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[1]。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[2-4]。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[5-6],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[7-8]。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(batteryenergystoragesystem,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[9],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[10-11]。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[12],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34MW/245MW?h鈉硫電池儲能電站,美國SDG&EEscondido30MW/120MW?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)20MW/84MW?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10MW級規模的典型電池儲能示范工程概況。

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(modelpredictivecontrol,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(stateofge,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[23-24],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[25-26]。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[27]。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[28-29]。

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。