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近年來,隨著電池儲能產業的高速發展,中國電池儲能技術逐漸呈現出了大規模集成與分布式應用并存,多目標協同應用的特征和趨勢。在分析國內外電池儲能電站發展現狀的基礎上,針對新能源功率輸出平抑、計劃出力跟蹤等新能源發電側應用場景,電網頻率調整、網絡潮流優化等輸電側應用場景,以及分布式、移動式儲能等在配電側的應用場景,對國內外近些年來電池儲能應用的研究成果及現狀進行了綜述,并對未來大規模電池儲能電站的運行控制方法和應用前景做出了展望。
引言
為促進能源產業優化升級,實現清潔低碳發展,近年來,我國大力發展清潔能源,風電、光伏實現跨越式大發展,新能源裝機容量占比日益提高。然而,在清潔能源高速發展的同時,波動性、間歇式新能源的并網給電網從調控運行,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/集中式新能源發電聯合應用,是解決新能源發電并網問題的有效途徑之一,將隨著新能源發電規模的日益增大以及電池儲能技術的不斷發展,成為支撐我國清潔能源發展戰略的重大關鍵技術。
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不同應用需求靈活配置,響應速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規模應用和批量化生產等優勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網,電網運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業的高速發展,電池制造及應用相關技術得到了長足的進步,電池的使用壽命和成本問題也得到了進一步改善,這些都使得電池儲能成為目前最受關注,發展最為迅速的儲能技術類型。
傳統小規模電池儲能系統(battery energy storage system,BESS)因其容量有限往往只能應用于分布式新能源發電并網的功率輸出平抑,然而隨著電池儲能規模的不斷增大,十兆瓦級甚至百兆瓦級電池儲能系統的出現能夠對電網安全穩定運行起到更多的積極作用。而隨著電動汽車以及智能交通產業的高速發展,移動式儲能在配電網能量優化管理等方面也將扮演更加重要的角色。在上述背景下,大規模集成與分布式應用并存的儲能系統將存在著多種應用模式和多樣化應用目標,如何保證集中/分布式新能源高效平穩電力送出的同時,兼顧儲能電站在新能源并網支持、電網安全控制輔助方面的積極作用,實現多目標、多層次的協同優化控制與高效運行維護是未來電池儲能系統發展的重要目標。為此,本文將在分析國內外電池儲能電站發展現狀的基礎上,對國內外電池儲能系統在新能源發電側、輸電側、配用電側的多方面應用研究成果及發展現狀進行綜述,并對未來大規模電池儲能電站的關鍵技術、應用前景和運行模式等做出展望。
1 電池儲能電站發展概況
儲能技術具有極高的戰略地位,世界各國一直都在不斷支持儲能技術的研究和應用。日本、美國等發達國家電池儲能電站技術發展較早,如今已得到了一些應用,中國近些年來在國家政策的支持下也取得了較快的發展。國內外在大規模電池儲能電站的運行控制與應用方面均存在著不少成功的實際工程案例。如應用于日本青森縣風電場的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鋰離子電池儲能項目,以及中國張北風光儲輸示范工程(一期)20 MW/84 MW•h多類型電池儲能電站等。這些工程應用中,電池儲能電站的電池類型和應用場景都不盡相同,表1中給出了近年來國內外10 MW級規模的典型電池儲能示范工程概況。
表1 大規模電池儲能項目
表2 不同電池比較
從表1中可以看出,在實際工程應用當中,鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等均可作為電池儲能系統的組成單元。它們因其不同的安全性、能量密度、循環壽命和成本等(如表2所示)具有不同的應用場景。
從電池儲能系統的發展現狀可以看出,國內外電力行業均十分重視電池儲能系統在新能源發電并網以及電網運行控制當中的積極作用。據報道,國內外多個百兆瓦級或百兆瓦時級電池儲能電站也在規劃當中,將在不久的將來建成投產。而電動汽車及智能交通技術的不斷發展也使得移動式儲能載體在電網中的應用可期。屆時,電池儲能系統將存在著大規模集中式、分布式以及移動式等不同集成與應用模式,如何對其開展多目標、多層次的運行控制與智能化管理,國內外研究人員將對其開展深入研究。
2 電池儲能系統在發電側的應用
2.1 平滑出力波動
由于風力發電和光伏發電等新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點,大容量的新能源發電裝置直接并網會對電網調度運行與控制帶來較大影響,甚至直接引發一些安全穩定事故。利用電池儲能裝置與可再生能源發電裝置聯合運行,可使隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出,有利于滿足并網的各項技術要求。
關于電池儲能系統平滑新能源發電應用,國內外開展了許多理論方法研究與分析驗證。文獻[15]對儲能平抑新能源發電做了詳細的綜述,認為儲能類型的選取、儲能系統的功率和容量配置、波動平抑控制算法以及儲能系統能量管理是儲能系統應用于新能源發電平抑時需要重點考慮的4個方面。該文獻較為全面的綜述了儲能平滑新能源發電的研究現狀。而文獻[16-17]則從實際工程出發,對風光儲系統中儲能裝置對風電和光伏出力的平抑過程從儲能集成架構、算法原理和能量管理系統等角度做出了詳細的分析,驗證了所提出就地控制與協同控制相結合的能量管理系統在平抑新能源發電方面的有效性。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,保障電池的健康穩定運行則是大規模電池儲能系統經濟運行的必要條件。文獻[18-19]針對風電、光伏大規模集中接入電網引起的功率波動問題,分別基于模型預測控制(model predictive control,MPC)和波動率智能化分段控制平滑時間常數提出了相應的儲能系統控制策略,且在控制過程中均引入電池充電狀態(state of ge,SOC)等參數,以確保儲能單元的健康和穩定。
從現有研究成果可知,電池儲能系統對于平抑新能源發電出力波動具有顯著效果,而新能源發電并網運行時,電網對其出力波動率的考核指標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,進行閉環控制是解決其優化控制問題的關鍵。如文獻[20]對新能源發電出力波動效果進行了反饋控制,基于自適應動態規劃理論進一步優化了平滑發電的控制效果,達到了預期控制目標。目前電網對風電、光伏發電等新能源發電并網時的出力波動率考核指標相對寬松(具體參見國家標準[21-22]),將出力波動率作為約束條件之一,與跟蹤發電計劃出力偏差等新能源發電的其他并網約束條件復合考慮,開展儲能系統優化控制方法研究,并提出經濟可靠的運行控制與能量管理方法是該領域未來需要重點研究的問題。
2.2 跟蹤出力和經濟調度
新能源發電系統的出力普遍呈現出極強的間歇性,且極難準確預測,如何制定科學合理的日前、日內及超短期(實時)出力計劃,在滿足調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鍵所在。
在出力計劃跟蹤方面,當前研究主要可分為日前、日內以及實時出力計劃跟蹤3個方面。針對日前出力計劃,大量文獻分別針對有功功率計劃和無功功率計劃提出了儲能裝置對新能源發電出力的補償控制方法,取得了削峰填谷,改善潮流的良好效果。針對日內出力計劃,主要工作集中在如何引入基于實時電價、負載需求和新能源出力等因素構建出最優性能指標函數,在最大程度跟蹤出力計劃的同時實現延長電池使用壽命等附加目標。而針對實時出力計劃的跟蹤方案,則更多地將減少日前短期新能源出力預測誤差作為其控制目標。
電池儲能系統對于提高新能源發電的調度計劃跟蹤能力、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劃跟蹤控制策略進行有效協調融合,提高電池儲能系統計劃跟蹤性能是該領域需要進一步探索的研究方向。
2.3 參與電源的調頻與調壓
電池儲能系統安裝在發電側時具有四象限調節能力,能夠靈活地對有功、無功的輸入和輸出進行調整,因而對于增強發電側頻率和電壓調節能力,改善并網電能質量具有重要意義。
通過儲能系統改善發電側頻率、電壓調節能力在新能源電源和傳統電源中均有應用。在新能源發電側,文獻[32]通過提出基于限轉矩控制的慣量控制方法實現了電池儲能系統與永磁同步風力發電機之間的協調控制,較好地提升了風機并網過程的暫態頻率響應特性。文獻[33-34]等則針對波動性較大的新能源發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節方法,實現了在并網點無功就地補償的目的。而在傳統電源發電側,文獻[35-36]等針對傳統火力發電機組提出了通過電池儲能系統進行輔助調頻的方法,以提高傳統火力發電機組的AGC性能,其技術性能和經濟效益已通過現場測試結果進行了檢驗,證明了儲能系統對于改善發電機組調頻能力的作用。
從上述文獻可以看出,儲能系統通過配合適當的出力調度控制,在提高新能源接納能力,改善新能源與傳統電源的發電性能與并網經濟性,增強發電側頻率和電壓調節能力等多方面具有重要作用。
3 電池儲能系統在輸電側的應用
3.1 參與系統調頻
除了在電源側通過并入電池儲能系統輔助改善發電機組AGC性能,提高機組頻率調節能力之外,隨著大規模集中式以及分布式電池儲能系統的快速發展以及容量的不斷擴大,電池儲能系統通過直接并入電網側對頻率異常狀態的主網進行干預控制,也逐漸成為部分發達地區電網頻率穩定控制的有效手段。
目前,電池儲能系統通過集中式并入電網參與電網調頻已經具備了一定的研究基礎和應用示范。文獻[39]對大規模儲能電源參與電網調頻研究進行了綜述,從必要性與可行性分析、儲能控制策略、容量配置及經濟性評估、儲能與傳統調頻電源的聯合運行等幾方面進行了詳細介紹,說明了儲能參與電網調頻的可行性與必要性。文獻[40]則針對電池儲能參與調頻的動作時機與容量配置問題,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,并給出了相關動作時機及其應當采取的控制模式,對系統頻率穩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通過聚合作用參與電網調頻的研究則相對滯后。文獻[41]介紹了一種分布式儲能系統參與電網一次調頻的方法,并利用快速傅里葉變換提取了意大利電網典型頻率波動工況,測試所提出分布式儲能系統在一次調頻當中的作用,并取得了一定的效果。文獻[42]提出了一種含區域主機的分布式電池儲能裝置協調控制方案,在區域主機的協調下,各分布式儲能裝置通過聚合效應對系統頻率和電壓實現了有效的支撐。因目前尚缺乏普遍認可的分布式儲能裝置協調統一控制架構和策略,基于分布式儲能裝置的系統頻率支撐方案仍處于理論研究階段。
隨著儲能系統接入規模的不斷擴大,未來儲能系統在系統頻率支撐領域的作用也將越來越大,在進一步研究適應大規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,提出相應的聚合控制方法,是該領域的重要未來發展方向之一。
3.2 優化網絡潮流分布
隨著具有波動性和間歇性的可再生能源大規模并入電網,針對全網的有功和無功潮流調度及優化變得愈加困難,新能源外送線路的輸送能力也因此受到了較大的影響。如何協調傳統電源、新能源以及儲能系統的出力分配,實現有功和無功潮流的全網優化分配,對于提高網絡安全水平,提升線路輸送容量具有重要意義。
如何構建含電池儲能系統的網絡潮流優化模型是該領域的研究重點。為此,眾多文獻以網絡傳輸經濟性等為目標,對不同的儲能并網系統進行了建模和求解。文獻[45]針對含高壓直流輸電線路(high voltage direct current transmission,HVDC)的火風光儲混合能源系統,以全網經濟性最優為目標,提出了一種基于GAME理論的新型功率分配調整調度策略,通過建立懲罰函數,構建了儲能系統與其他發電系統的潮流分配策略,實現了潮流在全網范圍內的最優經濟分配。文獻[46]提出一種包含電池儲能和統一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的網絡潮流優化模型,所求解控制器可在實現有功電源的最優容量的同時獲取線路最小化功率傳輸角,實現了最經濟的有功電源功率調度。文獻[47]針對含風電的儲能并網系統,在建立儲能系統細化模型的基礎上,提出了一種含儲能系統經濟調度的滾動優化思路,構造了考慮規模化儲能系統的多時段最優潮流模型,并對剩余能量約束進行了松弛與自適應調整。上述文獻對具有某一典型特征的含儲能并網系統進行了較好的建模分析,如何結合實際復雜大規模電力系統考慮不同接入方式的儲能裝置進行建模分析卻有待進一步深入。
大規模儲能系統的應用可顯著提高電網運行的經濟性,而如何結合安穩及調度信息,實現以提高輸電通道穩定極限、提高系統安全水平等的多目標網絡潮流優化,仍然值得研究人員進一步思考。
3.3 提升系統功角穩定水平
儲能系統并入電網將對電網的功角穩定性產生一系列影響,該影響一方面是通過其充放電過程改變系統潮流分布,另一方面,是通過虛擬同步機技術使儲能系統產生的虛擬慣量與系統中其他發電機產生機電耦合作用。研究人員針對這兩方面對含儲能系統的系統穩定性開展了相關研究。
電池儲能系統具有能快速地根據系統目前的狀況從系統吸收或向系統發出有功和無功功率的特點,并且有功、無功是相互獨立的,可以同時互不干擾地進行,因此電池儲能系統能夠在一定程度上影響電網的潮流分布。文獻[50]對應用電池儲能系統來抑制電力系統低頻振蕩的機理開展了深入研究,指出電池儲能裝置的容量、接入的地點和控制方式、控制策略對其抑制系統低頻振蕩的效果有重要影響。然而系統潮流與系統穩定性的關系與系統不同運行工況密切相關,如何自適應地調整儲能系統控制策略仍需開展更多研究工作。儲能系統在引入虛擬同步機技術后同樣也能對系統穩定性產生影響。虛擬同步機技術是指通過模擬同步機組的機電暫態特性,使采用變流器的電源具有同步機組的慣量、阻尼、頻率和電壓調整等運行外特性的技術。為分析虛擬慣量對系統穩定性的影響,文獻[51]建立了虛擬同步機的小信號模型,基于此模型提出了儲能物理約束的計算方法,探尋了虛擬同步機的運行邊界。通過對不同慣量和阻尼下虛擬同步機的動態響應特性的分析,闡釋了慣量和阻尼影響儲能物理約束的機理。該文獻對儲能裝置虛擬同步機性能及其影響因素進行了詳細分析,然而儲能裝置與系統內同步發電機和新能源發電設備的暫態互耦合過程以及其與系統穩定性之間的關系仍然值得進一步探索。
新能源并網過程對系統功角穩定性的影響隨著新能源裝機比例的提高不斷增大,通過大規模電池儲能裝置減弱其影響對于提高電網新能源接納能力具有重要意義。
4 電池儲能系統在配電側中的應用
4.1 分布式儲能應用
隨著分布式新能源發電和電動汽車的快速發展,配電網的構成元件和拓撲結構日趨復雜,如何在配電網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,在保證配電網安全運行的同時實現配電網能量優化管理,是一項富有挑戰的重要課題。
儲能裝置作為一種補償配網系統功率波動的有效手段,其容量配置關系到補償功率波動精度和相關經濟性指標,文獻[55]就電池儲能系統在配電網的科學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的功率補償效果的結論。考慮配電網的多方面需求,提出適合分布式儲能的控制架構是實現其配電網多功能應用的基礎和前提,為此,文獻[56]針對分布式儲能系統提出了基于電池網絡的分布式電池儲能系統架構與互聯網化管控關鍵技術,為含分布式儲能系統的配電網運行管理提供了一種控制架構。實現經濟、安全的配電網能量管理是分布式電池儲能裝置的配置目標,如何優化配電網中的有功、無功潮流,是實現該目標的關鍵所在。為此,研究人員對其開展了一系列研究。文獻[57]針對分布式儲能系統提出了一種多區域主動實時分散控制算法。該算法基于能夠考慮其直流有功功率限制的BESS的精確動態模型構建而成,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來實現,該成果對分布式儲能能量管理具有較好的借鑒意義。
電池儲能系統對于配電網能量優化管理具有重要意義,如何合理地對其進行配置,并提出與之相適應的控制架構對其進行優化控制,是實現該目標的重要前提和途徑。
4.2 儲能系統在直流微/配電網中的應用
直流微/配電網中由于分布式發電單元輸出功率的不穩定以及負載的突變特性,使得直流微/配電網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控制策略是保障直流微/配電網安全平穩運行的重要關鍵技術。
直流微/配電網中,直流母線電壓是反映整個系統功率平衡的關鍵性指標,控制好直流母線電壓穩定對于直流微電網穩定運行具有重要意義。文獻[60]針對多節點直流配電網電壓穩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電壓柔性控制策略,對配電網中的電壓無功管理取得了較好的成效。文獻[61]基于鋰離子電池和超級電容構建了光伏型直流微網的混合儲能系統,提出了改進型混合儲能控制策略以及針對光伏型直流微網的電壓分層協調控制策略,起到了調節直流母線電壓,保證直流微網的功率平衡的作用。文獻[62]提出一種適用于直流分布式儲能系統的基于儲能單元剩余容量SOC的改進下垂控制方法,以實現負荷功率在不同儲能單元之間的動態分配,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/配電網直流母線電壓穩定的前提下提出合理的控制架構和控制策略,實現直流微/配電網中的多層次能量管理需求,是該領域研究文獻的重要研究目標。
不論是電池儲能系統單獨運用還是與超級電容裝置等組成混合儲能系統,電池儲能技術在直流微/配電網中具有不可替代的地位,隨著直流微/配電網理論及工程應用的不斷成熟,電池儲能裝置未來在直流微/配電網中也將發揮越來越大的作用。
4.3 儲能系統在主動配電網中的應用
主動配電網是實現大規模間歇式新能源并網運行控制、電網與充放電設施互動、智能配用電等電網分析與運行關鍵技術的有效解決方案,電池儲能系統因其能量傳輸效率高,配置靈活等優點是實現主動配電網的重要技術基礎,對提高分布式能源的利用效率和配電網運行經濟性意義重大。
如何將各種經濟性因素考慮進主動配電網運行的優化過程中是目前該領域的研究熱點。文獻[65]以可再生能源利用率最大、網絡損耗最小和用戶滿意度最高為目標構建了主動配電網優化調度模型,提出了儲能和柔性負荷的協調優化方案。文獻[66]考慮分時電價和售購電價差異,以實現分布式電源波動功率的消納,最小化配電網向主網的購電成本為目標,提出了一種主動配電網中電池儲能系統(BESS)的運行優化模型,在此過程中通過計算BESS中電池循環壽命,計及BESS的等效運行成本,實現了BESS的經濟運行。文獻[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、典型日下分布式發電和儲能的經濟調度、承擔分布式發電/儲能建設投資的區域能源供應商的營收狀況等因素,提出了一種主動配電網規劃-運行聯合優化模型,實現了主動配電網的經濟運行。上述文獻均考慮了與經濟性相關的線損、用電成本等若干指標,在現場應用中需結合主動配電網實際需求遴選相應指標構建優化模型。
儲能系統在主動配電網構建中作用巨大,如何將網絡重構、可控分布式電源、需求側響應等更多主動配電網中可調度資源考慮在儲能優化控制與調度模型之中,是未來該方向的研究重點之一。
4.4 V2G(Vehicle-to-Grid)技術的應用
隨著電動汽車產業的快速發展,電動汽車在配電網中的充放電容量以及充放電過程對配電網安全運行的影響已不容小覷,如何通過智能配電網及智能交通技術對電動汽車充放電過程進行科學有序管理,發揮電動汽車儲能載體的作用對配電網能量進行優化管理,是未來配電網的重要研究方向之一。
文獻[71-72]指出,未來電動汽車(electric vehicle,EV)的大規模接入,將給電力系統規劃和運行帶來不可忽視的影響,電動汽車與電網互動可以實現削峰填谷、參與調頻、提供備用等作用,對于電網的安全經濟運行和提高新能源發電消納能力具有重要意義。文獻[73-74]綜合考慮電網約束、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,使得電動汽車實現了與電網的信息雙向交換和與能量雙相交換。
隨著電動汽車產業的發展,V2G技術將具有廣闊的應用前景,然而該領域研究工作尚停留在理論框架構建和應用模式探索階段,缺乏較為成熟的技術路線和實現方法,急需對其展開持續深入的研究。
4.5 移動式儲能裝置的并網應用
依據不同并離網接入需求,移動式電池儲能裝置可在配電網中靈活配置和應用,而研究適用于不同電壓等級和應用模式的系統集成與接口配置技術是關鍵問題之一,以確保其高效、靈活、可靠運行。文獻[75]考慮季節性用電負荷對配電網末端電能質量影響,提出了一種移動式電池儲能車的系統集成與接入、控制應用方法,分析論證了其在福建某茶區的實際應用效果,相關技術成果為移動式電池儲能裝置在配電網靈活應用提供了一種有益借鑒。文獻[76]考慮配電網中低壓三相線路覆冰災害時的融冰需求,以移動式電池儲能系統主要設備的總成本最小為目標,提出了一種移動式電池儲能直流融冰裝置的系統結構以及功率/容量優化設計方法。以福建省部分山區冰區分布以及相關配電網覆冰線路融冰處理效果的計算分析可知,該方法具有可行性,通過精確計算直流熱力融冰電流值可進一步優化移動式電池儲能裝置設計應用的經濟性。目前移動式電池儲能裝置的優化設計與系統集成、靈活接入以及應用模式等相關研究尚處于發展階段,缺乏系列化技術標準體系與應用規范,亟待深入研究。
5 未來電池儲能電站的應用前景和集成應用模式展望
十二五期間,國內研發了兆瓦~十兆瓦級電池儲能電站,主要用于解決發電側的風電場、光伏發電站接入點的場站級出力品質控制問題,以提高接入點的并網友好性。然而,針對新能源發電基地級別的送出與消納以及針對區域電網的調峰容量不足、暫態電壓支撐等問題,十兆瓦級規模的電池儲能電站已難以滿足實際應用需求。因此,配置百兆瓦級的大型電池儲能電站已成為當下新能源發展過程中的當務之急。
但是百兆瓦級電池儲能電站有別于傳統十兆瓦級儲能電站,下述問題需重點關注并解決：1)儲能子系統(單機)設計容量將提高,且儲能子系統接入的電壓等級也將提高,導致電站集成方式發生改變,現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備與控制單元增多,由于復雜多變的熱、電、磁場等影響因素實時分布式到每個儲能子系統,導致多機并聯運行的儲能子系統個體離散化問題突出,系統穩定與暫態轉換過程中各儲能子系統的性能差異及交叉耦合程度更高,相互影響與干擾更加復雜。3)十兆瓦級儲能電站電池單體數達到十萬級,與此相比,百兆瓦級電池儲能電站電池單體個數將達到百萬級,其通信結構更加復雜,對多個控制單元監測與協調控制難度加大。此外,百兆瓦級電池儲能電站,對多個儲能子系統控制單元間互知、儲能子系統控制單元與上層控制層之間互知等提出了新的需求。而現有基于生產自動化系統的信息交互處理能力以及通信架構,將難以滿足百兆瓦級儲能電站全功率響應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與整體控制方法。4)百兆瓦級電池儲能電站的運行可靠性問題將更加突出,需研究儲能子系統集群并聯運行暫態過程以及一致性機理,以提升儲能電站一致性控制與運行性能。
此外,傳統電池儲能系統因容量有限往往只能適應單一的控制目標,實現新能源并網或者電網輔助控制中獨立的某項功能。而隨著大規模、超/特大規模電池儲能系統的規劃和建設,以及分布式、移動即插即用式電池儲能系統的不斷發展,電池儲能系統具備了多目標協同實現的能力,除了應具備新能源發電側、配用電側的應用功能外,還應在相應約束條件下盡可能地為電網的安全、穩定、經濟運行提供積極作用。為此,筆者認為未來大規模電池儲能系統的發展與應用需要從以下幾個方面重點開展一些工作：
1)從大規模儲能電池的設計、集成、安裝、運行、監控等生產運行全過程,充分重視電池的安全問題,提出不同類型儲能系統的安全邊界,對可能出現的電池過熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設計具有充分可靠性的安全措施,避免安全生產事故的發生。
2)充分考慮大規模/超大規模電池儲能系統數量龐大的儲能單元及其網絡拓撲結構的復雜性,提出站域集中管理與子系統分區自治相結合的大規模/超大規模電池儲能電站優化控制架構,從根本上解決各儲能單元差異性與應用目標統一性之間的矛盾,全面提升電池儲能系統的綜合管控能力。
3)有效利用大數據、云計算、物聯網、人工智能等方法,兼顧歷史和實時運行數據,實現電池儲能系統實時運行狀態診斷與分析,性能衰減與安全預警等,確保大規模集中/分布式電池儲能電站安全、穩定、可靠運行。
4)針對大規模集中/分布式電池儲能電站與集中/分布式新能源發電聯合應用場景,考慮智能化運行調度、安全穩定控制、全壽命周期管理、多目標控制管理、運行效益最優等多方面需求,提出不同集成架構下的電池儲能電站多目標協同優化控制方法,破解不同形式電池儲能系統能量管理與科學控制的難題。
5)考慮大規模集中/分布式電池儲能系統可能由不同種類、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、性能衰減、充放電倍率的差異特性,分析各電池單元動態連接后的充放電特性,提出針對不同類型電池儲能系統的動態、智能、差異化的充放電控制方法,解決電池優化管理難題。
6)從電池儲能模塊級、裝置級和系統級等不同層面,研究不同類型大容量電池儲能技術的充放電特性、工況適用性、安全性及經濟性評估方法,掌握先進大容量儲能技術經濟性的量化分析與綜合評估方法,支撐電池儲能技術的深入研究和工程化應用。
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/特大規模電池儲能系統,構建信息物理充分融合的半實物仿真平臺,結合大數據、云計算技術,形成電池儲能系統的超級建模方法,驗證儲能在電網不同環節不同場景下的應用模式和控制方法。
8)大規模電池儲能系統集中式接入以及分布式電池儲能系統規模化聚合后,均將成為電網中一種不容忽視的可調控手段,通過研究電池儲能系統與傳統安穩控制系統的協調配合方案,將有效增強和改善電網安全三道防線在抵御電網風險,增強系統穩定性方面的能力。
9)結合分布式、集中式、可移動式等不同集成方式,發、輸、配用電等不同應用場景,考慮以綠證、綠色標簽等為體現形式的可再生能源配額制對上網電價、競價機制、交易模式等的不同影響,開展基于電力市場環境的儲能設備選址選點、規劃布局、功率/容量優化配置以及商業化運行方法/模式研究,探索在電力市場輔助服務中如何提高儲能系統規劃布局與并網運行的技術經濟性,并量化、規范相關指標。
6 結語
本文對電池儲能系統的運行控制與應用方法開展了系統的研究和綜述,主要結論如下：
1)分析了電池儲能電站的發展概況,從國內外的工程實際應用情況出發,介紹了電池儲能電站在新能源并網和電網安全控制等領域所發揮的重要作用。
2)從發電側、輸電側、配電側三個方面對電池儲能電站在不同場景下的應用進行了詳細的文獻綜述和分析,一定程度上闡明了電池儲能電站在各研究領域內的研究現狀、問題、及未來研究方向。依托大規模電池儲能電站工程應用驗證可知,目前國內十兆瓦級集中式電池儲能電站響應時間小于1 s,出力控制偏差小于1.5%,滿足平滑新能源發電出力、跟蹤調度發電計劃出力等并網應用需求。但是針對百兆瓦級電池儲能電站需開展深入研究,以提高電站響應時間、爬坡率、出力控制偏差、能量可利用率等性能指標。
3)對未來電池儲能電站的發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、控制和應用等方面的相關理論和技術發展提出了一些建議。
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引言
為促進能源產業優化升級,實現清潔低碳發展,近年來,我國大力發展清潔能源,風電、光伏實現跨越式大發展,新能源裝機容量占比日益提高。然而,在清潔能源高速發展的同時,波動性、間歇式新能源的并網給電網從調控運行,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/集中式新能源發電聯合應用,是解決新能源發電并網問題的有效途徑之一,將隨著新能源發電規模的日益增大以及電池儲能技術的不斷發展,成為支撐我國清潔能源發展戰略的重大關鍵技術。
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不同應用需求靈活配置,響應速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規模應用和批量化生產等優勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網,電網運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業的高速發展,電池制造及應用相關技術得到了長足的進步,電池的使用壽命和成本問題也得到了進一步改善,這些都使得電池儲能成為目前最受關注,發展最為迅速的儲能技術類型。
傳統小規模電池儲能系統(battery energy storage system,BESS)因其容量有限往往只能應用于分布式新能源發電并網的功率輸出平抑,然而隨著電池儲能規模的不斷增大,十兆瓦級甚至百兆瓦級電池儲能系統的出現能夠對電網安全穩定運行起到更多的積極作用。而隨著電動汽車以及智能交通產業的高速發展,移動式儲能在配電網能量優化管理等方面也將扮演更加重要的角色。在上述背景下,大規模集成與分布式應用并存的儲能系統將存在著多種應用模式和多樣化應用目標,如何保證集中/分布式新能源高效平穩電力送出的同時,兼顧儲能電站在新能源并網支持、電網安全控制輔助方面的積極作用,實現多目標、多層次的協同優化控制與高效運行維護是未來電池儲能系統發展的重要目標。為此,本文將在分析國內外電池儲能電站發展現狀的基礎上,對國內外電池儲能系統在新能源發電側、輸電側、配用電側的多方面應用研究成果及發展現狀進行綜述,并對未來大規模電池儲能電站的關鍵技術、應用前景和運行模式等做出展望。
1 電池儲能電站發展概況
儲能技術具有極高的戰略地位,世界各國一直都在不斷支持儲能技術的研究和應用。日本、美國等發達國家電池儲能電站技術發展較早,如今已得到了一些應用,中國近些年來在國家政策的支持下也取得了較快的發展。國內外在大規模電池儲能電站的運行控制與應用方面均存在著不少成功的實際工程案例。如應用于日本青森縣風電場的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鋰離子電池儲能項目,以及中國張北風光儲輸示范工程(一期)20 MW/84 MW•h多類型電池儲能電站等。這些工程應用中,電池儲能電站的電池類型和應用場景都不盡相同,表1中給出了近年來國內外10 MW級規模的典型電池儲能示范工程概況。
表1 大規模電池儲能項目
表2 不同電池比較
從表1中可以看出,在實際工程應用當中,鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等均可作為電池儲能系統的組成單元。它們因其不同的安全性、能量密度、循環壽命和成本等(如表2所示)具有不同的應用場景。
從電池儲能系統的發展現狀可以看出,國內外電力行業均十分重視電池儲能系統在新能源發電并網以及電網運行控制當中的積極作用。據報道,國內外多個百兆瓦級或百兆瓦時級電池儲能電站也在規劃當中,將在不久的將來建成投產。而電動汽車及智能交通技術的不斷發展也使得移動式儲能載體在電網中的應用可期。屆時,電池儲能系統將存在著大規模集中式、分布式以及移動式等不同集成與應用模式,如何對其開展多目標、多層次的運行控制與智能化管理,國內外研究人員將對其開展深入研究。
2 電池儲能系統在發電側的應用
2.1 平滑出力波動
由于風力發電和光伏發電等新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點,大容量的新能源發電裝置直接并網會對電網調度運行與控制帶來較大影響,甚至直接引發一些安全穩定事故。利用電池儲能裝置與可再生能源發電裝置聯合運行,可使隨機變化的輸出功率轉換為相對穩定的輸出,有利于滿足并網的各項技術要求。
關于電池儲能系統平滑新能源發電應用,國內外開展了許多理論方法研究與分析驗證。文獻[15]對儲能平抑新能源發電做了詳細的綜述,認為儲能類型的選取、儲能系統的功率和容量配置、波動平抑控制算法以及儲能系統能量管理是儲能系統應用于新能源發電平抑時需要重點考慮的4個方面。該文獻較為全面的綜述了儲能平滑新能源發電的研究現狀。而文獻[16-17]則從實際工程出發,對風光儲系統中儲能裝置對風電和光伏出力的平抑過程從儲能集成架構、算法原理和能量管理系統等角度做出了詳細的分析,驗證了所提出就地控制與協同控制相結合的能量管理系統在平抑新能源發電方面的有效性。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,保障電池的健康穩定運行則是大規模電池儲能系統經濟運行的必要條件。文獻[18-19]針對風電、光伏大規模集中接入電網引起的功率波動問題,分別基于模型預測控制(model predictive control,MPC)和波動率智能化分段控制平滑時間常數提出了相應的儲能系統控制策略,且在控制過程中均引入電池充電狀態(state of ge,SOC)等參數,以確保儲能單元的健康和穩定。
從現有研究成果可知,電池儲能系統對于平抑新能源發電出力波動具有顯著效果,而新能源發電并網運行時,電網對其出力波動率的考核指標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,進行閉環控制是解決其優化控制問題的關鍵。如文獻[20]對新能源發電出力波動效果進行了反饋控制,基于自適應動態規劃理論進一步優化了平滑發電的控制效果,達到了預期控制目標。目前電網對風電、光伏發電等新能源發電并網時的出力波動率考核指標相對寬松(具體參見國家標準[21-22]),將出力波動率作為約束條件之一,與跟蹤發電計劃出力偏差等新能源發電的其他并網約束條件復合考慮,開展儲能系統優化控制方法研究,并提出經濟可靠的運行控制與能量管理方法是該領域未來需要重點研究的問題。
2.2 跟蹤出力和經濟調度
新能源發電系統的出力普遍呈現出極強的間歇性,且極難準確預測,如何制定科學合理的日前、日內及超短期(實時)出力計劃,在滿足調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鍵所在。
在出力計劃跟蹤方面,當前研究主要可分為日前、日內以及實時出力計劃跟蹤3個方面。針對日前出力計劃,大量文獻分別針對有功功率計劃和無功功率計劃提出了儲能裝置對新能源發電出力的補償控制方法,取得了削峰填谷,改善潮流的良好效果。針對日內出力計劃,主要工作集中在如何引入基于實時電價、負載需求和新能源出力等因素構建出最優性能指標函數,在最大程度跟蹤出力計劃的同時實現延長電池使用壽命等附加目標。而針對實時出力計劃的跟蹤方案,則更多地將減少日前短期新能源出力預測誤差作為其控制目標。
電池儲能系統對于提高新能源發電的調度計劃跟蹤能力、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劃跟蹤控制策略進行有效協調融合,提高電池儲能系統計劃跟蹤性能是該領域需要進一步探索的研究方向。
2.3 參與電源的調頻與調壓
電池儲能系統安裝在發電側時具有四象限調節能力,能夠靈活地對有功、無功的輸入和輸出進行調整,因而對于增強發電側頻率和電壓調節能力,改善并網電能質量具有重要意義。
通過儲能系統改善發電側頻率、電壓調節能力在新能源電源和傳統電源中均有應用。在新能源發電側,文獻[32]通過提出基于限轉矩控制的慣量控制方法實現了電池儲能系統與永磁同步風力發電機之間的協調控制,較好地提升了風機并網過程的暫態頻率響應特性。文獻[33-34]等則針對波動性較大的新能源發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節方法,實現了在并網點無功就地補償的目的。而在傳統電源發電側,文獻[35-36]等針對傳統火力發電機組提出了通過電池儲能系統進行輔助調頻的方法,以提高傳統火力發電機組的AGC性能,其技術性能和經濟效益已通過現場測試結果進行了檢驗,證明了儲能系統對于改善發電機組調頻能力的作用。
從上述文獻可以看出,儲能系統通過配合適當的出力調度控制,在提高新能源接納能力,改善新能源與傳統電源的發電性能與并網經濟性,增強發電側頻率和電壓調節能力等多方面具有重要作用。
3 電池儲能系統在輸電側的應用
3.1 參與系統調頻
除了在電源側通過并入電池儲能系統輔助改善發電機組AGC性能,提高機組頻率調節能力之外,隨著大規模集中式以及分布式電池儲能系統的快速發展以及容量的不斷擴大,電池儲能系統通過直接并入電網側對頻率異常狀態的主網進行干預控制,也逐漸成為部分發達地區電網頻率穩定控制的有效手段。
目前,電池儲能系統通過集中式并入電網參與電網調頻已經具備了一定的研究基礎和應用示范。文獻[39]對大規模儲能電源參與電網調頻研究進行了綜述,從必要性與可行性分析、儲能控制策略、容量配置及經濟性評估、儲能與傳統調頻電源的聯合運行等幾方面進行了詳細介紹,說明了儲能參與電網調頻的可行性與必要性。文獻[40]則針對電池儲能參與調頻的動作時機與容量配置問題,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,并給出了相關動作時機及其應當采取的控制模式,對系統頻率穩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通過聚合作用參與電網調頻的研究則相對滯后。文獻[41]介紹了一種分布式儲能系統參與電網一次調頻的方法,并利用快速傅里葉變換提取了意大利電網典型頻率波動工況,測試所提出分布式儲能系統在一次調頻當中的作用,并取得了一定的效果。文獻[42]提出了一種含區域主機的分布式電池儲能裝置協調控制方案,在區域主機的協調下,各分布式儲能裝置通過聚合效應對系統頻率和電壓實現了有效的支撐。因目前尚缺乏普遍認可的分布式儲能裝置協調統一控制架構和策略,基于分布式儲能裝置的系統頻率支撐方案仍處于理論研究階段。
隨著儲能系統接入規模的不斷擴大,未來儲能系統在系統頻率支撐領域的作用也將越來越大,在進一步研究適應大規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,提出相應的聚合控制方法,是該領域的重要未來發展方向之一。
3.2 優化網絡潮流分布
隨著具有波動性和間歇性的可再生能源大規模并入電網,針對全網的有功和無功潮流調度及優化變得愈加困難,新能源外送線路的輸送能力也因此受到了較大的影響。如何協調傳統電源、新能源以及儲能系統的出力分配,實現有功和無功潮流的全網優化分配,對于提高網絡安全水平,提升線路輸送容量具有重要意義。
如何構建含電池儲能系統的網絡潮流優化模型是該領域的研究重點。為此,眾多文獻以網絡傳輸經濟性等為目標,對不同的儲能并網系統進行了建模和求解。文獻[45]針對含高壓直流輸電線路(high voltage direct current transmission,HVDC)的火風光儲混合能源系統,以全網經濟性最優為目標,提出了一種基于GAME理論的新型功率分配調整調度策略,通過建立懲罰函數,構建了儲能系統與其他發電系統的潮流分配策略,實現了潮流在全網范圍內的最優經濟分配。文獻[46]提出一種包含電池儲能和統一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的網絡潮流優化模型,所求解控制器可在實現有功電源的最優容量的同時獲取線路最小化功率傳輸角,實現了最經濟的有功電源功率調度。文獻[47]針對含風電的儲能并網系統,在建立儲能系統細化模型的基礎上,提出了一種含儲能系統經濟調度的滾動優化思路,構造了考慮規模化儲能系統的多時段最優潮流模型,并對剩余能量約束進行了松弛與自適應調整。上述文獻對具有某一典型特征的含儲能并網系統進行了較好的建模分析,如何結合實際復雜大規模電力系統考慮不同接入方式的儲能裝置進行建模分析卻有待進一步深入。
大規模儲能系統的應用可顯著提高電網運行的經濟性,而如何結合安穩及調度信息,實現以提高輸電通道穩定極限、提高系統安全水平等的多目標網絡潮流優化,仍然值得研究人員進一步思考。
3.3 提升系統功角穩定水平
儲能系統并入電網將對電網的功角穩定性產生一系列影響,該影響一方面是通過其充放電過程改變系統潮流分布,另一方面,是通過虛擬同步機技術使儲能系統產生的虛擬慣量與系統中其他發電機產生機電耦合作用。研究人員針對這兩方面對含儲能系統的系統穩定性開展了相關研究。
電池儲能系統具有能快速地根據系統目前的狀況從系統吸收或向系統發出有功和無功功率的特點,并且有功、無功是相互獨立的,可以同時互不干擾地進行,因此電池儲能系統能夠在一定程度上影響電網的潮流分布。文獻[50]對應用電池儲能系統來抑制電力系統低頻振蕩的機理開展了深入研究,指出電池儲能裝置的容量、接入的地點和控制方式、控制策略對其抑制系統低頻振蕩的效果有重要影響。然而系統潮流與系統穩定性的關系與系統不同運行工況密切相關,如何自適應地調整儲能系統控制策略仍需開展更多研究工作。儲能系統在引入虛擬同步機技術后同樣也能對系統穩定性產生影響。虛擬同步機技術是指通過模擬同步機組的機電暫態特性,使采用變流器的電源具有同步機組的慣量、阻尼、頻率和電壓調整等運行外特性的技術。為分析虛擬慣量對系統穩定性的影響,文獻[51]建立了虛擬同步機的小信號模型,基于此模型提出了儲能物理約束的計算方法,探尋了虛擬同步機的運行邊界。通過對不同慣量和阻尼下虛擬同步機的動態響應特性的分析,闡釋了慣量和阻尼影響儲能物理約束的機理。該文獻對儲能裝置虛擬同步機性能及其影響因素進行了詳細分析,然而儲能裝置與系統內同步發電機和新能源發電設備的暫態互耦合過程以及其與系統穩定性之間的關系仍然值得進一步探索。
新能源并網過程對系統功角穩定性的影響隨著新能源裝機比例的提高不斷增大,通過大規模電池儲能裝置減弱其影響對于提高電網新能源接納能力具有重要意義。
4 電池儲能系統在配電側中的應用
4.1 分布式儲能應用
隨著分布式新能源發電和電動汽車的快速發展,配電網的構成元件和拓撲結構日趨復雜,如何在配電網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,在保證配電網安全運行的同時實現配電網能量優化管理,是一項富有挑戰的重要課題。
儲能裝置作為一種補償配網系統功率波動的有效手段,其容量配置關系到補償功率波動精度和相關經濟性指標,文獻[55]就電池儲能系統在配電網的科學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的功率補償效果的結論。考慮配電網的多方面需求,提出適合分布式儲能的控制架構是實現其配電網多功能應用的基礎和前提,為此,文獻[56]針對分布式儲能系統提出了基于電池網絡的分布式電池儲能系統架構與互聯網化管控關鍵技術,為含分布式儲能系統的配電網運行管理提供了一種控制架構。實現經濟、安全的配電網能量管理是分布式電池儲能裝置的配置目標,如何優化配電網中的有功、無功潮流,是實現該目標的關鍵所在。為此,研究人員對其開展了一系列研究。文獻[57]針對分布式儲能系統提出了一種多區域主動實時分散控制算法。該算法基于能夠考慮其直流有功功率限制的BESS的精確動態模型構建而成,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來實現,該成果對分布式儲能能量管理具有較好的借鑒意義。
電池儲能系統對于配電網能量優化管理具有重要意義,如何合理地對其進行配置,并提出與之相適應的控制架構對其進行優化控制,是實現該目標的重要前提和途徑。
4.2 儲能系統在直流微/配電網中的應用
直流微/配電網中由于分布式發電單元輸出功率的不穩定以及負載的突變特性,使得直流微/配電網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控制策略是保障直流微/配電網安全平穩運行的重要關鍵技術。
直流微/配電網中,直流母線電壓是反映整個系統功率平衡的關鍵性指標,控制好直流母線電壓穩定對于直流微電網穩定運行具有重要意義。文獻[60]針對多節點直流配電網電壓穩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電壓柔性控制策略,對配電網中的電壓無功管理取得了較好的成效。文獻[61]基于鋰離子電池和超級電容構建了光伏型直流微網的混合儲能系統,提出了改進型混合儲能控制策略以及針對光伏型直流微網的電壓分層協調控制策略,起到了調節直流母線電壓,保證直流微網的功率平衡的作用。文獻[62]提出一種適用于直流分布式儲能系統的基于儲能單元剩余容量SOC的改進下垂控制方法,以實現負荷功率在不同儲能單元之間的動態分配,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/配電網直流母線電壓穩定的前提下提出合理的控制架構和控制策略,實現直流微/配電網中的多層次能量管理需求,是該領域研究文獻的重要研究目標。
不論是電池儲能系統單獨運用還是與超級電容裝置等組成混合儲能系統,電池儲能技術在直流微/配電網中具有不可替代的地位,隨著直流微/配電網理論及工程應用的不斷成熟,電池儲能裝置未來在直流微/配電網中也將發揮越來越大的作用。
4.3 儲能系統在主動配電網中的應用
主動配電網是實現大規模間歇式新能源并網運行控制、電網與充放電設施互動、智能配用電等電網分析與運行關鍵技術的有效解決方案,電池儲能系統因其能量傳輸效率高,配置靈活等優點是實現主動配電網的重要技術基礎,對提高分布式能源的利用效率和配電網運行經濟性意義重大。
如何將各種經濟性因素考慮進主動配電網運行的優化過程中是目前該領域的研究熱點。文獻[65]以可再生能源利用率最大、網絡損耗最小和用戶滿意度最高為目標構建了主動配電網優化調度模型,提出了儲能和柔性負荷的協調優化方案。文獻[66]考慮分時電價和售購電價差異,以實現分布式電源波動功率的消納,最小化配電網向主網的購電成本為目標,提出了一種主動配電網中電池儲能系統(BESS)的運行優化模型,在此過程中通過計算BESS中電池循環壽命,計及BESS的等效運行成本,實現了BESS的經濟運行。文獻[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、典型日下分布式發電和儲能的經濟調度、承擔分布式發電/儲能建設投資的區域能源供應商的營收狀況等因素,提出了一種主動配電網規劃-運行聯合優化模型,實現了主動配電網的經濟運行。上述文獻均考慮了與經濟性相關的線損、用電成本等若干指標,在現場應用中需結合主動配電網實際需求遴選相應指標構建優化模型。
儲能系統在主動配電網構建中作用巨大,如何將網絡重構、可控分布式電源、需求側響應等更多主動配電網中可調度資源考慮在儲能優化控制與調度模型之中,是未來該方向的研究重點之一。
4.4 V2G(Vehicle-to-Grid)技術的應用
隨著電動汽車產業的快速發展,電動汽車在配電網中的充放電容量以及充放電過程對配電網安全運行的影響已不容小覷,如何通過智能配電網及智能交通技術對電動汽車充放電過程進行科學有序管理,發揮電動汽車儲能載體的作用對配電網能量進行優化管理,是未來配電網的重要研究方向之一。
文獻[71-72]指出,未來電動汽車(electric vehicle,EV)的大規模接入,將給電力系統規劃和運行帶來不可忽視的影響,電動汽車與電網互動可以實現削峰填谷、參與調頻、提供備用等作用,對于電網的安全經濟運行和提高新能源發電消納能力具有重要意義。文獻[73-74]綜合考慮電網約束、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,使得電動汽車實現了與電網的信息雙向交換和與能量雙相交換。
隨著電動汽車產業的發展,V2G技術將具有廣闊的應用前景,然而該領域研究工作尚停留在理論框架構建和應用模式探索階段,缺乏較為成熟的技術路線和實現方法,急需對其展開持續深入的研究。
4.5 移動式儲能裝置的并網應用
依據不同并離網接入需求,移動式電池儲能裝置可在配電網中靈活配置和應用,而研究適用于不同電壓等級和應用模式的系統集成與接口配置技術是關鍵問題之一,以確保其高效、靈活、可靠運行。文獻[75]考慮季節性用電負荷對配電網末端電能質量影響,提出了一種移動式電池儲能車的系統集成與接入、控制應用方法,分析論證了其在福建某茶區的實際應用效果,相關技術成果為移動式電池儲能裝置在配電網靈活應用提供了一種有益借鑒。文獻[76]考慮配電網中低壓三相線路覆冰災害時的融冰需求,以移動式電池儲能系統主要設備的總成本最小為目標,提出了一種移動式電池儲能直流融冰裝置的系統結構以及功率/容量優化設計方法。以福建省部分山區冰區分布以及相關配電網覆冰線路融冰處理效果的計算分析可知,該方法具有可行性,通過精確計算直流熱力融冰電流值可進一步優化移動式電池儲能裝置設計應用的經濟性。目前移動式電池儲能裝置的優化設計與系統集成、靈活接入以及應用模式等相關研究尚處于發展階段,缺乏系列化技術標準體系與應用規范,亟待深入研究。
5 未來電池儲能電站的應用前景和集成應用模式展望
十二五期間,國內研發了兆瓦~十兆瓦級電池儲能電站,主要用于解決發電側的風電場、光伏發電站接入點的場站級出力品質控制問題,以提高接入點的并網友好性。然而,針對新能源發電基地級別的送出與消納以及針對區域電網的調峰容量不足、暫態電壓支撐等問題,十兆瓦級規模的電池儲能電站已難以滿足實際應用需求。因此,配置百兆瓦級的大型電池儲能電站已成為當下新能源發展過程中的當務之急。
但是百兆瓦級電池儲能電站有別于傳統十兆瓦級儲能電站,下述問題需重點關注并解決：1)儲能子系統(單機)設計容量將提高,且儲能子系統接入的電壓等級也將提高,導致電站集成方式發生改變,現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備與控制單元增多,由于復雜多變的熱、電、磁場等影響因素實時分布式到每個儲能子系統,導致多機并聯運行的儲能子系統個體離散化問題突出,系統穩定與暫態轉換過程中各儲能子系統的性能差異及交叉耦合程度更高,相互影響與干擾更加復雜。3)十兆瓦級儲能電站電池單體數達到十萬級,與此相比,百兆瓦級電池儲能電站電池單體個數將達到百萬級,其通信結構更加復雜,對多個控制單元監測與協調控制難度加大。此外,百兆瓦級電池儲能電站,對多個儲能子系統控制單元間互知、儲能子系統控制單元與上層控制層之間互知等提出了新的需求。而現有基于生產自動化系統的信息交互處理能力以及通信架構,將難以滿足百兆瓦級儲能電站全功率響應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與整體控制方法。4)百兆瓦級電池儲能電站的運行可靠性問題將更加突出,需研究儲能子系統集群并聯運行暫態過程以及一致性機理,以提升儲能電站一致性控制與運行性能。
此外,傳統電池儲能系統因容量有限往往只能適應單一的控制目標,實現新能源并網或者電網輔助控制中獨立的某項功能。而隨著大規模、超/特大規模電池儲能系統的規劃和建設,以及分布式、移動即插即用式電池儲能系統的不斷發展,電池儲能系統具備了多目標協同實現的能力,除了應具備新能源發電側、配用電側的應用功能外,還應在相應約束條件下盡可能地為電網的安全、穩定、經濟運行提供積極作用。為此,筆者認為未來大規模電池儲能系統的發展與應用需要從以下幾個方面重點開展一些工作：
1)從大規模儲能電池的設計、集成、安裝、運行、監控等生產運行全過程,充分重視電池的安全問題,提出不同類型儲能系統的安全邊界,對可能出現的電池過熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設計具有充分可靠性的安全措施,避免安全生產事故的發生。
2)充分考慮大規模/超大規模電池儲能系統數量龐大的儲能單元及其網絡拓撲結構的復雜性,提出站域集中管理與子系統分區自治相結合的大規模/超大規模電池儲能電站優化控制架構,從根本上解決各儲能單元差異性與應用目標統一性之間的矛盾,全面提升電池儲能系統的綜合管控能力。
3)有效利用大數據、云計算、物聯網、人工智能等方法,兼顧歷史和實時運行數據,實現電池儲能系統實時運行狀態診斷與分析,性能衰減與安全預警等,確保大規模集中/分布式電池儲能電站安全、穩定、可靠運行。
4)針對大規模集中/分布式電池儲能電站與集中/分布式新能源發電聯合應用場景,考慮智能化運行調度、安全穩定控制、全壽命周期管理、多目標控制管理、運行效益最優等多方面需求,提出不同集成架構下的電池儲能電站多目標協同優化控制方法,破解不同形式電池儲能系統能量管理與科學控制的難題。
5)考慮大規模集中/分布式電池儲能系統可能由不同種類、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、性能衰減、充放電倍率的差異特性,分析各電池單元動態連接后的充放電特性,提出針對不同類型電池儲能系統的動態、智能、差異化的充放電控制方法,解決電池優化管理難題。
6)從電池儲能模塊級、裝置級和系統級等不同層面,研究不同類型大容量電池儲能技術的充放電特性、工況適用性、安全性及經濟性評估方法,掌握先進大容量儲能技術經濟性的量化分析與綜合評估方法,支撐電池儲能技術的深入研究和工程化應用。
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/特大規模電池儲能系統,構建信息物理充分融合的半實物仿真平臺,結合大數據、云計算技術,形成電池儲能系統的超級建模方法,驗證儲能在電網不同環節不同場景下的應用模式和控制方法。
8)大規模電池儲能系統集中式接入以及分布式電池儲能系統規模化聚合后,均將成為電網中一種不容忽視的可調控手段,通過研究電池儲能系統與傳統安穩控制系統的協調配合方案,將有效增強和改善電網安全三道防線在抵御電網風險,增強系統穩定性方面的能力。
9)結合分布式、集中式、可移動式等不同集成方式,發、輸、配用電等不同應用場景,考慮以綠證、綠色標簽等為體現形式的可再生能源配額制對上網電價、競價機制、交易模式等的不同影響,開展基于電力市場環境的儲能設備選址選點、規劃布局、功率/容量優化配置以及商業化運行方法/模式研究,探索在電力市場輔助服務中如何提高儲能系統規劃布局與并網運行的技術經濟性,并量化、規范相關指標。
6 結語
本文對電池儲能系統的運行控制與應用方法開展了系統的研究和綜述,主要結論如下：
1)分析了電池儲能電站的發展概況,從國內外的工程實際應用情況出發,介紹了電池儲能電站在新能源并網和電網安全控制等領域所發揮的重要作用。
2)從發電側、輸電側、配電側三個方面對電池儲能電站在不同場景下的應用進行了詳細的文獻綜述和分析,一定程度上闡明了電池儲能電站在各研究領域內的研究現狀、問題、及未來研究方向。依托大規模電池儲能電站工程應用驗證可知,目前國內十兆瓦級集中式電池儲能電站響應時間小于1 s,出力控制偏差小于1.5%,滿足平滑新能源發電出力、跟蹤調度發電計劃出力等并網應用需求。但是針對百兆瓦級電池儲能電站需開展深入研究,以提高電站響應時間、爬坡率、出力控制偏差、能量可利用率等性能指標。
3)對未來電池儲能電站的發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、控制和應用等方面的相關理論和技術發展提出了一些建議。
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