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近年來,隨著電池儲能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,中國電池儲能技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出了大規(guī)模集成與分布式應(yīng)用并存,多目標(biāo)協(xié)同應(yīng)用的特征和趨勢。在分析國內(nèi)外電池儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對新能源功率輸出平抑、計(jì)劃出力跟蹤等新能源發(fā)電側(cè)應(yīng)用場景,電網(wǎng)頻率調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化等輸電側(cè)應(yīng)用場景,以及分布式、移動式儲能等在配電側(cè)的應(yīng)用場景,對國內(nèi)外近些年來電池儲能應(yīng)用的研究成果及現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并對未來大規(guī)模電池儲能電站的運(yùn)行控制方法和應(yīng)用前景做出了展望。
引言
為促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級,實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展,近年來,我國大力發(fā)展清潔能源,風(fēng)電、光伏實(shí)現(xiàn)跨越式大發(fā)展,新能源裝機(jī)容量占比日益提高。然而,在清潔能源高速發(fā)展的同時,波動性、間歇式新能源的并網(wǎng)給電網(wǎng)從調(diào)控運(yùn)行,安全控制等諸多方面帶來了不利影響,極大地限制了清潔能源的有效利用。電池儲能電站可與分布/集中式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用,是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)問題的有效途徑之一,將隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益增大以及電池儲能技術(shù)的不斷發(fā)展,成為支撐我國清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大關(guān)鍵技術(shù)。
電池儲能作為電能存儲的重要方式,具有功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置,響應(yīng)速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網(wǎng),電網(wǎng)運(yùn)行輔助等方面具有不可替代的地位。而與此同時,隨著近些年來電動汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,電池制造及應(yīng)用相關(guān)技術(shù)得到了長足的進(jìn)步,電池的使用壽命和成本問題也得到了進(jìn)一步改善,這些都使得電池儲能成為目前最受關(guān)注,發(fā)展最為迅速的儲能技術(shù)類型。
傳統(tǒng)小規(guī)模電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)因其容量有限往往只能應(yīng)用于分布式新能源發(fā)電并網(wǎng)的功率輸出平抑,然而隨著電池儲能規(guī)模的不斷增大,十兆瓦級甚至百兆瓦級電池儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到更多的積極作用。而隨著電動汽車以及智能交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,移動式儲能在配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理等方面也將扮演更加重要的角色。在上述背景下,大規(guī)模集成與分布式應(yīng)用并存的儲能系統(tǒng)將存在著多種應(yīng)用模式和多樣化應(yīng)用目標(biāo),如何保證集中/分布式新能源高效平穩(wěn)電力送出的同時,兼顧儲能電站在新能源并網(wǎng)支持、電網(wǎng)安全控制輔助方面的積極作用,實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多層次的協(xié)同優(yōu)化控制與高效運(yùn)行維護(hù)是未來電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要目標(biāo)。為此,本文將在分析國內(nèi)外電池儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配用電側(cè)的多方面應(yīng)用研究成果及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并對未來大規(guī)模電池儲能電站的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用前景和運(yùn)行模式等做出展望。
1 電池儲能電站發(fā)展概況
儲能技術(shù)具有極高的戰(zhàn)略地位,世界各國一直都在不斷支持儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用。日本、美國等發(fā)達(dá)國家電池儲能電站技術(shù)發(fā)展較早,如今已得到了一些應(yīng)用,中國近些年來在國家政策的支持下也取得了較快的發(fā)展。國內(nèi)外在大規(guī)模電池儲能電站的運(yùn)行控制與應(yīng)用方面均存在著不少成功的實(shí)際工程案例。如應(yīng)用于日本青森縣風(fēng)電場的NGK公司的34 MW/245 MW•h鈉硫電池儲能電站,美國SDG&E Escondido 30 MW/ 120 MW•h鋰離子電池儲能項(xiàng)目,以及中國張北風(fēng)光儲輸示范工程(一期)20 MW/84 MW•h多類型電池儲能電站等。這些工程應(yīng)用中,電池儲能電站的電池類型和應(yīng)用場景都不盡相同,表1中給出了近年來國內(nèi)外10 MW級規(guī)模的典型電池儲能示范工程概況。
表1 大規(guī)模電池儲能項(xiàng)目
表2 不同電池比較
從表1中可以看出,在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中,鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等均可作為電池儲能系統(tǒng)的組成單元。它們因其不同的安全性、能量密度、循環(huán)壽命和成本等(如表2所示)具有不同的應(yīng)用場景。
從電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,國內(nèi)外電力行業(yè)均十分重視電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電并網(wǎng)以及電網(wǎng)運(yùn)行控制當(dāng)中的積極作用。據(jù)報(bào)道,國內(nèi)外多個百兆瓦級或百兆瓦時級電池儲能電站也在規(guī)劃當(dāng)中,將在不久的將來建成投產(chǎn)。而電動汽車及智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展也使得移動式儲能載體在電網(wǎng)中的應(yīng)用可期。屆時,電池儲能系統(tǒng)將存在著大規(guī)模集中式、分布式以及移動式等不同集成與應(yīng)用模式,如何對其開展多目標(biāo)、多層次的運(yùn)行控制與智能化管理,國內(nèi)外研究人員將對其開展深入研究。
2 電池儲能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用
2.1 平滑出力波動
由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快等特點(diǎn),大容量的新能源發(fā)電裝置直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制帶來較大影響,甚至直接引發(fā)一些安全穩(wěn)定事故。利用電池儲能裝置與可再生能源發(fā)電裝置聯(lián)合運(yùn)行,可使隨機(jī)變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的輸出,有利于滿足并網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)要求。
關(guān)于電池儲能系統(tǒng)平滑新能源發(fā)電應(yīng)用,國內(nèi)外開展了許多理論方法研究與分析驗(yàn)證。文獻(xiàn)[15]對儲能平抑新能源發(fā)電做了詳細(xì)的綜述,認(rèn)為儲能類型的選取、儲能系統(tǒng)的功率和容量配置、波動平抑控制算法以及儲能系統(tǒng)能量管理是儲能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源發(fā)電平抑時需要重點(diǎn)考慮的4個方面。該文獻(xiàn)較為全面的綜述了儲能平滑新能源發(fā)電的研究現(xiàn)狀。而文獻(xiàn)[16-17]則從實(shí)際工程出發(fā),對風(fēng)光儲系統(tǒng)中儲能裝置對風(fēng)電和光伏出力的平抑過程從儲能集成架構(gòu)、算法原理和能量管理系統(tǒng)等角度做出了詳細(xì)的分析,驗(yàn)證了所提出就地控制與協(xié)同控制相結(jié)合的能量管理系統(tǒng)在平抑新能源發(fā)電方面的有效性。如何在平滑新能源出力波動的同時考慮儲能單元充放電特性,保障電池的健康穩(wěn)定運(yùn)行則是大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。文獻(xiàn)[18-19]針對風(fēng)電、光伏大規(guī)模集中接入電網(wǎng)引起的功率波動問題,分別基于模型預(yù)測控制(model predictive control,MPC)和波動率智能化分段控制平滑時間常數(shù)提出了相應(yīng)的儲能系統(tǒng)控制策略,且在控制過程中均引入電池充電狀態(tài)(state of ge,SOC)等參數(shù),以確保儲能單元的健康和穩(wěn)定。
從現(xiàn)有研究成果可知,電池儲能系統(tǒng)對于平抑新能源發(fā)電出力波動具有顯著效果,而新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時,電網(wǎng)對其出力波動率的考核指標(biāo)是合理制定控制策略的核心問題。因此將出力波動率作為輸入變量,進(jìn)行閉環(huán)控制是解決其優(yōu)化控制問題的關(guān)鍵。如文獻(xiàn)[20]對新能源發(fā)電出力波動效果進(jìn)行了反饋控制,基于自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃理論進(jìn)一步優(yōu)化了平滑發(fā)電的控制效果,達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。目前電網(wǎng)對風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電并網(wǎng)時的出力波動率考核指標(biāo)相對寬松(具體參見國家標(biāo)準(zhǔn)[21-22]),將出力波動率作為約束條件之一,與跟蹤發(fā)電計(jì)劃出力偏差等新能源發(fā)電的其他并網(wǎng)約束條件復(fù)合考慮,開展儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制方法研究,并提出經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行控制與能量管理方法是該領(lǐng)域未來需要重點(diǎn)研究的問題。
2.2 跟蹤出力和經(jīng)濟(jì)調(diào)度
新能源發(fā)電系統(tǒng)的出力普遍呈現(xiàn)出極強(qiáng)的間歇性,且極難準(zhǔn)確預(yù)測,如何制定科學(xué)合理的日前、日內(nèi)及超短期(實(shí)時)出力計(jì)劃,在滿足調(diào)度及儲能約束的前提下保證新能源的高效輸出是該問題的關(guān)鍵所在。
在出力計(jì)劃跟蹤方面,當(dāng)前研究主要可分為日前、日內(nèi)以及實(shí)時出力計(jì)劃跟蹤3個方面。針對日前出力計(jì)劃,大量文獻(xiàn)分別針對有功功率計(jì)劃和無功功率計(jì)劃提出了儲能裝置對新能源發(fā)電出力的補(bǔ)償控制方法,取得了削峰填谷,改善潮流的良好效果。針對日內(nèi)出力計(jì)劃,主要工作集中在如何引入基于實(shí)時電價(jià)、負(fù)載需求和新能源出力等因素構(gòu)建出最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù),在最大程度跟蹤出力計(jì)劃的同時實(shí)現(xiàn)延長電池使用壽命等附加目標(biāo)。而針對實(shí)時出力計(jì)劃的跟蹤方案,則更多地將減少日前短期新能源出力預(yù)測誤差作為其控制目標(biāo)。
電池儲能系統(tǒng)對于提高新能源發(fā)電的調(diào)度計(jì)劃跟蹤能力、提高新能源利用率具有重要的作用,如何將不同時間尺度的出力計(jì)劃跟蹤控制策略進(jìn)行有效協(xié)調(diào)融合,提高電池儲能系統(tǒng)計(jì)劃跟蹤性能是該領(lǐng)域需要進(jìn)一步探索的研究方向。
2.3 參與電源的調(diào)頻與調(diào)壓
電池儲能系統(tǒng)安裝在發(fā)電側(cè)時具有四象限調(diào)節(jié)能力,能夠靈活地對有功、無功的輸入和輸出進(jìn)行調(diào)整,因而對于增強(qiáng)發(fā)電側(cè)頻率和電壓調(diào)節(jié)能力,改善并網(wǎng)電能質(zhì)量具有重要意義。
通過儲能系統(tǒng)改善發(fā)電側(cè)頻率、電壓調(diào)節(jié)能力在新能源電源和傳統(tǒng)電源中均有應(yīng)用。在新能源發(fā)電側(cè),文獻(xiàn)[32]通過提出基于限轉(zhuǎn)矩控制的慣量控制方法實(shí)現(xiàn)了電池儲能系統(tǒng)與永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制,較好地提升了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)過程的暫態(tài)頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[33-34]等則針對波動性較大的新能源發(fā)電帶來的電壓波動與閃變等問題,提出了儲能裝置無功及電壓調(diào)節(jié)方法,實(shí)現(xiàn)了在并網(wǎng)點(diǎn)無功就地補(bǔ)償?shù)哪康摹６趥鹘y(tǒng)電源發(fā)電側(cè),文獻(xiàn)[35-36]等針對傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組提出了通過電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行輔助調(diào)頻的方法,以提高傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組的AGC性能,其技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益已通過現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),證明了儲能系統(tǒng)對于改善發(fā)電機(jī)組調(diào)頻能力的作用。
從上述文獻(xiàn)可以看出,儲能系統(tǒng)通過配合適當(dāng)?shù)某隽φ{(diào)度控制,在提高新能源接納能力,改善新能源與傳統(tǒng)電源的發(fā)電性能與并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性,增強(qiáng)發(fā)電側(cè)頻率和電壓調(diào)節(jié)能力等多方面具有重要作用。
3 電池儲能系統(tǒng)在輸電側(cè)的應(yīng)用
3.1 參與系統(tǒng)調(diào)頻
除了在電源側(cè)通過并入電池儲能系統(tǒng)輔助改善發(fā)電機(jī)組AGC性能,提高機(jī)組頻率調(diào)節(jié)能力之外,隨著大規(guī)模集中式以及分布式電池儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展以及容量的不斷擴(kuò)大,電池儲能系統(tǒng)通過直接并入電網(wǎng)側(cè)對頻率異常狀態(tài)的主網(wǎng)進(jìn)行干預(yù)控制,也逐漸成為部分發(fā)達(dá)地區(qū)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制的有效手段。
目前,電池儲能系統(tǒng)通過集中式并入電網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)頻已經(jīng)具備了一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用示范。文獻(xiàn)[39]對大規(guī)模儲能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻研究進(jìn)行了綜述,從必要性與可行性分析、儲能控制策略、容量配置及經(jīng)濟(jì)性評估、儲能與傳統(tǒng)調(diào)頻電源的聯(lián)合運(yùn)行等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹,說明了儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的可行性與必要性。文獻(xiàn)[40]則針對電池儲能參與調(diào)頻的動作時機(jī)與容量配置問題,提出一種包含虛擬慣性控制和虛擬下垂控制模式的儲能綜合控制方法,并給出了相關(guān)動作時機(jī)及其應(yīng)當(dāng)采取的控制模式,對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定起到了較好的支撐作用。相對于集中式接入方式,分布式電池儲能系統(tǒng)通過聚合作用參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究則相對滯后。文獻(xiàn)[41]介紹了一種分布式儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的方法,并利用快速傅里葉變換提取了意大利電網(wǎng)典型頻率波動工況,測試所提出分布式儲能系統(tǒng)在一次調(diào)頻當(dāng)中的作用,并取得了一定的效果。文獻(xiàn)[42]提出了一種含區(qū)域主機(jī)的分布式電池儲能裝置協(xié)調(diào)控制方案,在區(qū)域主機(jī)的協(xié)調(diào)下,各分布式儲能裝置通過聚合效應(yīng)對系統(tǒng)頻率和電壓實(shí)現(xiàn)了有效的支撐。因目前尚缺乏普遍認(rèn)可的分布式儲能裝置協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制架構(gòu)和策略,基于分布式儲能裝置的系統(tǒng)頻率支撐方案仍處于理論研究階段。
隨著儲能系統(tǒng)接入規(guī)模的不斷擴(kuò)大,未來儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)頻率支撐領(lǐng)域的作用也將越來越大,在進(jìn)一步研究適應(yīng)大規(guī)模電池儲能電站的頻率控制策略的同時,充分利用未來廣泛存在的分布式儲能裝置,提出相應(yīng)的聚合控制方法,是該領(lǐng)域的重要未來發(fā)展方向之一。
3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)潮流分布
隨著具有波動性和間歇性的可再生能源大規(guī)模并入電網(wǎng),針對全網(wǎng)的有功和無功潮流調(diào)度及優(yōu)化變得愈加困難,新能源外送線路的輸送能力也因此受到了較大的影響。如何協(xié)調(diào)傳統(tǒng)電源、新能源以及儲能系統(tǒng)的出力分配,實(shí)現(xiàn)有功和無功潮流的全網(wǎng)優(yōu)化分配,對于提高網(wǎng)絡(luò)安全水平,提升線路輸送容量具有重要意義。
如何構(gòu)建含電池儲能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化模型是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。為此,眾多文獻(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)濟(jì)性等為目標(biāo),對不同的儲能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和求解。文獻(xiàn)[45]針對含高壓直流輸電線路(high voltage direct current transmission,HVDC)的火風(fēng)光儲混合能源系統(tǒng),以全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),提出了一種基于GAME理論的新型功率分配調(diào)整調(diào)度策略,通過建立懲罰函數(shù),構(gòu)建了儲能系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)的潮流分配策略,實(shí)現(xiàn)了潮流在全網(wǎng)范圍內(nèi)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)分配。文獻(xiàn)[46]提出一種包含電池儲能和統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化模型,所求解控制器可在實(shí)現(xiàn)有功電源的最優(yōu)容量的同時獲取線路最小化功率傳輸角,實(shí)現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)的有功電源功率調(diào)度。文獻(xiàn)[47]針對含風(fēng)電的儲能并網(wǎng)系統(tǒng),在建立儲能系統(tǒng)細(xì)化模型的基礎(chǔ)上,提出了一種含儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的滾動優(yōu)化思路,構(gòu)造了考慮規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)的多時段最優(yōu)潮流模型,并對剩余能量約束進(jìn)行了松弛與自適應(yīng)調(diào)整。上述文獻(xiàn)對具有某一典型特征的含儲能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了較好的建模分析,如何結(jié)合實(shí)際復(fù)雜大規(guī)模電力系統(tǒng)考慮不同接入方式的儲能裝置進(jìn)行建模分析卻有待進(jìn)一步深入。
大規(guī)模儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,而如何結(jié)合安穩(wěn)及調(diào)度信息,實(shí)現(xiàn)以提高輸電通道穩(wěn)定極限、提高系統(tǒng)安全水平等的多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化,仍然值得研究人員進(jìn)一步思考。
3.3 提升系統(tǒng)功角穩(wěn)定水平
儲能系統(tǒng)并入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性產(chǎn)生一系列影響,該影響一方面是通過其充放電過程改變系統(tǒng)潮流分布,另一方面,是通過虛擬同步機(jī)技術(shù)使儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬慣量與系統(tǒng)中其他發(fā)電機(jī)產(chǎn)生機(jī)電耦合作用。研究人員針對這兩方面對含儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性開展了相關(guān)研究。
電池儲能系統(tǒng)具有能快速地根據(jù)系統(tǒng)目前的狀況從系統(tǒng)吸收或向系統(tǒng)發(fā)出有功和無功功率的特點(diǎn),并且有功、無功是相互獨(dú)立的,可以同時互不干擾地進(jìn)行,因此電池儲能系統(tǒng)能夠在一定程度上影響電網(wǎng)的潮流分布。文獻(xiàn)[50]對應(yīng)用電池儲能系統(tǒng)來抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理開展了深入研究,指出電池儲能裝置的容量、接入的地點(diǎn)和控制方式、控制策略對其抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果有重要影響。然而系統(tǒng)潮流與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系與系統(tǒng)不同運(yùn)行工況密切相關(guān),如何自適應(yīng)地調(diào)整儲能系統(tǒng)控制策略仍需開展更多研究工作。儲能系統(tǒng)在引入虛擬同步機(jī)技術(shù)后同樣也能對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。虛擬同步機(jī)技術(shù)是指通過模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性,使采用變流器的電源具有同步機(jī)組的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性的技術(shù)。為分析虛擬慣量對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,文獻(xiàn)[51]建立了虛擬同步機(jī)的小信號模型,基于此模型提出了儲能物理約束的計(jì)算方法,探尋了虛擬同步機(jī)的運(yùn)行邊界。通過對不同慣量和阻尼下虛擬同步機(jī)的動態(tài)響應(yīng)特性的分析,闡釋了慣量和阻尼影響儲能物理約束的機(jī)理。該文獻(xiàn)對儲能裝置虛擬同步機(jī)性能及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析,然而儲能裝置與系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)和新能源發(fā)電設(shè)備的暫態(tài)互耦合過程以及其與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系仍然值得進(jìn)一步探索。
新能源并網(wǎng)過程對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響隨著新能源裝機(jī)比例的提高不斷增大,通過大規(guī)模電池儲能裝置減弱其影響對于提高電網(wǎng)新能源接納能力具有重要意義。
4 電池儲能系統(tǒng)在配電側(cè)中的應(yīng)用
4.1 分布式儲能應(yīng)用
隨著分布式新能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展,配電網(wǎng)的構(gòu)成元件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,如何在配電網(wǎng)中通過合理配置分布式電池儲能裝置,考慮分布式儲能的聚合效應(yīng),在保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理,是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)的重要課題。
儲能裝置作為一種補(bǔ)償配網(wǎng)系統(tǒng)功率波動的有效手段,其容量配置關(guān)系到補(bǔ)償功率波動精度和相關(guān)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),文獻(xiàn)[55]就電池儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的科學(xué)合理配置問題展開了研究,得出了分布式儲能配置可以得到更精確的容量配置和更優(yōu)的功率補(bǔ)償效果的結(jié)論?？紤]配電網(wǎng)的多方面需求,提出適合分布式儲能的控制架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其配電網(wǎng)多功能應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提,為此,文獻(xiàn)[56]針對分布式儲能系統(tǒng)提出了基于電池網(wǎng)絡(luò)的分布式電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)化管控關(guān)鍵技術(shù),為含分布式儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)運(yùn)行管理提供了一種控制架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的配電網(wǎng)能量管理是分布式電池儲能裝置的配置目標(biāo),如何優(yōu)化配電網(wǎng)中的有功、無功潮流,是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵所在。為此,研究人員對其開展了一系列研究。文獻(xiàn)[57]針對分布式儲能系統(tǒng)提出了一種多區(qū)域主動實(shí)時分散控制算法。該算法基于能夠考慮其直流有功功率限制的BESS的精確動態(tài)模型構(gòu)建而成,具備電壓支撐和線路堵塞管理等功能,而不同儲能裝置之間的溝通則通過多代理技術(shù)來實(shí)現(xiàn),該成果對分布式儲能能量管理具有較好的借鑒意義。
電池儲能系統(tǒng)對于配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理具有重要意義,如何合理地對其進(jìn)行配置,并提出與之相適應(yīng)的控制架構(gòu)對其進(jìn)行優(yōu)化控制,是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要前提和途徑。
4.2 儲能系統(tǒng)在直流微/配電網(wǎng)中的應(yīng)用
直流微/配電網(wǎng)中由于分布式發(fā)電單元輸出功率的不穩(wěn)定以及負(fù)載的突變特性,使得直流微/配電網(wǎng)的能量管理極其困難,如何在其中合理配置儲能單元,并建立安全可靠的儲能并網(wǎng)控制策略是保障直流微/配電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要關(guān)鍵技術(shù)。
直流微/配電網(wǎng)中,直流母線電壓是反映整個系統(tǒng)功率平衡的關(guān)鍵性指標(biāo),控制好直流母線電壓穩(wěn)定對于直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。文獻(xiàn)[60]針對多節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差且控制困難的問題,提出一種考慮分布式儲能參與的直流配電網(wǎng)電壓柔性控制策略,對配電網(wǎng)中的電壓無功管理取得了較好的成效。文獻(xiàn)[61]基于鋰離子電池和超級電容構(gòu)建了光伏型直流微網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng),提出了改進(jìn)型混合儲能控制策略以及針對光伏型直流微網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略,起到了調(diào)節(jié)直流母線電壓,保證直流微網(wǎng)的功率平衡的作用。文獻(xiàn)[62]提出一種適用于直流分布式儲能系統(tǒng)的基于儲能單元剩余容量SOC的改進(jìn)下垂控制方法,以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率在不同儲能單元之間的動態(tài)分配,且在該過程中考慮了直流母線電壓跌落的影響。在考慮直流微/配電網(wǎng)直流母線電壓穩(wěn)定的前提下提出合理的控制架構(gòu)和控制策略,實(shí)現(xiàn)直流微/配電網(wǎng)中的多層次能量管理需求,是該領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的重要研究目標(biāo)。
不論是電池儲能系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)用還是與超級電容裝置等組成混合儲能系統(tǒng),電池儲能技術(shù)在直流微/配電網(wǎng)中具有不可替代的地位,隨著直流微/配電網(wǎng)理論及工程應(yīng)用的不斷成熟,電池儲能裝置未來在直流微/配電網(wǎng)中也將發(fā)揮越來越大的作用。
4.3 儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中的應(yīng)用
主動配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)運(yùn)行控制、電網(wǎng)與充放電設(shè)施互動、智能配用電等電網(wǎng)分析與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的有效解決方案,電池儲能系統(tǒng)因其能量傳輸效率高,配置靈活等優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ),對提高分布式能源的利用效率和配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性意義重大。
如何將各種經(jīng)濟(jì)性因素考慮進(jìn)主動配電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化過程中是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[65]以可再生能源利用率最大、網(wǎng)絡(luò)損耗最小和用戶滿意度最高為目標(biāo)構(gòu)建了主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,提出了儲能和柔性負(fù)荷的協(xié)調(diào)優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[66]考慮分時電價(jià)和售購電價(jià)差異,以實(shí)現(xiàn)分布式電源波動功率的消納,最小化配電網(wǎng)向主網(wǎng)的購電成本為目標(biāo),提出了一種主動配電網(wǎng)中電池儲能系統(tǒng)(BESS)的運(yùn)行優(yōu)化模型,在此過程中通過計(jì)算BESS中電池循環(huán)壽命,計(jì)及BESS的等效運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)了BESS的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[67]則考慮了線路改造和新建、儲能及分布式電源的選址定容、典型日下分布式發(fā)電和儲能的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、承擔(dān)分布式發(fā)電/儲能建設(shè)投資的區(qū)域能源供應(yīng)商的營收狀況等因素,提出了一種主動配電網(wǎng)規(guī)劃-運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了主動配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述文獻(xiàn)均考慮了與經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的線損、用電成本等若干指標(biāo),在現(xiàn)場應(yīng)用中需結(jié)合主動配電網(wǎng)實(shí)際需求遴選相應(yīng)指標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型。
儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)構(gòu)建中作用巨大,如何將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、可控分布式電源、需求側(cè)響應(yīng)等更多主動配電網(wǎng)中可調(diào)度資源考慮在儲能優(yōu)化控制與調(diào)度模型之中,是未來該方向的研究重點(diǎn)之一。
4.4 V2G(Vehicle-to-Grid)技術(shù)的應(yīng)用
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,電動汽車在配電網(wǎng)中的充放電容量以及充放電過程對配電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響已不容小覷,如何通過智能配電網(wǎng)及智能交通技術(shù)對電動汽車充放電過程進(jìn)行科學(xué)有序管理,發(fā)揮電動汽車儲能載體的作用對配電網(wǎng)能量進(jìn)行優(yōu)化管理,是未來配電網(wǎng)的重要研究方向之一。
文獻(xiàn)[71-72]指出,未來電動汽車(electric vehicle,EV)的大規(guī)模接入,將給電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行帶來不可忽視的影響,電動汽車與電網(wǎng)互動可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷、參與調(diào)頻、提供備用等作用,對于電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高新能源發(fā)電消納能力具有重要意義。文獻(xiàn)[73-74]綜合考慮電網(wǎng)約束、電池約束、車主使用需求,提出了電動汽車分布式儲能的控制策略,使得電動汽車實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的信息雙向交換和與能量雙相交換。
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,V2G技術(shù)將具有廣闊的應(yīng)用前景,然而該領(lǐng)域研究工作尚停留在理論框架構(gòu)建和應(yīng)用模式探索階段,缺乏較為成熟的技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法,急需對其展開持續(xù)深入的研究。
4.5 移動式儲能裝置的并網(wǎng)應(yīng)用
依據(jù)不同并離網(wǎng)接入需求,移動式電池儲能裝置可在配電網(wǎng)中靈活配置和應(yīng)用,而研究適用于不同電壓等級和應(yīng)用模式的系統(tǒng)集成與接口配置技術(shù)是關(guān)鍵問題之一,以確保其高效、靈活、可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[75]考慮季節(jié)性用電負(fù)荷對配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量影響,提出了一種移動式電池儲能車的系統(tǒng)集成與接入、控制應(yīng)用方法,分析論證了其在福建某茶區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果,相關(guān)技術(shù)成果為移動式電池儲能裝置在配電網(wǎng)靈活應(yīng)用提供了一種有益借鑒。文獻(xiàn)[76]考慮配電網(wǎng)中低壓三相線路覆冰災(zāi)害時的融冰需求,以移動式電池儲能系統(tǒng)主要設(shè)備的總成本最小為目標(biāo),提出了一種移動式電池儲能直流融冰裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功率/容量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以福建省部分山區(qū)冰區(qū)分布以及相關(guān)配電網(wǎng)覆冰線路融冰處理效果的計(jì)算分析可知,該方法具有可行性,通過精確計(jì)算直流熱力融冰電流值可進(jìn)一步優(yōu)化移動式電池儲能裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。目前移動式電池儲能裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、靈活接入以及應(yīng)用模式等相關(guān)研究尚處于發(fā)展階段,缺乏系列化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系與應(yīng)用規(guī)范,亟待深入研究。
5 未來電池儲能電站的應(yīng)用前景和集成應(yīng)用模式展望
十二五期間,國內(nèi)研發(fā)了兆瓦~十兆瓦級電池儲能電站,主要用于解決發(fā)電側(cè)的風(fēng)電場、光伏發(fā)電站接入點(diǎn)的場站級出力品質(zhì)控制問題,以提高接入點(diǎn)的并網(wǎng)友好性。然而,針對新能源發(fā)電基地級別的送出與消納以及針對區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰容量不足、暫態(tài)電壓支撐等問題,十兆瓦級規(guī)模的電池儲能電站已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此,配置百兆瓦級的大型電池儲能電站已成為當(dāng)下新能源發(fā)展過程中的當(dāng)務(wù)之急。
但是百兆瓦級電池儲能電站有別于傳統(tǒng)十兆瓦級儲能電站,下述問題需重點(diǎn)關(guān)注并解決：1)儲能子系統(tǒng)(單機(jī))設(shè)計(jì)容量將提高,且儲能子系統(tǒng)接入的電壓等級也將提高,導(dǎo)致電站集成方式發(fā)生改變,現(xiàn)有十兆瓦級儲能電站的集成方案與控制方法,不適用于百兆瓦級電池儲能電站。2)百兆瓦級電池儲能單元設(shè)備與控制單元增多,由于復(fù)雜多變的熱、電、磁場等影響因素實(shí)時分布式到每個儲能子系統(tǒng),導(dǎo)致多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的儲能子系統(tǒng)個體離散化問題突出,系統(tǒng)穩(wěn)定與暫態(tài)轉(zhuǎn)換過程中各儲能子系統(tǒng)的性能差異及交叉耦合程度更高,相互影響與干擾更加復(fù)雜。3)十兆瓦級儲能電站電池單體數(shù)達(dá)到十萬級,與此相比,百兆瓦級電池儲能電站電池單體個數(shù)將達(dá)到百萬級,其通信結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,對多個控制單元監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制難度加大。此外,百兆瓦級電池儲能電站,對多個儲能子系統(tǒng)控制單元間互知、儲能子系統(tǒng)控制單元與上層控制層之間互知等提出了新的需求。而現(xiàn)有基于生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的信息交互處理能力以及通信架構(gòu),將難以滿足百兆瓦級儲能電站全功率響應(yīng)時間以及出力精度要求。因此,需提出適用于百兆瓦級儲能電站的新型控制架構(gòu)與整體控制方法。4)百兆瓦級電池儲能電站的運(yùn)行可靠性問題將更加突出,需研究儲能子系統(tǒng)集群并聯(lián)運(yùn)行暫態(tài)過程以及一致性機(jī)理,以提升儲能電站一致性控制與運(yùn)行性能。
此外,傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)因容量有限往往只能適應(yīng)單一的控制目標(biāo),實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)或者電網(wǎng)輔助控制中獨(dú)立的某項(xiàng)功能。而隨著大規(guī)模、超/特大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè),以及分布式、移動即插即用式電池儲能系統(tǒng)的不斷發(fā)展,電池儲能系統(tǒng)具備了多目標(biāo)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的能力,除了應(yīng)具備新能源發(fā)電側(cè)、配用電側(cè)的應(yīng)用功能外,還應(yīng)在相應(yīng)約束條件下盡可能地為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供積極作用。為此,筆者認(rèn)為未來大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用需要從以下幾個方面重點(diǎn)開展一些工作：
1)從大規(guī)模儲能電池的設(shè)計(jì)、集成、安裝、運(yùn)行、監(jiān)控等生產(chǎn)運(yùn)行全過程,充分重視電池的安全問題,提出不同類型儲能系統(tǒng)的安全邊界,對可能出現(xiàn)的電池過熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設(shè)計(jì)具有充分可靠性的安全措施,避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。
2)充分考慮大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)數(shù)量龐大的儲能單元及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,提出站域集中管理與子系統(tǒng)分區(qū)自治相結(jié)合的大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲能電站優(yōu)化控制架構(gòu),從根本上解決各儲能單元差異性與應(yīng)用目標(biāo)統(tǒng)一性之間的矛盾,全面提升電池儲能系統(tǒng)的綜合管控能力。
3)有效利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方法,兼顧歷史和實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)診斷與分析,性能衰減與安全預(yù)警等,確保大規(guī)模集中/分布式電池儲能電站安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
4)針對大規(guī)模集中/分布式電池儲能電站與集中/分布式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用場景,考慮智能化運(yùn)行調(diào)度、安全穩(wěn)定控制、全壽命周期管理、多目標(biāo)控制管理、運(yùn)行效益最優(yōu)等多方面需求,提出不同集成架構(gòu)下的電池儲能電站多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制方法,破解不同形式電池儲能系統(tǒng)能量管理與科學(xué)控制的難題。
5)考慮大規(guī)模集中/分布式電池儲能系統(tǒng)可能由不同種類、不同壽命階段的電池儲能單元/梯次利用動力電池儲能單元等混合集成,研究并揭示上述多類型電池儲能電站中不同類型儲能單元健康狀態(tài)、性能衰減、充放電倍率的差異特性,分析各電池單元動態(tài)連接后的充放電特性,提出針對不同類型電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)、智能、差異化的充放電控制方法,解決電池優(yōu)化管理難題。
6)從電池儲能模塊級、裝置級和系統(tǒng)級等不同層面,研究不同類型大容量電池儲能技術(shù)的充放電特性、工況適用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性評估方法,掌握先進(jìn)大容量儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的量化分析與綜合評估方法,支撐電池儲能技術(shù)的深入研究和工程化應(yīng)用。
7)對集中式、分布式、可移動集裝箱式等不同接入方式以及超/特大規(guī)模電池儲能系統(tǒng),構(gòu)建信息物理充分融合的半實(shí)物仿真平臺,結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù),形成電池儲能系統(tǒng)的超級建模方法,驗(yàn)證儲能在電網(wǎng)不同環(huán)節(jié)不同場景下的應(yīng)用模式和控制方法。
8)大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)集中式接入以及分布式電池儲能系統(tǒng)規(guī)模化聚合后,均將成為電網(wǎng)中一種不容忽視的可調(diào)控手段,通過研究電池儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)安穩(wěn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合方案,將有效增強(qiáng)和改善電網(wǎng)安全三道防線在抵御電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的能力。
9)結(jié)合分布式、集中式、可移動式等不同集成方式,發(fā)、輸、配用電等不同應(yīng)用場景,考慮以綠證、綠色標(biāo)簽等為體現(xiàn)形式的可再生能源配額制對上網(wǎng)電價(jià)、競價(jià)機(jī)制、交易模式等的不同影響,開展基于電力市場環(huán)境的儲能設(shè)備選址選點(diǎn)、規(guī)劃布局、功率/容量優(yōu)化配置以及商業(yè)化運(yùn)行方法/模式研究,探索在電力市場輔助服務(wù)中如何提高儲能系統(tǒng)規(guī)劃布局與并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,并量化、規(guī)范相關(guān)指標(biāo)。
6 結(jié)語
本文對電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行控制與應(yīng)用方法開展了系統(tǒng)的研究和綜述,主要結(jié)論如下：
1)分析了電池儲能電站的發(fā)展概況,從國內(nèi)外的工程實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā),介紹了電池儲能電站在新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)安全控制等領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用。
2)從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)三個方面對電池儲能電站在不同場景下的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述和分析,一定程度上闡明了電池儲能電站在各研究領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀、問題、及未來研究方向。依托大規(guī)模電池儲能電站工程應(yīng)用驗(yàn)證可知,目前國內(nèi)十兆瓦級集中式電池儲能電站響應(yīng)時間小于1 s,出力控制偏差小于1.5%,滿足平滑新能源發(fā)電出力、跟蹤調(diào)度發(fā)電計(jì)劃出力等并網(wǎng)應(yīng)用需求。但是針對百兆瓦級電池儲能電站需開展深入研究,以提高電站響應(yīng)時間、爬坡率、出力控制偏差、能量可利用率等性能指標(biāo)。
3)對未來電池儲能電站的發(fā)展方向和潛在研究課題作出了展望,為電池儲能電站在集成、控制和應(yīng)用等方面的相關(guān)理論和技術(shù)發(fā)展提出了一些建議。
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引言
為促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級,實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展,近年來,我國大力發(fā)展清潔能源,風(fēng)電、光伏實(shí)現(xiàn)跨越式大發(fā)展,新能源裝機(jī)容量占比日益提高。然而,在清潔能源高速發(fā)展的同時,波動性、間歇式新能源的并網(wǎng)給電網(wǎng)從調(diào)控運(yùn)行,安全控制等諸多方面帶來了不利影響,極大地限制了清潔能源的有效利用。電池儲能電站可與分布/集中式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用,是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)問題的有效途徑之一,將隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益增大以及電池儲能技術(shù)的不斷發(fā)展,成為支撐我國清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大關(guān)鍵技術(shù)。
電池儲能作為電能存儲的重要方式,具有功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置,響應(yīng)速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網(wǎng),電網(wǎng)運(yùn)行輔助等方面具有不可替代的地位。而與此同時,隨著近些年來電動汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,電池制造及應(yīng)用相關(guān)技術(shù)得到了長足的進(jìn)步,電池的使用壽命和成本問題也得到了進(jìn)一步改善,這些都使得電池儲能成為目前最受關(guān)注,發(fā)展最為迅速的儲能技術(shù)類型。
傳統(tǒng)小規(guī)模電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)因其容量有限往往只能應(yīng)用于分布式新能源發(fā)電并網(wǎng)的功率輸出平抑,然而隨著電池儲能規(guī)模的不斷增大,十兆瓦級甚至百兆瓦級電池儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到更多的積極作用。而隨著電動汽車以及智能交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,移動式儲能在配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理等方面也將扮演更加重要的角色。在上述背景下,大規(guī)模集成與分布式應(yīng)用并存的儲能系統(tǒng)將存在著多種應(yīng)用模式和多樣化應(yīng)用目標(biāo),如何保證集中/分布式新能源高效平穩(wěn)電力送出的同時,兼顧儲能電站在新能源并網(wǎng)支持、電網(wǎng)安全控制輔助方面的積極作用,實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多層次的協(xié)同優(yōu)化控制與高效運(yùn)行維護(hù)是未來電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要目標(biāo)。為此,本文將在分析國內(nèi)外電池儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配用電側(cè)的多方面應(yīng)用研究成果及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并對未來大規(guī)模電池儲能電站的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用前景和運(yùn)行模式等做出展望。
1 電池儲能電站發(fā)展概況
儲能技術(shù)具有極高的戰(zhàn)略地位,世界各國一直都在不斷支持儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用。日本、美國等發(fā)達(dá)國家電池儲能電站技術(shù)發(fā)展較早,如今已得到了一些應(yīng)用,中國近些年來在國家政策的支持下也取得了較快的發(fā)展。國內(nèi)外在大規(guī)模電池儲能電站的運(yùn)行控制與應(yīng)用方面均存在著不少成功的實(shí)際工程案例。如應(yīng)用于日本青森縣風(fēng)電場的NGK公司的34 MW/245 MW•h鈉硫電池儲能電站,美國SDG&E Escondido 30 MW/ 120 MW•h鋰離子電池儲能項(xiàng)目,以及中國張北風(fēng)光儲輸示范工程(一期)20 MW/84 MW•h多類型電池儲能電站等。這些工程應(yīng)用中,電池儲能電站的電池類型和應(yīng)用場景都不盡相同,表1中給出了近年來國內(nèi)外10 MW級規(guī)模的典型電池儲能示范工程概況。
表1 大規(guī)模電池儲能項(xiàng)目
表2 不同電池比較
從表1中可以看出,在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中,鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等均可作為電池儲能系統(tǒng)的組成單元。它們因其不同的安全性、能量密度、循環(huán)壽命和成本等(如表2所示)具有不同的應(yīng)用場景。
從電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,國內(nèi)外電力行業(yè)均十分重視電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電并網(wǎng)以及電網(wǎng)運(yùn)行控制當(dāng)中的積極作用。據(jù)報(bào)道,國內(nèi)外多個百兆瓦級或百兆瓦時級電池儲能電站也在規(guī)劃當(dāng)中,將在不久的將來建成投產(chǎn)。而電動汽車及智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展也使得移動式儲能載體在電網(wǎng)中的應(yīng)用可期。屆時,電池儲能系統(tǒng)將存在著大規(guī)模集中式、分布式以及移動式等不同集成與應(yīng)用模式,如何對其開展多目標(biāo)、多層次的運(yùn)行控制與智能化管理,國內(nèi)外研究人員將對其開展深入研究。
2 電池儲能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用
2.1 平滑出力波動
由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快等特點(diǎn),大容量的新能源發(fā)電裝置直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與控制帶來較大影響,甚至直接引發(fā)一些安全穩(wěn)定事故。利用電池儲能裝置與可再生能源發(fā)電裝置聯(lián)合運(yùn)行,可使隨機(jī)變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的輸出,有利于滿足并網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)要求。
關(guān)于電池儲能系統(tǒng)平滑新能源發(fā)電應(yīng)用,國內(nèi)外開展了許多理論方法研究與分析驗(yàn)證。文獻(xiàn)[15]對儲能平抑新能源發(fā)電做了詳細(xì)的綜述,認(rèn)為儲能類型的選取、儲能系統(tǒng)的功率和容量配置、波動平抑控制算法以及儲能系統(tǒng)能量管理是儲能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源發(fā)電平抑時需要重點(diǎn)考慮的4個方面。該文獻(xiàn)較為全面的綜述了儲能平滑新能源發(fā)電的研究現(xiàn)狀。而文獻(xiàn)[16-17]則從實(shí)際工程出發(fā),對風(fēng)光儲系統(tǒng)中儲能裝置對風(fēng)電和光伏出力的平抑過程從儲能集成架構(gòu)、算法原理和能量管理系統(tǒng)等角度做出了詳細(xì)的分析,驗(yàn)證了所提出就地控制與協(xié)同控制相結(jié)合的能量管理系統(tǒng)在平抑新能源發(fā)電方面的有效性。如何在平滑新能源出力波動的同時考慮儲能單元充放電特性,保障電池的健康穩(wěn)定運(yùn)行則是大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。文獻(xiàn)[18-19]針對風(fēng)電、光伏大規(guī)模集中接入電網(wǎng)引起的功率波動問題,分別基于模型預(yù)測控制(model predictive control,MPC)和波動率智能化分段控制平滑時間常數(shù)提出了相應(yīng)的儲能系統(tǒng)控制策略,且在控制過程中均引入電池充電狀態(tài)(state of ge,SOC)等參數(shù),以確保儲能單元的健康和穩(wěn)定。
從現(xiàn)有研究成果可知,電池儲能系統(tǒng)對于平抑新能源發(fā)電出力波動具有顯著效果,而新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時,電網(wǎng)對其出力波動率的考核指標(biāo)是合理制定控制策略的核心問題。因此將出力波動率作為輸入變量,進(jìn)行閉環(huán)控制是解決其優(yōu)化控制問題的關(guān)鍵。如文獻(xiàn)[20]對新能源發(fā)電出力波動效果進(jìn)行了反饋控制,基于自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃理論進(jìn)一步優(yōu)化了平滑發(fā)電的控制效果,達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。目前電網(wǎng)對風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電并網(wǎng)時的出力波動率考核指標(biāo)相對寬松(具體參見國家標(biāo)準(zhǔn)[21-22]),將出力波動率作為約束條件之一,與跟蹤發(fā)電計(jì)劃出力偏差等新能源發(fā)電的其他并網(wǎng)約束條件復(fù)合考慮,開展儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制方法研究,并提出經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行控制與能量管理方法是該領(lǐng)域未來需要重點(diǎn)研究的問題。
2.2 跟蹤出力和經(jīng)濟(jì)調(diào)度
新能源發(fā)電系統(tǒng)的出力普遍呈現(xiàn)出極強(qiáng)的間歇性,且極難準(zhǔn)確預(yù)測,如何制定科學(xué)合理的日前、日內(nèi)及超短期(實(shí)時)出力計(jì)劃,在滿足調(diào)度及儲能約束的前提下保證新能源的高效輸出是該問題的關(guān)鍵所在。
在出力計(jì)劃跟蹤方面,當(dāng)前研究主要可分為日前、日內(nèi)以及實(shí)時出力計(jì)劃跟蹤3個方面。針對日前出力計(jì)劃,大量文獻(xiàn)分別針對有功功率計(jì)劃和無功功率計(jì)劃提出了儲能裝置對新能源發(fā)電出力的補(bǔ)償控制方法,取得了削峰填谷,改善潮流的良好效果。針對日內(nèi)出力計(jì)劃,主要工作集中在如何引入基于實(shí)時電價(jià)、負(fù)載需求和新能源出力等因素構(gòu)建出最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù),在最大程度跟蹤出力計(jì)劃的同時實(shí)現(xiàn)延長電池使用壽命等附加目標(biāo)。而針對實(shí)時出力計(jì)劃的跟蹤方案,則更多地將減少日前短期新能源出力預(yù)測誤差作為其控制目標(biāo)。
電池儲能系統(tǒng)對于提高新能源發(fā)電的調(diào)度計(jì)劃跟蹤能力、提高新能源利用率具有重要的作用,如何將不同時間尺度的出力計(jì)劃跟蹤控制策略進(jìn)行有效協(xié)調(diào)融合,提高電池儲能系統(tǒng)計(jì)劃跟蹤性能是該領(lǐng)域需要進(jìn)一步探索的研究方向。
2.3 參與電源的調(diào)頻與調(diào)壓
電池儲能系統(tǒng)安裝在發(fā)電側(cè)時具有四象限調(diào)節(jié)能力,能夠靈活地對有功、無功的輸入和輸出進(jìn)行調(diào)整,因而對于增強(qiáng)發(fā)電側(cè)頻率和電壓調(diào)節(jié)能力,改善并網(wǎng)電能質(zhì)量具有重要意義。
通過儲能系統(tǒng)改善發(fā)電側(cè)頻率、電壓調(diào)節(jié)能力在新能源電源和傳統(tǒng)電源中均有應(yīng)用。在新能源發(fā)電側(cè),文獻(xiàn)[32]通過提出基于限轉(zhuǎn)矩控制的慣量控制方法實(shí)現(xiàn)了電池儲能系統(tǒng)與永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制,較好地提升了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)過程的暫態(tài)頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[33-34]等則針對波動性較大的新能源發(fā)電帶來的電壓波動與閃變等問題,提出了儲能裝置無功及電壓調(diào)節(jié)方法,實(shí)現(xiàn)了在并網(wǎng)點(diǎn)無功就地補(bǔ)償?shù)哪康摹６趥鹘y(tǒng)電源發(fā)電側(cè),文獻(xiàn)[35-36]等針對傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組提出了通過電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行輔助調(diào)頻的方法,以提高傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組的AGC性能,其技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益已通過現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),證明了儲能系統(tǒng)對于改善發(fā)電機(jī)組調(diào)頻能力的作用。
從上述文獻(xiàn)可以看出,儲能系統(tǒng)通過配合適當(dāng)?shù)某隽φ{(diào)度控制,在提高新能源接納能力,改善新能源與傳統(tǒng)電源的發(fā)電性能與并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性,增強(qiáng)發(fā)電側(cè)頻率和電壓調(diào)節(jié)能力等多方面具有重要作用。
3 電池儲能系統(tǒng)在輸電側(cè)的應(yīng)用
3.1 參與系統(tǒng)調(diào)頻
除了在電源側(cè)通過并入電池儲能系統(tǒng)輔助改善發(fā)電機(jī)組AGC性能,提高機(jī)組頻率調(diào)節(jié)能力之外,隨著大規(guī)模集中式以及分布式電池儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展以及容量的不斷擴(kuò)大,電池儲能系統(tǒng)通過直接并入電網(wǎng)側(cè)對頻率異常狀態(tài)的主網(wǎng)進(jìn)行干預(yù)控制,也逐漸成為部分發(fā)達(dá)地區(qū)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制的有效手段。
目前,電池儲能系統(tǒng)通過集中式并入電網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)頻已經(jīng)具備了一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用示范。文獻(xiàn)[39]對大規(guī)模儲能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻研究進(jìn)行了綜述,從必要性與可行性分析、儲能控制策略、容量配置及經(jīng)濟(jì)性評估、儲能與傳統(tǒng)調(diào)頻電源的聯(lián)合運(yùn)行等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹,說明了儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的可行性與必要性。文獻(xiàn)[40]則針對電池儲能參與調(diào)頻的動作時機(jī)與容量配置問題,提出一種包含虛擬慣性控制和虛擬下垂控制模式的儲能綜合控制方法,并給出了相關(guān)動作時機(jī)及其應(yīng)當(dāng)采取的控制模式,對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定起到了較好的支撐作用。相對于集中式接入方式,分布式電池儲能系統(tǒng)通過聚合作用參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究則相對滯后。文獻(xiàn)[41]介紹了一種分布式儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的方法,并利用快速傅里葉變換提取了意大利電網(wǎng)典型頻率波動工況,測試所提出分布式儲能系統(tǒng)在一次調(diào)頻當(dāng)中的作用,并取得了一定的效果。文獻(xiàn)[42]提出了一種含區(qū)域主機(jī)的分布式電池儲能裝置協(xié)調(diào)控制方案,在區(qū)域主機(jī)的協(xié)調(diào)下,各分布式儲能裝置通過聚合效應(yīng)對系統(tǒng)頻率和電壓實(shí)現(xiàn)了有效的支撐。因目前尚缺乏普遍認(rèn)可的分布式儲能裝置協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制架構(gòu)和策略,基于分布式儲能裝置的系統(tǒng)頻率支撐方案仍處于理論研究階段。
隨著儲能系統(tǒng)接入規(guī)模的不斷擴(kuò)大,未來儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)頻率支撐領(lǐng)域的作用也將越來越大,在進(jìn)一步研究適應(yīng)大規(guī)模電池儲能電站的頻率控制策略的同時,充分利用未來廣泛存在的分布式儲能裝置,提出相應(yīng)的聚合控制方法,是該領(lǐng)域的重要未來發(fā)展方向之一。
3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)潮流分布
隨著具有波動性和間歇性的可再生能源大規(guī)模并入電網(wǎng),針對全網(wǎng)的有功和無功潮流調(diào)度及優(yōu)化變得愈加困難,新能源外送線路的輸送能力也因此受到了較大的影響。如何協(xié)調(diào)傳統(tǒng)電源、新能源以及儲能系統(tǒng)的出力分配,實(shí)現(xiàn)有功和無功潮流的全網(wǎng)優(yōu)化分配,對于提高網(wǎng)絡(luò)安全水平,提升線路輸送容量具有重要意義。
如何構(gòu)建含電池儲能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化模型是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。為此,眾多文獻(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)濟(jì)性等為目標(biāo),對不同的儲能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和求解。文獻(xiàn)[45]針對含高壓直流輸電線路(high voltage direct current transmission,HVDC)的火風(fēng)光儲混合能源系統(tǒng),以全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),提出了一種基于GAME理論的新型功率分配調(diào)整調(diào)度策略,通過建立懲罰函數(shù),構(gòu)建了儲能系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)的潮流分配策略,實(shí)現(xiàn)了潮流在全網(wǎng)范圍內(nèi)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)分配。文獻(xiàn)[46]提出一種包含電池儲能和統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化模型,所求解控制器可在實(shí)現(xiàn)有功電源的最優(yōu)容量的同時獲取線路最小化功率傳輸角,實(shí)現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)的有功電源功率調(diào)度。文獻(xiàn)[47]針對含風(fēng)電的儲能并網(wǎng)系統(tǒng),在建立儲能系統(tǒng)細(xì)化模型的基礎(chǔ)上,提出了一種含儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的滾動優(yōu)化思路,構(gòu)造了考慮規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)的多時段最優(yōu)潮流模型,并對剩余能量約束進(jìn)行了松弛與自適應(yīng)調(diào)整。上述文獻(xiàn)對具有某一典型特征的含儲能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了較好的建模分析,如何結(jié)合實(shí)際復(fù)雜大規(guī)模電力系統(tǒng)考慮不同接入方式的儲能裝置進(jìn)行建模分析卻有待進(jìn)一步深入。
大規(guī)模儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,而如何結(jié)合安穩(wěn)及調(diào)度信息,實(shí)現(xiàn)以提高輸電通道穩(wěn)定極限、提高系統(tǒng)安全水平等的多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化,仍然值得研究人員進(jìn)一步思考。
3.3 提升系統(tǒng)功角穩(wěn)定水平
儲能系統(tǒng)并入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性產(chǎn)生一系列影響,該影響一方面是通過其充放電過程改變系統(tǒng)潮流分布,另一方面,是通過虛擬同步機(jī)技術(shù)使儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬慣量與系統(tǒng)中其他發(fā)電機(jī)產(chǎn)生機(jī)電耦合作用。研究人員針對這兩方面對含儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性開展了相關(guān)研究。
電池儲能系統(tǒng)具有能快速地根據(jù)系統(tǒng)目前的狀況從系統(tǒng)吸收或向系統(tǒng)發(fā)出有功和無功功率的特點(diǎn),并且有功、無功是相互獨(dú)立的,可以同時互不干擾地進(jìn)行,因此電池儲能系統(tǒng)能夠在一定程度上影響電網(wǎng)的潮流分布。文獻(xiàn)[50]對應(yīng)用電池儲能系統(tǒng)來抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理開展了深入研究,指出電池儲能裝置的容量、接入的地點(diǎn)和控制方式、控制策略對其抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果有重要影響。然而系統(tǒng)潮流與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系與系統(tǒng)不同運(yùn)行工況密切相關(guān),如何自適應(yīng)地調(diào)整儲能系統(tǒng)控制策略仍需開展更多研究工作。儲能系統(tǒng)在引入虛擬同步機(jī)技術(shù)后同樣也能對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。虛擬同步機(jī)技術(shù)是指通過模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性,使采用變流器的電源具有同步機(jī)組的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性的技術(shù)。為分析虛擬慣量對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,文獻(xiàn)[51]建立了虛擬同步機(jī)的小信號模型,基于此模型提出了儲能物理約束的計(jì)算方法,探尋了虛擬同步機(jī)的運(yùn)行邊界。通過對不同慣量和阻尼下虛擬同步機(jī)的動態(tài)響應(yīng)特性的分析,闡釋了慣量和阻尼影響儲能物理約束的機(jī)理。該文獻(xiàn)對儲能裝置虛擬同步機(jī)性能及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析,然而儲能裝置與系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)和新能源發(fā)電設(shè)備的暫態(tài)互耦合過程以及其與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系仍然值得進(jìn)一步探索。
新能源并網(wǎng)過程對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響隨著新能源裝機(jī)比例的提高不斷增大,通過大規(guī)模電池儲能裝置減弱其影響對于提高電網(wǎng)新能源接納能力具有重要意義。
4 電池儲能系統(tǒng)在配電側(cè)中的應(yīng)用
4.1 分布式儲能應(yīng)用
隨著分布式新能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展,配電網(wǎng)的構(gòu)成元件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,如何在配電網(wǎng)中通過合理配置分布式電池儲能裝置,考慮分布式儲能的聚合效應(yīng),在保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理,是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)的重要課題。
儲能裝置作為一種補(bǔ)償配網(wǎng)系統(tǒng)功率波動的有效手段,其容量配置關(guān)系到補(bǔ)償功率波動精度和相關(guān)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),文獻(xiàn)[55]就電池儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的科學(xué)合理配置問題展開了研究,得出了分布式儲能配置可以得到更精確的容量配置和更優(yōu)的功率補(bǔ)償效果的結(jié)論?？紤]配電網(wǎng)的多方面需求,提出適合分布式儲能的控制架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其配電網(wǎng)多功能應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提,為此,文獻(xiàn)[56]針對分布式儲能系統(tǒng)提出了基于電池網(wǎng)絡(luò)的分布式電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)化管控關(guān)鍵技術(shù),為含分布式儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)運(yùn)行管理提供了一種控制架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的配電網(wǎng)能量管理是分布式電池儲能裝置的配置目標(biāo),如何優(yōu)化配電網(wǎng)中的有功、無功潮流,是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵所在。為此,研究人員對其開展了一系列研究。文獻(xiàn)[57]針對分布式儲能系統(tǒng)提出了一種多區(qū)域主動實(shí)時分散控制算法。該算法基于能夠考慮其直流有功功率限制的BESS的精確動態(tài)模型構(gòu)建而成,具備電壓支撐和線路堵塞管理等功能,而不同儲能裝置之間的溝通則通過多代理技術(shù)來實(shí)現(xiàn),該成果對分布式儲能能量管理具有較好的借鑒意義。
電池儲能系統(tǒng)對于配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理具有重要意義,如何合理地對其進(jìn)行配置,并提出與之相適應(yīng)的控制架構(gòu)對其進(jìn)行優(yōu)化控制,是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要前提和途徑。
4.2 儲能系統(tǒng)在直流微/配電網(wǎng)中的應(yīng)用
直流微/配電網(wǎng)中由于分布式發(fā)電單元輸出功率的不穩(wěn)定以及負(fù)載的突變特性,使得直流微/配電網(wǎng)的能量管理極其困難,如何在其中合理配置儲能單元,并建立安全可靠的儲能并網(wǎng)控制策略是保障直流微/配電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要關(guān)鍵技術(shù)。
直流微/配電網(wǎng)中,直流母線電壓是反映整個系統(tǒng)功率平衡的關(guān)鍵性指標(biāo),控制好直流母線電壓穩(wěn)定對于直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。文獻(xiàn)[60]針對多節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差且控制困難的問題,提出一種考慮分布式儲能參與的直流配電網(wǎng)電壓柔性控制策略,對配電網(wǎng)中的電壓無功管理取得了較好的成效。文獻(xiàn)[61]基于鋰離子電池和超級電容構(gòu)建了光伏型直流微網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng),提出了改進(jìn)型混合儲能控制策略以及針對光伏型直流微網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略,起到了調(diào)節(jié)直流母線電壓,保證直流微網(wǎng)的功率平衡的作用。文獻(xiàn)[62]提出一種適用于直流分布式儲能系統(tǒng)的基于儲能單元剩余容量SOC的改進(jìn)下垂控制方法,以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率在不同儲能單元之間的動態(tài)分配,且在該過程中考慮了直流母線電壓跌落的影響。在考慮直流微/配電網(wǎng)直流母線電壓穩(wěn)定的前提下提出合理的控制架構(gòu)和控制策略,實(shí)現(xiàn)直流微/配電網(wǎng)中的多層次能量管理需求,是該領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的重要研究目標(biāo)。
不論是電池儲能系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)用還是與超級電容裝置等組成混合儲能系統(tǒng),電池儲能技術(shù)在直流微/配電網(wǎng)中具有不可替代的地位,隨著直流微/配電網(wǎng)理論及工程應(yīng)用的不斷成熟,電池儲能裝置未來在直流微/配電網(wǎng)中也將發(fā)揮越來越大的作用。
4.3 儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中的應(yīng)用
主動配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)運(yùn)行控制、電網(wǎng)與充放電設(shè)施互動、智能配用電等電網(wǎng)分析與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的有效解決方案,電池儲能系統(tǒng)因其能量傳輸效率高,配置靈活等優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ),對提高分布式能源的利用效率和配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性意義重大。
如何將各種經(jīng)濟(jì)性因素考慮進(jìn)主動配電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化過程中是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[65]以可再生能源利用率最大、網(wǎng)絡(luò)損耗最小和用戶滿意度最高為目標(biāo)構(gòu)建了主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,提出了儲能和柔性負(fù)荷的協(xié)調(diào)優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[66]考慮分時電價(jià)和售購電價(jià)差異,以實(shí)現(xiàn)分布式電源波動功率的消納,最小化配電網(wǎng)向主網(wǎng)的購電成本為目標(biāo),提出了一種主動配電網(wǎng)中電池儲能系統(tǒng)(BESS)的運(yùn)行優(yōu)化模型,在此過程中通過計(jì)算BESS中電池循環(huán)壽命,計(jì)及BESS的等效運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)了BESS的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[67]則考慮了線路改造和新建、儲能及分布式電源的選址定容、典型日下分布式發(fā)電和儲能的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、承擔(dān)分布式發(fā)電/儲能建設(shè)投資的區(qū)域能源供應(yīng)商的營收狀況等因素,提出了一種主動配電網(wǎng)規(guī)劃-運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了主動配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述文獻(xiàn)均考慮了與經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的線損、用電成本等若干指標(biāo),在現(xiàn)場應(yīng)用中需結(jié)合主動配電網(wǎng)實(shí)際需求遴選相應(yīng)指標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型。
儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)構(gòu)建中作用巨大,如何將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、可控分布式電源、需求側(cè)響應(yīng)等更多主動配電網(wǎng)中可調(diào)度資源考慮在儲能優(yōu)化控制與調(diào)度模型之中,是未來該方向的研究重點(diǎn)之一。
4.4 V2G(Vehicle-to-Grid)技術(shù)的應(yīng)用
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,電動汽車在配電網(wǎng)中的充放電容量以及充放電過程對配電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響已不容小覷,如何通過智能配電網(wǎng)及智能交通技術(shù)對電動汽車充放電過程進(jìn)行科學(xué)有序管理,發(fā)揮電動汽車儲能載體的作用對配電網(wǎng)能量進(jìn)行優(yōu)化管理,是未來配電網(wǎng)的重要研究方向之一。
文獻(xiàn)[71-72]指出,未來電動汽車(electric vehicle,EV)的大規(guī)模接入,將給電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行帶來不可忽視的影響,電動汽車與電網(wǎng)互動可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷、參與調(diào)頻、提供備用等作用,對于電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高新能源發(fā)電消納能力具有重要意義。文獻(xiàn)[73-74]綜合考慮電網(wǎng)約束、電池約束、車主使用需求,提出了電動汽車分布式儲能的控制策略,使得電動汽車實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的信息雙向交換和與能量雙相交換。
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,V2G技術(shù)將具有廣闊的應(yīng)用前景,然而該領(lǐng)域研究工作尚停留在理論框架構(gòu)建和應(yīng)用模式探索階段,缺乏較為成熟的技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法,急需對其展開持續(xù)深入的研究。
4.5 移動式儲能裝置的并網(wǎng)應(yīng)用
依據(jù)不同并離網(wǎng)接入需求,移動式電池儲能裝置可在配電網(wǎng)中靈活配置和應(yīng)用,而研究適用于不同電壓等級和應(yīng)用模式的系統(tǒng)集成與接口配置技術(shù)是關(guān)鍵問題之一,以確保其高效、靈活、可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[75]考慮季節(jié)性用電負(fù)荷對配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量影響,提出了一種移動式電池儲能車的系統(tǒng)集成與接入、控制應(yīng)用方法,分析論證了其在福建某茶區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果,相關(guān)技術(shù)成果為移動式電池儲能裝置在配電網(wǎng)靈活應(yīng)用提供了一種有益借鑒。文獻(xiàn)[76]考慮配電網(wǎng)中低壓三相線路覆冰災(zāi)害時的融冰需求,以移動式電池儲能系統(tǒng)主要設(shè)備的總成本最小為目標(biāo),提出了一種移動式電池儲能直流融冰裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功率/容量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以福建省部分山區(qū)冰區(qū)分布以及相關(guān)配電網(wǎng)覆冰線路融冰處理效果的計(jì)算分析可知,該方法具有可行性,通過精確計(jì)算直流熱力融冰電流值可進(jìn)一步優(yōu)化移動式電池儲能裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。目前移動式電池儲能裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、靈活接入以及應(yīng)用模式等相關(guān)研究尚處于發(fā)展階段,缺乏系列化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系與應(yīng)用規(guī)范,亟待深入研究。
5 未來電池儲能電站的應(yīng)用前景和集成應(yīng)用模式展望
十二五期間,國內(nèi)研發(fā)了兆瓦~十兆瓦級電池儲能電站,主要用于解決發(fā)電側(cè)的風(fēng)電場、光伏發(fā)電站接入點(diǎn)的場站級出力品質(zhì)控制問題,以提高接入點(diǎn)的并網(wǎng)友好性。然而,針對新能源發(fā)電基地級別的送出與消納以及針對區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰容量不足、暫態(tài)電壓支撐等問題,十兆瓦級規(guī)模的電池儲能電站已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此,配置百兆瓦級的大型電池儲能電站已成為當(dāng)下新能源發(fā)展過程中的當(dāng)務(wù)之急。
但是百兆瓦級電池儲能電站有別于傳統(tǒng)十兆瓦級儲能電站,下述問題需重點(diǎn)關(guān)注并解決：1)儲能子系統(tǒng)(單機(jī))設(shè)計(jì)容量將提高,且儲能子系統(tǒng)接入的電壓等級也將提高,導(dǎo)致電站集成方式發(fā)生改變,現(xiàn)有十兆瓦級儲能電站的集成方案與控制方法,不適用于百兆瓦級電池儲能電站。2)百兆瓦級電池儲能單元設(shè)備與控制單元增多,由于復(fù)雜多變的熱、電、磁場等影響因素實(shí)時分布式到每個儲能子系統(tǒng),導(dǎo)致多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的儲能子系統(tǒng)個體離散化問題突出,系統(tǒng)穩(wěn)定與暫態(tài)轉(zhuǎn)換過程中各儲能子系統(tǒng)的性能差異及交叉耦合程度更高,相互影響與干擾更加復(fù)雜。3)十兆瓦級儲能電站電池單體數(shù)達(dá)到十萬級,與此相比,百兆瓦級電池儲能電站電池單體個數(shù)將達(dá)到百萬級,其通信結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,對多個控制單元監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制難度加大。此外,百兆瓦級電池儲能電站,對多個儲能子系統(tǒng)控制單元間互知、儲能子系統(tǒng)控制單元與上層控制層之間互知等提出了新的需求。而現(xiàn)有基于生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的信息交互處理能力以及通信架構(gòu),將難以滿足百兆瓦級儲能電站全功率響應(yīng)時間以及出力精度要求。因此,需提出適用于百兆瓦級儲能電站的新型控制架構(gòu)與整體控制方法。4)百兆瓦級電池儲能電站的運(yùn)行可靠性問題將更加突出,需研究儲能子系統(tǒng)集群并聯(lián)運(yùn)行暫態(tài)過程以及一致性機(jī)理,以提升儲能電站一致性控制與運(yùn)行性能。
此外,傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)因容量有限往往只能適應(yīng)單一的控制目標(biāo),實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)或者電網(wǎng)輔助控制中獨(dú)立的某項(xiàng)功能。而隨著大規(guī)模、超/特大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè),以及分布式、移動即插即用式電池儲能系統(tǒng)的不斷發(fā)展,電池儲能系統(tǒng)具備了多目標(biāo)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的能力,除了應(yīng)具備新能源發(fā)電側(cè)、配用電側(cè)的應(yīng)用功能外,還應(yīng)在相應(yīng)約束條件下盡可能地為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供積極作用。為此,筆者認(rèn)為未來大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用需要從以下幾個方面重點(diǎn)開展一些工作：
1)從大規(guī)模儲能電池的設(shè)計(jì)、集成、安裝、運(yùn)行、監(jiān)控等生產(chǎn)運(yùn)行全過程,充分重視電池的安全問題,提出不同類型儲能系統(tǒng)的安全邊界,對可能出現(xiàn)的電池過熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設(shè)計(jì)具有充分可靠性的安全措施,避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。
2)充分考慮大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)數(shù)量龐大的儲能單元及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,提出站域集中管理與子系統(tǒng)分區(qū)自治相結(jié)合的大規(guī)模/超大規(guī)模電池儲能電站優(yōu)化控制架構(gòu),從根本上解決各儲能單元差異性與應(yīng)用目標(biāo)統(tǒng)一性之間的矛盾,全面提升電池儲能系統(tǒng)的綜合管控能力。
3)有效利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方法,兼顧歷史和實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)診斷與分析,性能衰減與安全預(yù)警等,確保大規(guī)模集中/分布式電池儲能電站安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
4)針對大規(guī)模集中/分布式電池儲能電站與集中/分布式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用場景,考慮智能化運(yùn)行調(diào)度、安全穩(wěn)定控制、全壽命周期管理、多目標(biāo)控制管理、運(yùn)行效益最優(yōu)等多方面需求,提出不同集成架構(gòu)下的電池儲能電站多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制方法,破解不同形式電池儲能系統(tǒng)能量管理與科學(xué)控制的難題。
5)考慮大規(guī)模集中/分布式電池儲能系統(tǒng)可能由不同種類、不同壽命階段的電池儲能單元/梯次利用動力電池儲能單元等混合集成,研究并揭示上述多類型電池儲能電站中不同類型儲能單元健康狀態(tài)、性能衰減、充放電倍率的差異特性,分析各電池單元動態(tài)連接后的充放電特性,提出針對不同類型電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)、智能、差異化的充放電控制方法,解決電池優(yōu)化管理難題。
6)從電池儲能模塊級、裝置級和系統(tǒng)級等不同層面,研究不同類型大容量電池儲能技術(shù)的充放電特性、工況適用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性評估方法,掌握先進(jìn)大容量儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的量化分析與綜合評估方法,支撐電池儲能技術(shù)的深入研究和工程化應(yīng)用。
7)對集中式、分布式、可移動集裝箱式等不同接入方式以及超/特大規(guī)模電池儲能系統(tǒng),構(gòu)建信息物理充分融合的半實(shí)物仿真平臺,結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù),形成電池儲能系統(tǒng)的超級建模方法,驗(yàn)證儲能在電網(wǎng)不同環(huán)節(jié)不同場景下的應(yīng)用模式和控制方法。
8)大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)集中式接入以及分布式電池儲能系統(tǒng)規(guī)模化聚合后,均將成為電網(wǎng)中一種不容忽視的可調(diào)控手段,通過研究電池儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)安穩(wěn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合方案,將有效增強(qiáng)和改善電網(wǎng)安全三道防線在抵御電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的能力。
9)結(jié)合分布式、集中式、可移動式等不同集成方式,發(fā)、輸、配用電等不同應(yīng)用場景,考慮以綠證、綠色標(biāo)簽等為體現(xiàn)形式的可再生能源配額制對上網(wǎng)電價(jià)、競價(jià)機(jī)制、交易模式等的不同影響,開展基于電力市場環(huán)境的儲能設(shè)備選址選點(diǎn)、規(guī)劃布局、功率/容量優(yōu)化配置以及商業(yè)化運(yùn)行方法/模式研究,探索在電力市場輔助服務(wù)中如何提高儲能系統(tǒng)規(guī)劃布局與并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,并量化、規(guī)范相關(guān)指標(biāo)。
6 結(jié)語
本文對電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行控制與應(yīng)用方法開展了系統(tǒng)的研究和綜述,主要結(jié)論如下：
1)分析了電池儲能電站的發(fā)展概況,從國內(nèi)外的工程實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā),介紹了電池儲能電站在新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)安全控制等領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用。
2)從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)三個方面對電池儲能電站在不同場景下的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述和分析,一定程度上闡明了電池儲能電站在各研究領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀、問題、及未來研究方向。依托大規(guī)模電池儲能電站工程應(yīng)用驗(yàn)證可知,目前國內(nèi)十兆瓦級集中式電池儲能電站響應(yīng)時間小于1 s,出力控制偏差小于1.5%,滿足平滑新能源發(fā)電出力、跟蹤調(diào)度發(fā)電計(jì)劃出力等并網(wǎng)應(yīng)用需求。但是針對百兆瓦級電池儲能電站需開展深入研究,以提高電站響應(yīng)時間、爬坡率、出力控制偏差、能量可利用率等性能指標(biāo)。
3)對未來電池儲能電站的發(fā)展方向和潛在研究課題作出了展望,為電池儲能電站在集成、控制和應(yīng)用等方面的相關(guān)理論和技術(shù)發(fā)展提出了一些建議。
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