从电网系统看用户侧电池储能市场需求

从电网系统看用户侧电池储能市场需求储能技术常被看做是解锁可再生能源未来的“必杀技”。随着电池成本的不断下降，这一愿景也越来越贴近现实。设不佳的商业电费不利于电网弹性电池事实上，许多商业用户都已能够利用经济可行的方式投资电池储能设备来降低他们的电费账单。但还有一个问题亟待解决：面对当前电网的电费结构，许多商业用户无法发挥这些储能系统的高效性能。传统需量电费鼓励平缓的用户负荷，但这并不适用于可再生能源比例不断提高时对电网系统提出的新需求。事实上，电池储能市场不断增长的发展机遇突显了重 新设计这种电费结构的迫切需求。电池成本不断下降，为商业用户降低需量电费创造了绝佳的新机遇随着电池成本的持续下降，美国数百万商业用户如今都有机会利用经济可行的电池储能技术降低他们的用电账单。近期的多篇报告更着重介绍了使用电池技术进行需量电费管理，并降低用户每月电网峰值需求的具体机遇：美国国家可再生能源实验室(NREL)和清洁能源集团预计，有超过5百万家美国商业用户所缴纳的需量电费在每千瓦1 5美元以上，足以使电池储能技术在其需量电费管理中具备经济效益。GTM研究声称，到2 0 2 1年，需量电费在每千瓦1 1美元以上时即可使电池储能技术具备经 济可行性，而需量电费管理在全美1 9个州都将具备经济可行性。麦肯锡预计，需量电费即使低至每千瓦9美元也能使电池储能技术具备经济可行性，这大大提高了电池储能技术的市场潜力。劳伦斯伯克利国家实验室(LNBL)证实了太阳能和储能技术的结合在降低商业用户需量电费领域具备极高的价值。大部分需量电费结构鼓励平缓、稳定的负荷曲线大部分需量电费与系统峰值并不同步。具体来讲，无论用户的峰值需求对于更大的电网平衡区域来说是出现在高成本时段还是低成本时段，用户的需量电费是根据用户当月的最大用电量计算得来的。当用户利用电池、电动汽车或其他弹性需求技术降低此类非同步需量电费， 用户需要尽可能地使负荷曲线更加平稳，减小用电量随时间波动而变化的幅度。以一栋非同步需量电费结构下的典型办公建筑为例，其峰值需求一般发生在上午1 1点到下 午5点间，而夜间用电量很低。为了降低该用户的电费，电池储能系统可在夜间连接电网进行充电并在中午时段放电，从而降低办公建筑的峰值用电需求。这符合过去主要利用热电厂供电的电力公司对稳定其基载负荷的需求，但并不符合可再生能源比例较高电力系统的需求。事实上，在太阳能电力资源丰富的地区，削减此类办公建筑中午时段的用电需求反而不利于系统消纳更多的太阳能资源。图1：管理典型大规模办公建筑非同步需量电费意味着，应在凌晨为电池充电来降低建筑在中午时分的用电需求。正如当今电网不再需要基载电力一样，它们也不再需要稳定的基载负荷 当今的电网需求与过去相比已经大不相同了。从加利福尼亚州、夏威夷州和西南部的大范围太阳能发电项目，到中西部以及德克萨斯州的风电项目，迅速增长的可再生能源发电资产正在改变系统的峰值需求。在某些情况下，电网中增加的太阳能电力意味着，无论是利用精确计时的电动汽车充电、电池储能，还是提前加热的电热水器，鼓励用户在白天低成本太阳能资源丰富时提高用电量都对电网更加有利。整体来看，无论是发电侧还是需求侧，电网接纳更多太阳能和风能发电装机都需要对其它电网资源加以弹性利用。正如当今电网不再需要基载电力一样，它们也不再需要平缓、稳定的负荷曲线。事实上，正如稳定的、缺乏弹性的发电资产会在可再生能源比例高的系统中增加电网管理难度和成本一样，稳定的、缺乏弹性的负荷需求也会有同样的负面作用。在我们的案例中，非同步需量电费不利于电网接纳更多太阳能发电装机。建筑用户想要通过降低中午用电量来降低他们的电费账单。因此，在太阳能发电比例较高的地区，这样的电费设计会发送与电网实际需求相反的市场信号。 图2：需量电费管理会反作用于电网的负荷转移需求。图为2 0 1 7年9月1 9日California ISO公司整个系统的负荷和净负荷示意图。个体用户的负荷曲线决定着需量电费管理是有利还是有损于电网运行：为了降低需量电费，一家酒店可能需要降低夜间负荷，但一所小学则可能需要降低白天用电负荷。这是需量电费的核心问题：管理需量电费的策略取决于用户负荷模式，而不是整体系统需求。根据用电时间而变化的商业用电费率更有助于系统需求根据用电时间而变化的费率设计，而不是非同步需量电费，更能反映一天中不同时段的发电成本，进而鼓励用户运用需求转移和储能等方法降低系统成本。这种费率设计有多种选择，包括峰值同步需量电费、分时电价和实时电价等。 峰值同步需量电费对系统边际成本最高时段的峰值需求征收额外费用，鼓励用户在系统发电 成本最高时降低用电需求。在上文的例子里，这意味着在系统成本最高的傍晚时分对峰值用户负荷征收需量电费。要进一步优化系统，我们需要完全废除需量电费，并开始执行商业分时电价制度，根据预先制定的与系统成本同步的电费计划向用户征收用电费用。实时定价机制则是这一概念的进一步优化，根据实时系统状况每小时调整电价。分时电价和实时定价的优势在于通过价格手段激励在所有发电成本高的时段降低负荷需求。相比之下，峰值同步的需量电费也只能降低每月最大峰值的用电量。补偿电网辅助服务可以帮助用户进一步优化能源利用补偿电网辅助服务可以帮助用户进一步优化电池和需求弹性技术的运用，用户会根据这些新的经济激励来调整需求资源的运用。落基山研究所的报告《电池储能经济学》显示：当同样 的能源设备能够提供多功能服务时，该设备就能够产生更多的价值。只有在电力公司费率结构的支持下，希望通过投资电池来降低用电账单的商业用户才能实现这一目标。例如，这种费率结构可以包括：使用分时电价：一天中能源成本最高时段的电价较高，能源成本低时电价较低。尖峰电价：对每年个别特殊时段大幅提高电价，而在全年其它时段保持较低的整体电价水平。对调频、调峰和应急备用等电网辅助服务提供补偿，现有的电池技术已经可以提供所有这些服务。夏威夷电力公司提出的需求响应服务组合就是这一概念的最佳证明。在可再生能源发电比例较高的电网中，我们越来越明显地发现弹性资源比平缓、稳定的发电及负荷更有价值。非同步需量电费虽然广泛用于商业用户，但它并不能促进与系统需求相一 致的需求弹性。随着电池价格的下降，将有更多用户采用储能系统，电池储能在为用户节约成本的同时也在为电网运行提出更多的挑战。按照用电时间而变化的电价机制能够更准确地传达一天中不同时段的电力成本，从而改善电网管理效率，惠及所有用户。