提升至1.96。2021年1月試運行後日均K值1.14，平均里程7610MW，1月份啟機期間平均日收益14.2萬元，平均結算價格18.66元/MW。

該廠儲能調頻項目盈利結算規則基於《南方區域調頻輔助服務市場交易規則》，其交易規則大致為各發電業主先按月度上網電量比例繳納調頻里程費用，費用匯總至由能源管理機構，由能源管理機構根據各發電業主響應“調頻里程”結算調頻費用，“綜合調頻性能指標”更高的發電業主獲得跟多調頻結算費用。

2.2電化學儲能應急電源車項目

某電網公司研製的移動電化學儲能車，可輸出380V電壓，容量550kWh,輸出功率500kW，整車造價300萬，由電網出資提供給供電公司使用。主要用於大學聯考、重要會議、抗震救災應急、電動車道路救援、以及檢修使用。該車額定功率1000kW，容量1000kWh，採用磷酸鐵鋰電池，同車配置直流充電樁兩個，使用北斗定位，整車運行噪聲小於65分貝，消防熄滅採用七氟丙烷。

2.3台區側儲能項目

廣東省惠州市某供電所共用台變（SBH15-M-500/10）容量500kVA，為周邊村80餘户表供電，因該村多為村民自建樓房對外出租，每户表用電量較大。每日晚高峯存在重載與低電壓情況。電網公司為該所配電台區配備200kW/400kWh儲能系統，該儲能系統設置兩種充放電規則：

1）每日08:00-11:00儲能系統充電，每日20:00-次日01:00儲能系統放電;

2）變壓器65%負載率以上儲能系統放電，變壓器20%負載率儲能系統充電。

目前採用第一種充放電規則。5月份之後，天氣炎熱，變壓器負載率高的情況下，採用第二種策略。

該供電公司選擇此台區應用功能如下：

1.當10kV線路出現故障期間，儲能系統提供電源保障功能；

2.在晚高峯期間放電，疊加到原有線路提升線路電壓，解決低電壓與重載；

3.為附近三防指揮部提供電源保障；

4.解決少部分三相不平衡情況。

該供電公司為域內共建設5個分佈式配電台區儲能系統，總投資900萬元，由電網公司出資。該項目投資分為兩部分，其中配電台區儲能系統設備部分投資560萬元，基建設施部分投資340萬元。

該地區配電台區儲能系統收益方式比較單一，日間充電夜間高峯放電價差僅0.3元/kWh，在儲能系統壽命期內無法回收投資收益。目前依靠提供電源保障與解決台區重載等配網治理方式開展。

2.4三相不平衡治理

相較於集中式SVG與分佈式SVG三相不平衡治理裝置投資金額高、降低變損線損效果差、噪聲熱量大燈缺點，某電力公司開發換相型三相不平衡治理裝置。

2.4.1換相型三相不平衡治理裝置原理

某電力公司所研發的三相不平衡治理裝置是不借助儲能的情況下治理三相不平衡裝置，是可以實現智能、實時的負荷自動調控系統，對單相負荷接入進行有序的換相控制。藉助電子技術與磁保持旁路開關結構，可實現0 毫秒無縫換相，用户側無停電感覺，解決換相開關概念提出以來供電短時中斷難題，可系統解決台區三相不平衡問題、高線損問題、末端低電壓（因三相不平衡引起）問題，減少人工調相。

1）t1時刻ka釋放，ka,和kb,吸合；

2）t2時刻繼電器動作完成。此時A相電位高於B相電位，Da導通，Db截止。迴路供電由A→Da→負載→N。

3）t3時刻由於B相電位高於A相電位，Da由導通變為截止，Db由截止變為導通。此時迴路供電由B→Db→kB’→負載→N。

4）t4時刻釋放Ka’和kb’，吸合Kb,

5）t5時刻Kb吸合完成，系統進入穩態，換相過程結束。

5.2換相型三相不平衡治理裝置安裝部署

自2020 年7 月起，該電力公司分別在國內某地示範應用。安裝採取先裝換相型三相不平衡治理主控器，主控器安裝完畢後，通過後台主站觀察該台區三相負荷的變化情況，以便於選擇安裝點。安裝採取先固定，再接線的安裝方式，整個安裝過程無需台區停電。在壁掛固定完畢後，通過相線識別儀準確確定安裝點與台區出線的相位關係，將換相開關的三相四線進線帶電接入主線；然後將用户的表前進線改接到換相開關的輸出端子。每台換相開關可控制1-4只用户表。缺點：按台區容量需安裝8-12 台，安裝位置需勘測選點。

2.5其他省市儲能應用情況

自2020年以來，寧德時代與國家電網下屬國網綜合能源服務集團有限公司相繼在新疆、附件成立合資公司，其中在新疆成立的新疆國網時代春泥更發展有限公司是首例，主要經營儲能項目的投資、建設和運維，4月份雙方聯手成立的國網時代（福建）儲能發展有限公司同樣也是開發儲能系統、建設儲能系統、運維儲能系統、技術服務等。

湖南省發改委在2020年3月發佈湖南省2020-2021年新能源消納的預警結果通知中得知，湖南省同樣面對風電消納能力不足的情況，消納能力最差的有南部、西南部地區，已經劃分為紅色預警區，其他地區也不同程度的被劃分為橙色或者黃色區。湖南省發改委要求電網企業加強筋建設、優化網架等等措施，去提高新能源消納送出能力，為湖南省內新能源高速發展提供容量空間。

2.5儲能行業存在安全問題與思考

儲能行業普遍存在的問題：儲能系統呢是由電池、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）等組成。對用户來説，存在很大問題是對最關鍵的性能指標不明確，信息不足、不對稱，甚至不真實。也就是説：你買的100兆瓦真的是100兆瓦嗎？

目前儲能行業普遍存在一個現象是看碟下菜，用户願意掏多少錢給值多少錢的東西，比如從投標應答環節就虛報儲能的容量和功率，在實際運行過程中因為人為的壓縮充放電深度，儲能電站的可用能量可能永遠達不到承諾值。

第二個現象是虛報運行壽命，儲能集成商一般承諾儲能系統使用10年容量才衰減到80%，但是儲能系統剛投運時就人為將運行範圍壓縮到80%或者更低，這樣的話就導致到儲能系統退役都無法發現虛報運行壽命問題（造成這一部分原因實屬無奈，用户都是為了提高運行安全和延長電池壽命考慮）。

第三個現象是虛報電池單體循環次數，通常電池廠家宣稱或者提供的第三方報告都是6000-8000次循環壽命，但是電池壽命是一個長期的驗證過程，等用户發現電池循環壽命問題時，早已超過廠家承諾的質保期或者維修期。

第四是安全隱患無法驗證，所有電池製造商都承諾或者在宣傳企業的安全“黑科技”、最常見的是擠壓針刺不起火不爆炸等等承諾（但是安全問題依然頻發，這次海南出事的廠家也經常用安全黑科技做標語宣傳），單純依靠形式試驗報告和出廠檢測報告是不行的，必須在電池投運前對項目使用的電池進行安全性能試驗，才能及時將隱患暴露在投運前。

除此之外，還有電池管理系統電流、電壓、測量精度不達標，電量均衡功能差、抗電磁干擾能力不足等問題，電池管理系統管理那麼多電池，這些指標都是非常大的安全隱患。所以説只有這些核心部件的安全和質量通過了儲能標準的檢驗，才能從理論上推導出儲能系統的質量與安全。

題外話，造成這些原因倒不是中國技術不行，咱們國內主流的這些儲能電池和設備生產商都能達到或者超過國標和國際標準要求水平，問題原因在於前期儲能檢測規則不完善，技術標準沒有嚴格執行，同時也有我們前邊提到的：行業低價中標的環境影響。還有就是鋰離子電池自身安全問題，鋰電池他是能量體，本身就存在安全隱患，他的發生異常前的內部特徵沒辦法直接測量，安全事故很難提前預警。現在的主流的儲能集成方案每個電池模塊只有30%的位置有温度檢測模塊，整簇或者整倉才有一套可燃氣體監測裝置，這也一部分的客觀原因。

《電力儲能用鋰離子電池》GBT36276-2018中，僅有對電力儲能用鋰離子電池的型式試驗及出廠試驗要求，沒有第三方檢測依據標準。北京大紅門儲能電站出事以後，國網公司安監部頒發的《關於開展電化學儲能電站安全隱患排查整治的緊急通知》中，對河南省在役儲能電站的抽檢內容，也是選取了一部分型式試驗內容。

2022年7月6日，中電聯發佈《電力儲能用鋰離子電池》徵求意見稿，與上一版本相比，本次修編結合鋰離子電池的應用的實際，更加完善電池性能的技術要求。尤其是增加了抽樣檢測相關要求，為開展第三方電池測試提供了標準依據，並且明確了抽檢的情形與檢測數量。

3 研究結果與建議

通過調研儲能及相關項目，某些地區儲能項目的成功除了依靠靈活調峯調頻市場與政策支持，更離不開電網對儲能項目實施應用的大力支持。國內其他省市儲能投資建設方向集中在新能源發電站配套或應急電源保障，在配電網應用與用户側沒有大規模應用推廣。儲能應用方向與建議：

3.1電源側輔助服務

儲能可參加整個電網服務市場，而且輔助服務市場比較優先對電化學儲能進行開放，但河南省調頻市場目前沒有相應補貼政策，發展火儲一體儲能需等待相關部門落實。

3.2電網側配電台區應用

通過調研與投資估算，在配電網台區儲能應用暫無良好收益模式。以惠州市配電網台區為例，即使系統設置每日兩充兩放，峯谷電價差按最高0.63元計算，且不計算電能轉換損耗與維護保養成本的情況下，在儲能電池壽命期內僅能收回50%投資成本。因此，配電網台區應用可作為團隊技術儲備，為省電力公司提升供配電台區質量、解決低電壓用户用電問題儲備解決方案；

3.2用户側

用户側儲能的基本盈利來源，也是當前用户的唯一盈利來源，即是通過“低儲高放”、削峯填谷從而獲取差價收益。目前，全國峯谷價差的區間約為0.5-0.9元/kWh。通過收益測算得知，若用户僅以峯谷差價套利作為唯一盈利點是不能在電池生命週期內（8年）回收成本。需等待電池技術提升與成本降低，達到峯谷價盈利差邊界條件以下方能實現大規模推廣。

3.3應急保電車應用

相較於配電網應用與電源側應用，應急保障發電車有技術門檻較低、應用場景多、投資小等特點。可採取租賃或整車出售的方式快速收回投資成本，可作為儲能項目發展前期目標。現各供電公司均有應急保障電源需求，主要應用方向有大學聯考保電、敏感地點突發負荷高峯頂峯送電、臨時增容供電、電動汽車緊急救援補電、重要會議或比賽保障用電，向社會單位延伸有機場遠機位儲能式APU替代設備、礦山應急保障等。鋰電應急保障車較比柴油發電保障車存在較多優點。鋰電應急保障車的投入不僅可以解決用電成本，同時提升保障效果。環保型保障設施的投入也大大提升國網公司企業形象，彰顯大型國有企業對環保理念的深入貫徹實施。

3.4共享儲能電站

2020年7月1日實施的《電力系統穩定導則》第3.5.3中明確規定“電源均應具備一次調頻、快速調壓、調峯能力，且滿足相關標準要求”，然而風電和光伏發電機組不僅本身不具備調節能力，其出力的間歇性還增加了電網的調頻負擔，需配套建設儲能實現調頻調峯能力。在新能源發電量佔比增長迅猛且巨大的環境下，未來儲能市場必將迎來爆發式增長。

3.4.1共享儲能電站建設必要性

國家政策與行業要求：

1.國家提出的雙探目標中，需在2030年前將二氧化碳排放爭達到峯值，爭取2060年前實現國家“碳中和”的目標，風電和光伏的發展將大大提速。各地相應出台新能源建設配置儲能新標準強制要求，配置儲能成為行業共識，儲能將迎來巨大市場需求。

2.在2020年河南省發改委發佈的《關於組織開展2020年風電、光伏發電項目建設的通知》。通知指出，在平價風電項目中，優先支持配置儲能的新增平價項目，優先支持已列入以前年度開發方案的存量風電項目自願轉為平價項目。

3.《電力系統穩定導則》（2020年7月1日）第3.5.3中明確規定“電源均應具備一次調頻、快速調壓、調峯能力，且滿足相關標準要求”，然責風電和光伏類的新能源場站不僅本身不具備調峯、調頻、自我調節輸出能力，他的其出力的間歇性還增加了電網的調頻負擔，需配套建設儲能實現調頻調峯能力。目前河南省尚未出台新能源配置儲能比例，參考其他省份大致在裝機容量10-25%不等。

未來市場發展方向：

截至2020年12月河南省新能源總裝機容量2843.33萬千瓦，佔比全省裝機容量的27.96%，且發展勢頭迅猛，“十四五”期間，新增風電光伏裝機800萬千瓦，2025年將風電光伏的總裝機量力爭達到3500萬千瓦；2030年、2035年分別增長至4400、6800萬千瓦。大規模新能源發電負荷瞬間變化對電網衝擊較大，將會大幅減低電網運行可靠性。

5.源網荷儲一體化”和“風光水火儲一體化” 兩個“一體化”推進，讓儲能行業深度融入電力行業，併發生重大變革，引起大規模應用。

盈利方式多元化：

6.共享儲能項目建設可有效減少現有新能源發電棄光、棄風現象，儲能系統吸納棄光風電量同時可套取峯谷電價差。

7.新建新能源場站投資成本較高，盈利模式比較單一，政策支撐不足，並且大部分新能源場站配套的升壓變中沒有預留或者規劃儲能的部署空間，並且省調未強制新能源場站對存量新能源配置儲能。共享儲能電站租賃模式的將大幅度降低新能源業主配套儲能投資成本。

結束語

電化學儲能已處於行業發展“風口”，政府主導、政策激勵下，行業將迎來爆發式增長，但在合理位置配置合理容量儲能，使儲能在生命週期內得到妥善利用是行業健康發展的重要關注點，同時能夠更好踐行國家雙碳戰略目標。