未来电池储能电站应用前景和集成应用模式展望

2.3 参与电源的调频与调压

电池储能系统安装在发电侧时具有四象限调节能力,能够灵活地对有功、无功的输入和输出进行调整[30-31],因而对于增强发电侧频率和电压调节能力,改善并网电能质量具有重要意义。

通过储能系统改善发电侧频率、电压调节能力在新能源电源和传统电源中均有应用。在新能源发电侧,文献[32]通过提出基于限转矩控制的惯量控制方法实现了电池储能系统与永磁同步风力发电机之间的协调控制,较好地提升了风机并网过程的暂态频率响应特性。文献[33-34]等则针对波动性较大的新能源发电带来的电压波动与闪变等问题,提出了储能装置无功及电压调节方法,实现了在并网点无功就地补偿的目的。而在传统电源发电侧,文献[35-36]等针对传统火力发电机组提出了通过电池储能系统进行辅助调频的方法,以提高传统火力发电机组的AGC性能,其技术性能和经济效益已通过现场测试结果进行了检验,证明了储能系统对于改善发电机组调频能力的作用。

从上述文献可以看出,储能系统通过配合适当的出力调度控制,在提高新能源接纳能力,改善新能源与传统电源的发电性能与并网经济性,增强发电侧频率和电压调节能力等多方面具有重要作用。

3 电池储能系统在输电侧的应用

3.1 参与系统调频

除了在电源侧通过并入电池储能系统辅助改善发电机组AGC性能,提高机组频率调节能力之外,随着大规模集中式以及分布式电池储能系统的快速发展以及容量的不断扩大,电池储能系统通过直接并入电网侧对频率异常状态的主网进行干预控制,也逐渐成为部分发达地区电网频率稳定控制的有效手段[37-38]。

目前,电池储能系统通过集中式并入电网参与电网调频已经具备了一定的研究基础和应用示范。文献[39]对大规模储能电源参与电网调频研究进行了综述,从必要性与可行性分析、储能控制策略、容量配置及经济性评估、储能与传统调频电源的联合运行等几方面进行了详细介绍,说明了储能参与电网调频的可行性与必要性。文献[40]则针对电池储能参与调频的动作时机与容量配置问题,提出一种包含虚拟惯性控制和虚拟下垂控制模式的储能综合控制方法,并给出了相关动作时机及其应当采取的控制模式,对系统频率稳定起到了较好的支撑作用。相对于集中式接入方式,分布式电池储能系统通过聚合作用参与电网调频的研究则相对滞后。文献[41]介绍了一种分布式储能系统参与电网一次调频的方法,并利用快速傅里叶变换提取了意大利电网典型频率波动工况,测试所提出分布式储能系统在一次调频当中的作用,并取得了一定的效果。文献[42]提出了一种含区域主机的分布式电池储能装置协调控制方案,在区域主机的协调下,各分布式储能装置通过聚合效应对系统频率和电压实现了有效的支撑。因目前尚缺乏普遍认可的分布式储能装置协调统一控制架构和策略,基于分布式储能装置的系统频率支撑方案仍处于理论研究阶段。

随着储能系统接入规模的不断扩大,未来储能系统在系统频率支撑领域的作用也将越来越大,在进一步研究适应大规模电池储能电站的频率控制策略的同时,充分利用未来广泛存在的分布式储能装置,提出相应的聚合控制方法,是该领域的重要未来发展方向之一。

3.2 优化网络潮流分布

随着具有波动性和间歇性的可再生能源大规模并入电网,针对全网的有功和无功潮流调度及优化变得愈加困难,新能源外送线路的输送能力也因此受到了较大的影响[43-44]。如何协调传统电源、新能源以及储能系统的出力分配,实现有功和无功潮流的全网优化分配,对于提高网络安全水平,提升线路输送容量具有重要意义。

如何构建含电池储能系统的网络潮流优化模型是该领域的研究重点。为此,众多文献以网络传输经济性等为目标,对不同的储能并网系统进行了建模和求解。文献[45]针对含高压直流输电线路(high voltage direct current transmission,HVDC)的火风光储混合能源系统,以全网经济性最优为目标,提出了一种基于GAME理论的新型功率分配调整调度策略,通过建立惩罚函数,构建了储能系统与其他发电系统的潮流分配策略,实现了潮流在全网范围内的最优经济分配。文献[46]提出一种包含电池储能和统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的网络潮流优化模型,所求解控制器可在实现有功电源的最优容量的同时获取线路最小化功率传输角,实现了最经济的有功电源功率调度。文献[47]针对含风电的储能并网系统,在建立储能系统细化模型的基础上,提出了一种含储能系统经济调度的滚动优化思路,构造了考虑规模化储能系统的多时段最优潮流模型,并对剩余能量约束进行了松弛与自适应调整。上述文献对具有某一典型特征的含储能并网系统进行了较好的建模分析,如何结合实际复杂大规模电力系统考虑不同接入方式的储能装置进行建模分析却有待进一步深入。

大规模储能系统的应用可显著提高电网运行的经济性,而如何结合安稳及调度信息,实现以提高输电通道稳定极限、提高系统安全水平等的多目标网络潮流优化,仍然值得研究人员进一步思考。

3.3 提升系统功角稳定水平

储能系统并入电网将对电网的功角稳定性产生一系列影响[48-49],该影响一方面是通过其充放电过程改变系统潮流分布,另一方面,是通过虚拟同步机技术使储能系统产生的虚拟惯量与系统中其他发电机产生机电耦合作用。研究人员针对这两方面对含储能系统的系统稳定性开展了相关研究。

电池储能系统具有能快速地根据系统目前的状况从系统吸收或向系统发出有功和无功功率的特点,并且有功、无功是相互独立的,可以同时互不干扰地进行,因此电池储能系统能够在一定程度上影响电网的潮流分布。文献[50]对应用电池储能系统来抑制电力系统低频振荡的机理开展了深入研究,指出电池储能装置的容量、接入的地点和控制方式、控制策略对其抑制系统低频振荡的效果有重要影响。然而系统潮流与系统稳定性的关系与系统不同运行工况密切相关,如何自适应地调整储能系统控制策略仍需开展更多研究工作。储能系统在引入虚拟同步机技术后同样也能对系统稳定性产生影响。虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。为分析虚拟惯量对系统稳定性的影响,文献[51]建立了虚拟同步机的小信号模型,基于此模型提出了储能物理约束的计算方法,探寻了虚拟同步机的运行边界。通过对不同惯量和阻尼下虚拟同步机的动态响应特性的分析,阐释了惯量和阻尼影响储能物理约束的机理。该文献对储能装置虚拟同步机性能及其影响因素进行了详细分析,然而储能装置与系统内同步发电机和新能源发电设备的暂态互耦合过程以及其与系统稳定性之间的关系仍然值得进一步探索。

新能源并网过程对系统功角稳定性的影响随着新能源装机比例的提高不断增大,通过大规模电池储能装置减弱其影响对于提高电网新能源接纳能力具有重要意义。

4 电池储能系统在配电侧中的应用

4.1 分布式储能应用

随着分布式新能源发电和电动汽车的快速发展,配电网的构成元件和拓扑结构日趋复杂,如何在配电网中通过合理配置分布式电池储能装置[52-53],考虑分布式储能的聚合效应[54],在保证配电网安全运行的同时实现配电网能量优化管理,是一项富有挑战的重要课题。

储能装置作为一种补偿配网系统功率波动的有效手段,其容量配置关系到补偿功率波动精度和相关经济性指标,文献[55]就电池储能系统在配电网的科学合理配置问题展开了研究,得出了分布式储能配置可以得到更精确的容量配置和更优的功率补偿效果的结论。考虑配电网的多方面需求,提出适合分布式储能的控制架构是实现其配电网多功能应用的基础和前提,为此,文献[56]针对分布式储能系统提出了基于电池网络的分布式电池储能系统架构与互联网化管控关键技术,为含分布式储能系统的配电网运行管理提供了一种控制架构。实现经济、安全的配电网能量管理是分布式电池储能装置的配置目标,如何优化配电网中的有功、无功潮流,是实现该目标的关键所在。为此,研究人员对其开展了一系列研究。文献[57]针对分布式储能系统提出了一种多区域主动实时分散控制算法。该算法基于能够考虑其直流有功功率限制的BESS的精确动态模型构建而成,具备电压支撑和线路堵塞管理等功能,而不同储能装置之间的沟通则通过多代理技术来实现,该成果对分布式储能能量管理具有较好的借鉴意义。

电池储能系统对于配电网能量优化管理具有重要意义,如何合理地对其进行配置,并提出与之相适应的控制架构对其进行优化控制,是实现该目标的重要前提和途径。

4.2 储能系统在直流微/配电网中的应用

直流微/配电网中由于分布式发电单元输出功率的不稳定以及负载的突变特性,使得直流微/配电网的能量管理极其困难,如何在其中合理配置储能单元,并建立安全可靠的储能并网控制策略是保障直流微/配电网安全平稳运行的重要关键技术[58-59]。

直流微/配电网中,直流母线电压是反映整个系统功率平衡的关键性指标,控制好直流母线电压稳定对于直流微电网稳定运行具有重要意义。文献[60]针对多节点直流配电网电压稳定性差且控制困难的问题,提出一种考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略,对配电网中的电压无功管理取得了较好的成效。文献[61]基于锂离子电池和超级电容构建了光伏型直流微网的混合储能系统,提出了改进型混合储能控制策略以及针对光伏型直流微网的电压分层协调控制策略,起到了调节直流母线电压,保证直流微网的功率平衡的作用。文献[62]提出一种适用于直流分布式储能系统的基于储能单元剩余容量SOC的改进下垂控制方法,以实现负荷功率在不同储能单元之间的动态分配,且在该过程中考虑了直流母线电压跌落的影响。在考虑直流微/配电网直流母线电压稳定的前提下提出合理的控制架构和控制策略,实现直流微/配电网中的多层次能量管理需求,是该领域研究文献的重要研究目标。

不论是电池储能系统单独运用还是与超级电容装置等组成混合储能系统,电池储能技术在直流微/配电网中具有不可替代的地位,随着直流微/配电网理论及工程应用的不断成熟,电池储能装置未来在直流微/配电网中也将发挥越来越大的作用。