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未来电力储能系统的新形态:云储能

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2018-09-23 浏览:
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中国储能网讯:5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

清华大学电机系副教授张宁在能源区块链&云储能专场,发表了题为“未来电力储能系统的新形态--云储能”的精彩演讲。

演讲内容如下:

张宁:我今天主要讲五部分。

第一,云储能研究背景。

云储能研究背景最重要的是可再生能源的高速发展,这是我们国家规划的可再生能源发展的路线图,风电和光伏。上面的线是高比例的情况下,最乐观的情况下。下面的两个点是最基础的发展,我们至少要发展到这两个点的部分。虽然我们现在已经有很多新能源,但是未来将接入更多的新能源,未来光伏增长是要快于风电的增长,光伏增长未来将是集中式和分布式并举的增长。右边也可以看到美国2050年和中国2050年都将接入大规模的光伏和风电,这是一个背景。对于分布式能源来讲,储能是解决分布式能源的重要解决方案,并不是说分布式就是好消纳,而是我们需要用储能的方式把它平抑掉,分布式储能对用户的作用就不详细展开,这两天我们都讲储能的事情。

大家最熟悉的一点,特斯拉推出了Powerwall,有三代Powerwall,现在已经到功率7KW,持续功率5KW。今天会场的展览有各种各样的wall,都是储能。分布式储能的主要愿景是利用分布式储能实现用户侧光伏的消纳,这是Powerwall给出的方案。分布式储能任重而道远,中国储能网就是举办会议的主办方有一个新闻,Powerwall目前不是家喻户晓的,我感觉主要有两点:一是成本比较高,5900美元在美国应该可以买一辆一般的车,大家可能不会用5900美元投资自己用电的方面,因为好几年的用电成本也不会到500美元。二是需求低,有Powerwall之后,不是每天都用,虽然说case很好,光伏大发,我们可以存储起来。但是不一定每天都可以有很大的存储,所以一年有深度充放电需求的机会并不多,所以需求低。

分布式储能成本高,用户的分布式能源资源利用率低,缺乏对于使用分布式储能的激励。电网卖一度电给你5毛或者1块,你用5毛或者1块把电卖回给电网,电网可能不同意。缺乏储能的价格的激励。问题来了,如何提供更好储能产品和服务呢?我们类比了云盘,云服务的概念或者共享经济的概念,主要利用集中式储能的优势或者克服分布式储能的弊端,云储能的概念是分布式储能的替代方案,我们用云盘需要连接互联网。电网是很好的云化储能的概念,依赖电网的基础设施,希望有云储能的商业模式,使用户利用虚拟云端电池如同利用自己家里的电池一样。这是云储能最初的理念,像云盘一样,用自己的硬盘一样,当自己的硬盘不够的时候可以用云盘,这就是云储能的基本概念。因为我们有电网,电网实现不同地点能量的搬运,跟互联网搬运信息一样。这是云储能最初的想法。

云储能的概念,我们定义云储能为基于电网共享的储能技术,用户可以按需使用储能资源,按需付费,这和我们的云存储是一样的。它依赖共享资源达到规模效益。云储能的实体,一是大规模集中式储能设施,二是可以聚合分布式储能的设施,跟云盘一样,既是很大的服务器存储的阵列,也可以来源于小的、分布式的存储的资源。用户使用虚拟储能存量可以租容量或者按需付费或者按流量付费。使用方式希望和传统的分布式储能相同,用户感受不到用实体储能还是用云储能。这是我们提出的云储能的概念。

这是我们构想的云储能的场景,中间有一朵叫云储能供应商。左边是云储能服务用户,这个用户可能是居民用户,也可能是小商业用户,居民用户可能还有光伏,小商业用户也可能有光伏,他们都有自己的负荷。每个用户,商业用户或者居民用户都有APP,或者在网上有一个终端,终端可以看到自己有很多储能。它通过给云储能发信号,什么时候想充电、什么时候想放电,或者设置自动化的充放电逻辑。云储能供应商会控制一系列储能的资源,这种储能可以有集中式的锂电池,也可以有分布式,也可以有大规模的分布式储能,它控制这些储能的资源,并且它需要参与实时的电力市场,云储能接到电网、用户也接到电网里,实现云储能的整体构架。云储能控制一系列储能设施,收到用户的充放电需求,根据用户充放电的需求去控制所有的储能设施,从用户侧角度讲,用户通过购买云储能服务,使用云储能,可以控制什么时候充电、什么时候放电,但是也得给云储能交钱。

用户有居民用户、小商业用户等等,现在很多地方提出来可以服务于售电商等。用户优化自己的电能需求曲线,目的是降低电费,用户自己有负荷或者有光伏,根据负荷、光伏确定自己的充放电,像用自己的储能一样。集中式储能,云储能会控制一大堆集中式储能,一般由提供商直接投资建设,具有比较大的规模,由运营商集中控制,也可以是分布式的储能资源。一般由电网或者用户所有,提供租赁或者代理的控制权,既可以是集中式的,建集装箱,很大的储能或者空气储能的电站,甚至抽水蓄能,也可以来自分布式,比如我买Powerwall,感觉自己用的次数不是特别高,就把Powerwall租给电网,这个控制权给你,我收租金。这是我们对云储能的储能侧的构想。

云储能的提供商,通过控制储能满足用户的充放电需求,收到一堆充放电需求,根据需求控制储能,最大化利用储能的资源。这个优化需要考虑储能的寿命等各种各样的方面,也要参与电力市场,因为可能不能完全满足用户,也要到电网上购买电力。刚才介绍了云储能的各种各样的概念,云储能主要是做用户的移峰和分布式可再生能源的存储,不仅可以服务于用户,用户可以理解为广义用户,电网也可以是云储能的用户,给电网提供备用和调峰调频服务。我们向其他人介绍云储能概念的时候,可能大家会问,储能还有其他的作用,比如事故的备用,黑启动等等,或者电网的无功支撑等。目前我们还不考虑云储能做这些,云储能和用户侧储能放在不同地方,它可能不做事故备用。未来也有可能做这些。云储能主要关注前面三点。

用户自己也是充放电,云储能也是充放电,用户充放电的方向和行为,和系统的一样。云储能的价值来源于三方面,一是云储能的核心价值来源,第一个是不同用户、不同服务之间的复用,因为储能是重资产,是非常具有重资产的特性,所以说重资产强调复用,它可以提高储能设备利用率,降低单位充放电成本。将储能资源碎片化,提高用户使用储能的灵活性,降低用户使用储能成本。比如一个用户家里,不是一天到晚都用,比如你去海南度假,他就闲置。海南的用户发现夏天热,去北边避暑,也可能半年不用。如果他们用实体储能就会有闲置。储能单位的使用成本就会上升。如果我们用云储能提供碎片化的储能,我想用多久就用多久,极大的降低户使用储能的成本。

二是储能设备的规模效益,刚才讲的是复用,一千W的储能可以提供A用户和B用户,只要两者有互补性。即使两个用户没有互补性,一千W提供给一千W用户,设备的规模效益也是很大的。特斯拉的Powerwall,几千W的Powerwall,单位成本比1MW的储能单位成本高。用集中式储能能降低投资成本。同时集中运维管理也会降低运维的成本,优化储能的充放电策略,提升储能的寿命。

三是用户对储能的充放电需求存在互补性,这是用户用电行为的互补性,有可能一个用户只有夏季用,一个用户只有冬季用储能,分布式能源发电有可能有互补性。

以上三点是云储能核心的来源。

刚刚说到云储能的价值,云储能涉及几个流向,信息流,用户到云储能再到储能设备,双向通信。二是资金流,用户交钱给云储能,云储能和电力市场发生互动或者租赁储能资源。三是能量流,通过电网的能量流。这是云储能整体的概念。

云储能实现的技术,云里面是什么东西呢?我们认为云储能的核心技术包括用户的行为分析,现在做了很多,包括负荷预测等,都是做用户行为的分析,优化调度、大量数据库的存储以及通讯,负荷与电价预测,有这些技术就可以做云储能。

云储能运行的机制,纵向是时间轴,从长期到短期到实时,横是云储能用户干什么、云储能提供商干什么、云储能设施做什么。长期来看,云储能是长期做投资、租赁等等。在短期是做运行优化,实时做实时调整。这是运行机制。

云储能的商业模式及其价值评估,我们说了云储能的商业模式,云储能的商业模式是现在说的共享经济,现在提得很火的共享经济在储能领域的体现。如果我们用云储能,它是提供商自己建云储能,就是摩拜形式,都是由公司提供的。或者说分散式,云储能的储能资源从用户侧租来的,那就是Airbnb形式。特征是通过虚拟化,用户通过APP操作,是虚拟的操作,这个操作对用户来说很好,安APP比安储能好很多,免维护。储能资源的共享,储能容量动态分配,利用效率高。优势是充分利用用户的互补性,实现储能的高效复用。规模效应和互补性,还有优化运行的策略。

主要利润来源,刚才已经说过,容量复用节省成本,规模效应投资成本下降,分散性使储能需求下降。如果有一百户用户,每户需要10KW的储能,总共需要1MW的储能容量,但是云储能可能不到1MW,比如700KW就可以满足1MW云储能用户的运行,原因是分散性。

我们做了一些算力,拿到爱尔兰的上百个用户,选取了40个用户,这些都是家庭用户,也拿到爱尔兰一年的实时电价以及用户的峰谷电价,分别计算用户在峰谷电价和实时电价的情况下,用户接受峰谷电价还是实时电价的情况下,这是云储能的充放电和用户自己的,如果用分布式储能的充放电,他俩之间的区别。这里比较复杂,我们直接给出结论,云储能通过这些模拟得到云储能可以使用更小的储能容量,通过共享的方式满足用户分散储能的需求。

储能的投资效益,必须要有基准,到底有没有效益,用什么基准算?用户分布安装的储能,用户就是安装特斯拉的Powerwall,用户有一个储能整体的投资,我们把这个投资作为云储能提供商的收入。假设云储能提供商就卖储能,储能和Powerwall是一模一样的。这种情况下能不能盈利呢?这个就是它的投资,我们算收益等等。最后云储能算出来是有收益的,它的成本有投资成本。这是它租赁的收益,红的是运行成本绿的是效益。

云储能和Powerwall一样,但是云储能比Powerwall便宜,我们还测算不同,我们按Powerwall 100%,它降到80%、60%、40%的情况算投资回报率和利润率,结论是相比分布式储能,云储能能够在满足储能情况下降低成本,如果是规模效应下降之后,它这个投资回报率和利润率都将上升。

刚才说了商业模式和价值,下面说一点技术性问题,云储能如果真正要用或者一个公司要投,运行和规划里面有什么问题呢?这个比较技术化,简单介绍一下。云储能运行当中需要有什么目标呢?要满足用户的净充放电需求,无法满足的在市场解决。兼顾为电网提供调频调峰服务,最大化自身效益。他要满足的约束,包括充放电约束、寿命的约束等等,而且要面临一些不确定性,这是云储能运行当中要做的事情。它要面对一大堆用户的充放电需求,可能满足不了,满足不了就从市场买,满足多少、买多少、什么时候满足、什么时候不满足,还要给电网提供调峰调频,整体是非常复杂的优化问题。或者用模型预测控制等方法去考虑它的不确定性等,这是它的运行方式。

规划优化和定价,这里也有问题,是长期的问题,刚才说短期的问题,长期的问题是说,假设云储能服务商目标定位一万个用户,要对一万个用户提供云储能服务。首先需要知道用户的充放电需求,知道我怎么和用户定价,需要知道云储能要装多少,一百个用户,1MW的总需求,只需要装700KW,到底装多少,其他的到市场上买,这些就是云储能的规划问题,他要满足一系列约束条件。

通过测算可以看到,如果储能成本不一样,它最后面对相同的用户总的云储能装的量是不一样的。而且这里面还有什么优化的问题呢?还有不同类型的储能,我是一朵云,我们可以配置不同类型的储能,实现不同的功能,比如功率型、能量型,如果储能用得很快,配置能量型,或者配置功率型,但是能量型能满足长期充放电需求,通过不同配置的互补,可以达到储能的更优运行。能量和功率方面都可以达到很优,但是可以有配合。

云储能发展的展望,现在国家电网好几个公司做云储能,我们给国网的建议是储能分为三个阶段:一是把所有分布式和集中式储能尽快能集中在云上,这是会集各种分布式储能资源。二是汇集集中式和分布式储能资源,把集中式的大项目汇集到云上,做信息归集概念。第一步是为电网服务,这是电网做的第一步。第二步是给其他用户进行服务,三是提供云储能的服务。这是我们提出云储能发展的几个阶段,先建平台收集信息,逐渐的形成控制,然后再把这部分服务卖出去。云储能有引用,爱尔兰做了压缩空气储能,压缩空气储能太大,300MW,爱尔兰整体负荷4000多MW,它太大了,没有一个用户单独使用,它把储能卖给很多风电场,实现云的服务。另外,我们参与芬兰的330MW的压缩空气储能的项目,这是云储能商业模式的设计,但是空气储能跟锂电池还不一样,空气储能的特点是比锂电池便宜很多,但是容量很大,要分开卖。大家可以在网上下载下来,这些论文都可以免费下载。

我们的工作作为亮点,国外也进行了报道。

以上就是我的介绍。感谢大家!

(本文根据现场录音整理,内容来自康重庆、张宁,未经本人审核)

关键字:云储能

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