電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估和政策機制研究
胡靜1, 黃碧斌1, 孟子涵1, 李娜娜1, 吉喆2
（1. 國網(wǎng)能源研究院有限公司, 北京 102209; 2. 國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院, 山西 太原 030002）
摘要：近年來，國家持續(xù)出臺政策支持新型儲能發(fā)展，新型儲能進(jìn)入發(fā)展快車道。作為重要的應(yīng)用形式，電網(wǎng)功能替代性儲能可在電力系統(tǒng)中發(fā)揮替代或延緩電網(wǎng)輸變電設(shè)施建設(shè)等作用，國家政策明確支持電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展，提出探索納入輸配電價疏導(dǎo)成本。目前電網(wǎng)功能替代性儲能處于探索起步階段，相關(guān)政策管理機制尚不成熟。厘清電網(wǎng)功能替代性儲能的界定范圍，提出電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估方法，并開展典型案例分析論證，提出在電力市場發(fā)展不同階段下電網(wǎng)功能替代性儲能的成本疏導(dǎo)機制，并形成有關(guān)政策建議，推動電網(wǎng)功能替代性儲能有序發(fā)展和高效利用。
引文信息
胡靜, 黃碧斌, 孟子涵, 等. 電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估和政策機制研究[J]. 中國電力, 2023, 56(8): 10-16.
HU Jing, HUANG Bibin, MENG Zihan, et al. Research on alternative effect evaluation and policy mechanisms of grid-side functional alternative energy storage[J]. Electric Power, 2023, 56(8): 10-16.
引言
在國家政策大力支持下，中國新型儲能已在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)開展應(yīng)用，部分項目已進(jìn)入商業(yè)化運行階段。隨著儲能的技術(shù)經(jīng)濟性不斷提升，在一些應(yīng)用場景下儲能建設(shè)可達(dá)到替代電網(wǎng)輸配電設(shè)施的效果，發(fā)揮解決基本供電問題、延緩輸變電升級改造需求、提升電網(wǎng)供電能力、提升應(yīng)急保障能力和供電可靠性等作用[1-3]。國家政策明確支持電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展，提出研究探索將電網(wǎng)替代性儲能設(shè)施成本收益納入輸配電價回收[4-5]。
目前國內(nèi)外諸多學(xué)者對電網(wǎng)側(cè)儲能[6-9]、儲能經(jīng)濟性分析[10-14]和儲能政策機制[15-18]開展了相關(guān)研究，但電網(wǎng)功能替代性儲能還未開展規(guī)模化建設(shè)，相關(guān)研究也處于定性論證階段[19-20]。目前電網(wǎng)功能替代性儲能健康有序發(fā)展還面臨如下幾個問題。1）典型場景的界定范圍和準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)不明確；2）替代效果評估方法尚未形成共識，缺乏典型案例；3）成本疏導(dǎo)機制尚未落地，缺乏配套管理機制，迫切需要深化圍繞相關(guān)關(guān)鍵問題開展研究。
本文首先從功能作用、準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)等方面提出電網(wǎng)功能替代性儲能的界定范圍，基于典型應(yīng)用場景提出電網(wǎng)功能替代性儲能的替代效果評估方法，并開展經(jīng)濟性量化研究，研究提出適用于中國國情的電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導(dǎo)政策機制，研究結(jié)論可為中國電網(wǎng)功能替代性儲能的發(fā)展落地和政策機制制定提供決策支撐。
1 電網(wǎng)功能替代性儲能的界定
1.1 技術(shù)作用和應(yīng)用場景
新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要支撐，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。儲能具有發(fā)電、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、電網(wǎng)等多方面功能，且可以實現(xiàn)多時段、多功能復(fù)用。發(fā)電功能包括平抑新能源出力波動、跟蹤出力曲線和輔助無電地區(qū)供電；系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能包括調(diào)峰平衡、頂峰調(diào)節(jié)、調(diào)頻和調(diào)壓；電網(wǎng)功能包括輸配電容量替代和供電質(zhì)量提升。
電網(wǎng)功能替代性儲能是指以實現(xiàn)電網(wǎng)功能為主的儲能。需要注意的是，電網(wǎng)功能替代性儲能與以接入位置來定義的電網(wǎng)側(cè)儲能概念不同，電網(wǎng)功能替代性儲能都是電網(wǎng)側(cè)儲能，但不是所有電網(wǎng)側(cè)儲能都是電網(wǎng)功能替代性儲能。電網(wǎng)功能替代性儲能應(yīng)作為電網(wǎng)建設(shè)、實現(xiàn)電網(wǎng)功能的一種技術(shù)選擇，視為電網(wǎng)重要電氣元件，納入電網(wǎng)規(guī)劃，與其他電網(wǎng)輸配電設(shè)施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟性方案比選后，論證建設(shè)可行性。
分層級梳理形成電網(wǎng)功能替代性儲能應(yīng)用場景，可分成輸配電容量替代和供電質(zhì)量提升兩大類，如表1所示。1）輸配電容量替代，主要指變電容量和輸配電容量的替代，解決站址和走廊資源緊張、臨時性負(fù)荷明顯災(zāi)害應(yīng)急供電等問題；2）供電質(zhì)量提升，主要指實現(xiàn)電壓支撐和提升電網(wǎng)供電可靠性等，包括在電網(wǎng)末端、配電網(wǎng)薄弱、新能源高滲透率接入等地區(qū)或重大場合保電情況，通過配置儲能，提升電壓支撐能力和電網(wǎng)供電質(zhì)量。
表1 電網(wǎng)功能替代性儲能應(yīng)用場景界定
Table 1 Application scene definition of grid-side functional alternative energy storage
1.2 準(zhǔn)入條件
電網(wǎng)功能替代性儲能項目的準(zhǔn)入主要指在前期核準(zhǔn)備案階段明確相關(guān)的條件和標(biāo)準(zhǔn)，作為界定的依據(jù)。電網(wǎng)功能替代性儲能準(zhǔn)入條件需從政策標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場景、技術(shù)類型等方面，結(jié)合準(zhǔn)入評估體系指標(biāo)進(jìn)行判斷?？傮w準(zhǔn)入原則應(yīng)包括：1）項目應(yīng)符合國家和地方政策以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；2）項目應(yīng)以替代電網(wǎng)功能為主；3）項目技術(shù)類型應(yīng)綜合考慮發(fā)展階段、技術(shù)安全性等因素。
可以建立電網(wǎng)功能替代性儲能準(zhǔn)入評估指標(biāo)體系，作為準(zhǔn)入?yún)⒖?，但不同?yīng)用場景下準(zhǔn)入評估指標(biāo)設(shè)置的權(quán)重應(yīng)有所不同。評估指標(biāo)包括功率與最大負(fù)荷之比、能量與用電量之比、電壓偏差合格率、緩解設(shè)備重過載比例、縮短用戶停電時間、響應(yīng)速度等，如表2所示。
表2 電網(wǎng)功能替代性儲能準(zhǔn)入評估指標(biāo)
Table 2 Access evaluation index of grid-side functional alternative energy storage
2 電網(wǎng)功能替代性儲能替代效果評估方法
2.1 替代效果評估方法
針對季節(jié)性或臨時性負(fù)荷增長、站址資源緊張、農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源等典型情況，通過技術(shù)經(jīng)濟性比較，若達(dá)到同等供電效果情況下，儲能投資全壽命周期成本小于電網(wǎng)建設(shè)成本、改造升級成本，可考慮利用新型儲能解決局部地區(qū)的輸配電容量或供電質(zhì)量問題，替代或延緩輸配電投資。
評判電網(wǎng)功能替代性儲能項目是否可行需要分析電網(wǎng)功能替代性儲能的替代效益，考慮到儲能、電網(wǎng)設(shè)施項目的壽命周期不同，因此采用費用年值進(jìn)行對比，評判電網(wǎng)功能替代性儲能方案是否可行。
2.2 典型案例分析
1）季節(jié)性、臨時性負(fù)荷增長場景案例分析。
以制茶業(yè)興盛的黃山地區(qū)某茶區(qū)供電線路為例，線路負(fù)荷具有明顯的季節(jié)性變化特點，某10 kV線路具有1.2 MW供電能力，全年負(fù)荷超出1.2 MW的時間集中在4月中下旬，持續(xù)時間13天，每日超負(fù)荷約2 h15 min，全年超負(fù)荷時長一般不超過30 h。
線路改造方案為：滿足超出的0.2 MW負(fù)荷供電，按照擴能1條2 km 10 kV線路、擴容2臺配電變壓器設(shè)計，線路負(fù)載設(shè)計方案按10年增長至變壓器85%負(fù)載率考慮，配電網(wǎng)年運維費用按照初始投資的1%考慮，項目建設(shè)靜態(tài)總投資約122萬元。
電網(wǎng)功能替代性儲能方案為：滿足超出的0.2 MW負(fù)荷供電，按照儲能每天滿負(fù)荷放電2.5 h，滿足日高峰負(fù)荷時長，需要配置儲能容量500 kW·h，功率200 kW，轉(zhuǎn)換效率90%，移動式儲能車造價一臺為50萬元，使用壽命按照10年考慮，年運維費用按照初始投資的0.5%考慮，項目建設(shè)靜態(tài)總投資約206萬元。
案例結(jié)論分析：2種方案都按照20年進(jìn)行費用年值測算對比，基準(zhǔn)貼現(xiàn)率取4.5%，線路擴容改造設(shè)計生命周期內(nèi)費用年值為9萬元，替代性儲能項目系統(tǒng)費用年值為14萬元。案例結(jié)果顯示，對于季節(jié)性、臨時性用電負(fù)荷地區(qū)供電，僅考慮每年應(yīng)對季節(jié)性負(fù)荷的單一應(yīng)用場景下，采用替代性儲能項目方案經(jīng)濟性通常不如線路改造。當(dāng)儲能多使用場景使用時，儲能替代相同規(guī)模電網(wǎng)工程的個數(shù)大于2個，投資替代性儲能項目便具備經(jīng)濟性。當(dāng)將替代性儲能項目做成移動式儲能車形式時，可應(yīng)用于多種場景以代替電網(wǎng)工程投資，比如季節(jié)性負(fù)荷+春節(jié)返鄉(xiāng)+保電+應(yīng)急供電+魚塘增氧等。
2）站址和走廊資源緊張場景案例分析。
以某市10 kV電壓等級延緩電網(wǎng)投資建設(shè)項目為例，當(dāng)某城市線路因日尖峰短時負(fù)荷過載需進(jìn)行區(qū)域電網(wǎng)補強，但受線路廊道資源緊張等因素制約，無法及時投運電網(wǎng)工程以保障負(fù)荷供應(yīng)時，考慮先投運儲能設(shè)備作為過渡延緩效用。假設(shè)每日線路負(fù)荷超出1.2 MW的持續(xù)時間為1 h，最大負(fù)荷日負(fù)荷為1.4 MW，超過線路輸送能力0.2 MW。近期為保障用戶用電需求，優(yōu)先選擇儲能設(shè)備作為保障性電源，應(yīng)用3年后，最大負(fù)荷約達(dá)到線路輸電容量50%時，通過新建電網(wǎng)工程進(jìn)行電力保障。尖峰負(fù)荷發(fā)展按照年均增長率0.1 MW、時長增長0.5 h考慮。
線路改造方案：當(dāng)前須解決峰值0.2 MW負(fù)荷，按照擴能1條2 km 10 kV電纜、擴容2臺配電變壓器計算，配電網(wǎng)年運維費用按照初始投資的1%考慮，項目建設(shè)靜態(tài)投資約226萬元。
電網(wǎng)功能替代性儲能方案（延緩方案）：考慮采用儲能設(shè)備解決3年內(nèi)波動負(fù)荷問題，當(dāng)前需解決峰值0.2 MW負(fù)荷，為滿足不斷增大的日高峰負(fù)荷時長，考慮配置儲能容量200 kW·h（考慮了30%的預(yù)測偏差容量需求），功率100 kW，轉(zhuǎn)換效率90%，年運維費用按照初始投資的0.5%考慮，項目建設(shè)初始投資約31.5萬元。
案例結(jié)論分析：原始線路改造方案中電網(wǎng)改造升級投資費用年值33萬元，延緩周期內(nèi)采用儲能設(shè)備方案費用年值4萬元，延緩方案中電網(wǎng)改造升級投資費用年值26萬元。案例結(jié)果顯示，對于站址和走廊資源緊張地區(qū)供電，采用儲能方案通常比線路改造方案具有技術(shù)經(jīng)濟可行性。隨著延緩年限的增大，所需配置的儲能容量同比增大，將增大儲能初期投資從而降低了儲能方案的經(jīng)濟性。
3）農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源場景案例分析。
選擇河北某村低壓配電網(wǎng)為案例，該村共有4臺公用配變，主變?nèi)萘繛椋?×100+200）kV·A；共有居民160余戶，允許安裝的總裝機容量為306 kW。該配電網(wǎng)算例下分布式光伏接入滲透率比較高，達(dá)到135%。
電網(wǎng)改造和安裝儲能都是電網(wǎng)提高分布式新能源接納能力的備選技術(shù)措施，具體改造方案需要以總成本最小為目標(biāo)優(yōu)化確定，這需要對配電網(wǎng)開展穩(wěn)態(tài)分析和運行策略優(yōu)化。采用國網(wǎng)能源院自主設(shè)計開發(fā)的配電系統(tǒng)分析和優(yōu)化軟件（DSAP）開展量化分析，如果不進(jìn)行電網(wǎng)改造和建設(shè)儲能，全年8760 h中有764 h存在電壓越限或反向設(shè)備過載問題，時段占比為8.7%，需要對分布式光伏發(fā)電出力進(jìn)行限制，限制電量占比為10.04%。
考慮電網(wǎng)改造和安裝儲能2種措施，不允許限電，開展不同方案的成本投入對比研究，分析結(jié)果如表3所示。
表3 儲能減少分布式發(fā)電接入引起的電網(wǎng)改造成本的案例測算
Table 3 Case study of energy storage reducing power grid reconstruction cost caused by distributed generation access
案例結(jié)果顯示，對于農(nóng)村電網(wǎng)大量接入分布式新能源，建設(shè)儲能可以減少電網(wǎng)改造成本。在實際應(yīng)用中需要對儲能位置、容量以及電網(wǎng)改造策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，不同方案下成本相差較大。從經(jīng)濟性上考慮，儲能選擇時偏向小容量、短時間。
綜合以上典型案例分析，由于中國電力整體處于中速增長階段，配電網(wǎng)設(shè)施服役年數(shù)一般在20～30年，按照滿足相同規(guī)模、同等時長負(fù)荷供電需求來看，儲能需要更換2次才能達(dá)到配電網(wǎng)建設(shè)的效果，投資成本較高，因此，新建或擴建輸配電設(shè)施仍然是解決負(fù)荷供電的主要手段，現(xiàn)階段電網(wǎng)功能替代性儲能技術(shù)經(jīng)濟性水平還難以廣泛取代輸變電設(shè)施，但在一些特殊場景下，通過技術(shù)經(jīng)濟論證可具有一定可行性。
3 電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導(dǎo)機制
電網(wǎng)功能替代性儲能的成本疏導(dǎo)機制整體還處于探索研究階段。
從國外來看，美國和歐洲對包括電網(wǎng)功能替代性儲能在內(nèi)的電網(wǎng)側(cè)儲能的身份認(rèn)定和監(jiān)管政策還不明晰，成本疏導(dǎo)機制還在實踐探索階段。歐洲電網(wǎng)側(cè)儲能成本疏導(dǎo)機制可劃分為3大類：電網(wǎng)運營商擁有資產(chǎn)并獲得成本定價補償；電網(wǎng)運營商擁有資產(chǎn)并獲得成本定價和電力市場雙重補償；第三方擁有資產(chǎn)并獲得成本定價和電力市場雙重補償。美國加州獨立系統(tǒng)運營商CAISO初步設(shè)定了3種電網(wǎng)側(cè)儲能成本疏導(dǎo)機制：通過輸電電費獲得固定的回報；通過輸電電費獲得相對較少的回報，但允許通過電力市場獲取額外的回報；通過輸電電費及電力市場兩個渠道獲取費用，但通過電力市場獲取的回報需要儲能系統(tǒng)所有者和納稅人進(jìn)行分成。
從中國來看，《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》首次提出“研究探索將電網(wǎng)替代性儲能設(shè)施成本收益納入輸配電價回收”。《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提出“科學(xué)評估新型儲能輸變電設(shè)施投資替代效益，探索將電網(wǎng)替代性儲能設(shè)施成本收益納入輸配電價回收”。
結(jié)合國外采用的成本疏導(dǎo)機制實踐探索以及中國國情，考慮到電網(wǎng)主業(yè)購買儲能服務(wù)面臨價格標(biāo)準(zhǔn)難以公允界定、電網(wǎng)功能替代性儲能需要與電網(wǎng)設(shè)施統(tǒng)一規(guī)劃等問題，電網(wǎng)功能替代性儲能現(xiàn)階段應(yīng)暫僅由電網(wǎng)主業(yè)負(fù)責(zé)投資建設(shè)。成本疏導(dǎo)機制可以按照電力市場發(fā)展的不同階段，采用全額納入輸配電價機制、優(yōu)先市場獲益并由輸配電價補齊機制、輸配電價給予固定額度之后參與市場獲益機制，基本概念見圖1。經(jīng)過綜合比選，建議現(xiàn)階段采用全額納入輸配電價回收，不參與電力市場進(jìn)行獲益，但需要實行“嚴(yán)準(zhǔn)入、強監(jiān)管”。
圖1 3種電網(wǎng)功能替代性儲能成本疏導(dǎo)機制示意
Fig.1 Three kinds of grid-side functional alternative energy storage cost dredging mechanisms
4 建議
電網(wǎng)功能替代性儲能在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中將發(fā)揮重要作用，對于該類項目的界定、規(guī)劃、價格機制、監(jiān)管、過程管理、示范建設(shè)等方面需要全方位進(jìn)行規(guī)范，做到物盡其用，發(fā)揮最佳經(jīng)濟社會效益。就電網(wǎng)功能替代性儲能規(guī)范發(fā)展，提出相關(guān)政策建議。
1）明確界定范圍和準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，制定頂層實施方案。從國家政策層面明確電網(wǎng)功能替代性儲能的定義、應(yīng)用場景、投資建設(shè)主體責(zé)任、各環(huán)節(jié)審核責(zé)任主體。按照安全第一、穩(wěn)妥推進(jìn)、依法合規(guī)、效率效益的原則，制定電網(wǎng)功能替代性儲能推進(jìn)實施方案。
2）將電網(wǎng)功能替代性儲能視為電網(wǎng)重要電氣元件，納入電網(wǎng)規(guī)劃，并與能源電力規(guī)劃銜接。以提升電網(wǎng)輸配電容量和供電質(zhì)量為目標(biāo)，統(tǒng)籌安排電網(wǎng)功能替代性儲能發(fā)展規(guī)模、建設(shè)布局、投產(chǎn)時序，納入電網(wǎng)規(guī)劃后，經(jīng)履行認(rèn)定程序后納入地方能源電力規(guī)劃。
3）加快電網(wǎng)功能替代性儲能價格政策落地，將電網(wǎng)功能替代性儲能成本納入輸配電價回收。將電網(wǎng)功能替代性儲能納入輸配電價核價范圍，計入有效資產(chǎn)，制定認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)定程序，開展投資替代效益評估。
4）強化電網(wǎng)功能替代性儲能準(zhǔn)入評估和后評價機制，驗證替代效益。從安全效益、經(jīng)濟效益、社會效益等角度進(jìn)行綜合衡量，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和綜合方案比選論證。通過項目實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，開展實施效果評估，支撐核定成本評估。
5）建立健全電網(wǎng)功能替代性儲能管理體系，明確各方責(zé)任界面。由電網(wǎng)主業(yè)負(fù)責(zé)投資建設(shè)電網(wǎng)功能替代性儲能項目，經(jīng)履行認(rèn)定程序并獲準(zhǔn)通過納入輸配電價回收成本后，將其納入電網(wǎng)基建投資計劃，按照電網(wǎng)基建項目進(jìn)行管理，加強統(tǒng)一運維、統(tǒng)一調(diào)度管理，強化全過程安全管理。
6）穩(wěn)妥開展電網(wǎng)功能替代性儲能示范應(yīng)用。在能夠通過輸配電價疏導(dǎo)的條件下，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，因地制宜在站址和走廊資源緊張地區(qū)、電網(wǎng)末端、配電網(wǎng)薄弱及新能源高滲透率接入等地區(qū)開展試點建設(shè)。在市場建設(shè)成熟階段，開展多收益模式機制試點示范。
