黃新，羅敏，江輝

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

0 前言

根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的全國用戶供電可靠性數(shù)據(jù)[1]，2016 年我國城市平均停電時間為5.20 時/戶，農(nóng)村平均停電時間為21.23 時/戶，其中故障平均停電時間分別為1.74 小時和7.98 小時，預(yù)安排平均停電時間為3.46 小時和13.5 小時。預(yù)安排停電時間高于故障停電時間；農(nóng)村停電時間遠(yuǎn)高于城市停電時間。

預(yù)安排停電是指預(yù)先已作出安排，或在6小時前得到調(diào)度批準(zhǔn)（或按供電合同要求的時間）并通知主要用戶的停電。包括計劃停電、臨時停電和限電。不同于故障停電的突發(fā)和不可預(yù)測性，預(yù)安排停電可以有針對性的做出負(fù)荷調(diào)整、轉(zhuǎn)移等措施，最大限度的縮小停電范圍。但從平均停電時間看，預(yù)安排停電時間仍遠(yuǎn)高于故障停電時間。這一方面是受到近幾年我國對配電網(wǎng)的大規(guī)模升級改造工作的影響，施工停電增加；另一方面是因為除中心城區(qū)外，大部分的配電網(wǎng)仍為輻射型供電，不具備通過聯(lián)絡(luò)線轉(zhuǎn)供電的條件，前端線路施工造成后端線路配合停電，擴(kuò)大了停電范圍。

因此，如果能縮短預(yù)安排停電時間將能有效縮短用戶平均停電時間。但由于輻射型線路本身不具備轉(zhuǎn)供電的條件，現(xiàn)階段都只能采用后端線路陪停的方式施工，極大影響了供電可靠性，如何給線路施工段后端的線路供電就成了亟待解決的問題?？紤]到分段施工的短時性和隨機(jī)性，可采取使用應(yīng)急電源車對線路施工段后端的線路進(jìn)行臨時供電的方式來縮小停電范圍，提高可靠性。

目前應(yīng)急電源車有柴油發(fā)電、鋰電池儲能、鉛酸電池儲能、飛輪儲能、超級電容器等[2]，主要應(yīng)用在380 V 低壓配電網(wǎng)的重要場所的保供電和應(yīng)急供電。柴油車發(fā)電車前期投入較低，使用成本高，可較長時間供電；鋰電池儲能前期投入高，使用成本低，自身損耗低，可在低谷時段充電，在需要的場合放電，持續(xù)時間在小時級；鉛酸電池前期成本低，也可在低谷時間充電，但使用壽命較短，能量密度低，移動應(yīng)用時容量較低；飛輪儲能和超級電容器儲能前期投入高，使用成本低，但能量密度不夠，只在秒級或分鐘級場合應(yīng)用，一般配合其他供電方式使用。

表1 各類型儲能方式與柴油發(fā)電對比

綜合來看，柴油發(fā)電、鋰電池儲能除了在保供電場合提供應(yīng)急電源的功能以外，具備在配電網(wǎng)作業(yè)或故障時承擔(dān)臨時供電的能力。柴油發(fā)電成本主要受柴油價格影響，基本沒有下降空間。電池成本隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能量密度逐步上升，電池成本不斷下降，將電池儲能用于應(yīng)急供電，提高供電可靠性具有較好的前景[3]。但380 V 供電系統(tǒng)范圍小，用戶少，要將應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大就必須提高10 kV 電壓等級以擴(kuò)大供電范圍。以現(xiàn)有的技術(shù)水平，要在重負(fù)荷地區(qū)實現(xiàn)全線的臨時供電仍不能實現(xiàn)，但在負(fù)荷較輕的區(qū)域，移動儲能的容量已能滿足需求。

1 移動儲能在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 儲能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2017 年我國儲能產(chǎn)業(yè)裝機(jī)如圖1 所示，抽水蓄能占98%以上，年增長率6.7%；其次為化學(xué)儲能占1.3%，但增長率高達(dá)45%?；瘜W(xué)儲能中以鋰離子電池和鉛酸電池占比較高，鉛酸電池技術(shù)成熟，成本較低，應(yīng)用時間較長，占比36%；鋰離子電池得益于電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，占比58%，且呈急速上升的趨勢，預(yù)計2025 年前復(fù)合增長率都將保持在40%以上[4]。

圖1 2017年中國儲能累計裝機(jī)分布圖

1.2 鋰電池儲能技術(shù)

鋰電池技術(shù)長足發(fā)展，循環(huán)壽命、充放電性能大幅提升，而電池成本也降低至1.6 元/Wh[5]。隨著電動汽車規(guī)模不斷擴(kuò)大，鋰離子電池成本還有下降的空間。與電網(wǎng)規(guī)模相比，電池儲能的能量密度仍顯不夠，不能大范圍臨時供電，但已具備小范圍臨時代供的能力，隨著電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池容量不斷提高，單價下降，移動儲能的供電能力會不斷提高。

1.3 電池儲能應(yīng)急供電的原理

電池儲能系統(tǒng)原理如圖2 所示，由儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS) 和配電網(wǎng)絡(luò)組成，充電時由配電網(wǎng)絡(luò)提供電源向電池充電，工作時電池放電供給配電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載。PCS 起到橋梁的作用，將能量在交流和直流之間相互轉(zhuǎn)換，電池起到蓄水池的作用，將多余的電量儲存起來在缺少電能時放出。將上面的系統(tǒng)安裝在汽車上就形成了移動儲能應(yīng)急供電車，可提前將電池充滿電，然后在需要的地方將電池中的電能放出提供應(yīng)急供電。優(yōu)點是效率高、使用成本低，缺點是供電能力受電池容量影響，現(xiàn)階段電池能量密度總體不高的情況下，不能長時間供電。

圖2 電池儲能系統(tǒng)示意圖

2 可行性分析

2.1 移動儲能容量需求

圖3、圖4 是2017 年麗江地區(qū)10 kV 線路的平均負(fù)荷情況。線路負(fù)荷總體較輕，線路間負(fù)荷差異大，輕負(fù)荷線路較多，平均負(fù)荷小于250 kW 的線路占了33%，250 kW-500 kW 的線路占了16%，500 kW-1000 kW 的線路占了18%，如果具備500 kW 的移動供電能力，即能解決49%線路的全線臨時供電問題，而如果具備1000 kW 的移動供電能力，將能解決67%的全線臨時供電。

圖3 2017年麗江地區(qū)10 kV線路平均負(fù)荷情況

圖4 10 kV線路負(fù)荷分布情況

2.2 移動儲能數(shù)量需求

統(tǒng)計本地區(qū)2017 年全年的10 kV 線路停電作業(yè)，如圖5 所示，2017 年全年停電作業(yè)數(shù)量1540 項。剔除其中電源搭接、線路末端、支線作業(yè)等不具備或不需要代供的作業(yè)，全年可代供作業(yè)共計437 項，占作業(yè)總數(shù)的28.4%，可代供作業(yè)頻次分布見下圖。由圖6 可見，每天可代供的停電作業(yè)數(shù)量基本都在4 次以下，1-2次作業(yè)的天數(shù)占比71.5%。加上該作業(yè)計劃未考慮移動儲能的代供條件，實際應(yīng)用時可將部分計劃時間進(jìn)行調(diào)整，故配置2 套移動儲能系統(tǒng)應(yīng)能滿足絕大部分的代供需求。

圖5 2017年全年10 kV停電作業(yè)分布圖

圖6 2017年具備應(yīng)急供電條件的作業(yè)數(shù)量分布

2.3 理論效果分析

輻射型線路因為只有單電源，后端線路和分支線路存在陪停的現(xiàn)象。為提高供電可靠性，輻射式接線一般采用分段的方式來減少后端線路工作對前端線路的影響[6-7]，而前端線路的工作則不可避免的會影響到后端線路的供電。越接近電源點，影響的范圍越大。

考慮輻射型供電線路在不同負(fù)荷潮流、不同故障點時移動儲能對供電可靠性時的影響，假設(shè)線路負(fù)荷均勻分布。移動儲能的對線路供電可靠性的影響見圖7。當(dāng)移動儲能的容量達(dá)到或接近線路負(fù)荷時，儲能的代供效果較好；當(dāng)儲能容量與線路負(fù)荷差別較大時，代供效果較差。

圖7 不同容量儲能對線路供電可靠性的影響

以2 輛移動儲能車和該地區(qū)2017 年停電作業(yè)線路的實際功率為基礎(chǔ)，考慮停電作業(yè)按現(xiàn)有分布和按優(yōu)化分布兩種情況，分析不同容量的移動儲能對供電可靠性的影響。

AIHC-1'為考慮移動儲能后的客戶平均停電時間；

TS為每次停電持續(xù)時間；

nS為每次停電客戶數(shù)；

TR為使用移動儲能后每次可減少的停電時間；

nR為使用移動儲能后每次可減少的停電客戶數(shù)；

m2為可代供線路在停電作業(yè)線路中的占比（配置2 輛移動儲能車時）。

不同容量移動儲能對用戶停電時間的影響如圖8 所示。移動儲能可明顯縮短用戶停電時間，尤其是優(yōu)化停電作業(yè)分布后，能最大程度的發(fā)揮儲能的作用，縮短客戶停電時間，提供供電可靠性。

圖8 不同容量移動儲能在作業(yè)優(yōu)化前后的效果對比

2.4 移動儲能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

考慮設(shè)備成本、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備可用率、能量效率等因素，分別計算柴油發(fā)電和電池儲能的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)[8]。

IC0為初始投資成本；

OCn為第n 年的運(yùn)行成本；

MCn為第n 年的運(yùn)行成本；

Enout為第n 年儲能電站放電量；

η為能量效率；

i為貼現(xiàn)率；

p為充電電價；

N為設(shè)備使用壽命。

通過平準(zhǔn)化度電成本計算，柴油發(fā)電初期成本較低，但使用成本較高；電池儲能起始階段度電成本較高，為柴油發(fā)電的2 倍以上，主要是因為電池儲能設(shè)備成本較高。規(guī)模化應(yīng)用后使用成本大大高于電池儲能。通過平準(zhǔn)化度電成本計算，電池儲能成本將在8 年時與柴油發(fā)電成本相當(dāng)，后期成本將略低于柴油發(fā)電，見圖9。但兩者的度電成本都在2 元以上，仍遠(yuǎn)高于平均售電電價，需供電企業(yè)提供資金支持。

圖9 電池儲能與柴油發(fā)電度電成本對比

隨著電動汽車和電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池成本不斷下降，其他配套設(shè)備成本隨著行業(yè)的發(fā)展和需求量的增加，也有較大的降價空間，電池儲能的度電成本較柴油發(fā)電將更有優(yōu)勢。結(jié)合該地區(qū)的實際停電時間和移動儲能的成本投入，可得圖10。可見在500 kW-1000 kW 的移動儲能能力后，減少的用戶平均停電時間與投入之間達(dá)到最優(yōu)。

圖10 不同容量電池儲能的成本與效益對比

3 移動儲能應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

現(xiàn)階段電池的能量密度仍不能滿足大功率應(yīng)用場合的需求，受制于電池的體積、重量，40 英尺集裝箱的電池容量一般不高于1000 kWh，考慮放電電流不宜過大影響電池壽命，PCS 功率不宜大于1000 kW，故還不能應(yīng)用在重負(fù)荷的線路。特殊情況下可通過分段的方式，采用多套移動儲能供電。同時可考慮PCS 設(shè)備與儲能電池車分別布置，PCS 車應(yīng)具備同時接入兩臺電池車或在兩臺電池車之間進(jìn)行切換的能力，這樣能大大提高移動儲能的供電能力。

在移動儲能的電壓等級提高到10 kV 后，必須配置完善的繼電保護(hù)來實現(xiàn)故障切除、接地選線等功能，配套的電流、電壓互感器、斷路器也必須同步升級，這會增加設(shè)備成本。為盡量縮短停電時間，移動儲能系統(tǒng)應(yīng)具備不停電接入、退出供電網(wǎng)絡(luò)的能力，這會對配網(wǎng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生影響，現(xiàn)在這方面的研究還不多，也沒有足夠的運(yùn)行數(shù)據(jù)來判斷其影響。

4 結(jié)束語

1）通過平準(zhǔn)化度電成本分析，鋰電池移動儲能系統(tǒng)在提高供電可靠性的應(yīng)用場景中優(yōu)于柴油發(fā)電車。

2）現(xiàn)階段鋰離子電池容量相對于電網(wǎng)負(fù)荷來說仍偏小，只適用負(fù)荷較輕的地區(qū)以及局部的應(yīng)急供電場合，具備一定的應(yīng)用場景。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，移動儲能的應(yīng)用場景必將不斷增加，應(yīng)積極探索，積累經(jīng)驗。

3）移動儲能的成本仍較高，在2 元/kWh以上，能否應(yīng)用仍取決于供電企業(yè)對提高供電可靠性的意愿。但我國電池產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，成本下降較快；同時如果形成產(chǎn)業(yè)，相關(guān)配套設(shè)備的成本也能有較大幅度的下降，前景較為廣闊。