近年來,隨著電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,中國(guó)電池儲(chǔ)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(shì)。在分析國(guó)內(nèi)外電池儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對(duì)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(chǎng)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(chǎng)景,以及分布式、移動(dòng)式儲(chǔ)能等在配電側(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)國(guó)內(nèi)外近些年來電池儲(chǔ)能應(yīng)用的研究成果及現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并對(duì)未來大規(guī)模電池儲(chǔ)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(jí),實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展,近年來,我國(guó)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[1]。然而,在清潔能源高速發(fā)展的同時(shí),波動(dòng)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[2-4]。電池儲(chǔ)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[5-6],將隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益增大以及電池儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展,成為支撐我國(guó)清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大關(guān)鍵技術(shù)。

電池儲(chǔ)能作為電能存儲(chǔ)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(shì),使得電池儲(chǔ)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[7-8]。而與此同時(shí),隨著近些年來電動(dòng)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(zhǎng)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(chǔ)能成為目前最受關(guān)注,發(fā)展最為迅速的儲(chǔ)能技術(shù)類型。

傳統(tǒng)小規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,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[9],然而隨著電池儲(chǔ)能規(guī)模的不斷增大,十兆瓦級(jí)甚至百兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)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(dòng)汽車以及智能交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,移動(dòng)式儲(chǔ)能在配電網(wǎng)能量?jī)?yōu)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(guī)模集成與分布式應(yīng)用并存的儲(chǔ)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(shí),兼顧儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的重要目標(biāo)。為此,本文將在分析國(guó)內(nèi)外電池儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外電池儲(chǔ)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(duì)未來大規(guī)模電池儲(chǔ)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(chǔ)能電站發(fā)展概況

儲(chǔ)能技術(shù)具有極高的戰(zhàn)略地位,世界各國(guó)一直都在不斷支持儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用。日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家電池儲(chǔ)能電站技術(shù)發(fā)展較早,如今已得到了一些應(yīng)用[12],中國(guó)近些年來在國(guó)家政策的支持下也取得了較快的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外在大規(guī)模電池儲(chǔ)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(chǎng)的NGK公司的34MW/245MW?h鈉硫電池儲(chǔ)能電站,美國(guó)SDG&EEscondido30MW/120MW?h鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目,以及中國(guó)張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程(一期)20MW/84MW?h多類型電池儲(chǔ)能電站等。這些工程應(yīng)用中,電池儲(chǔ)能電站的電池類型和應(yīng)用場(chǎng)景都不盡相同,表1中給出了近年來國(guó)內(nèi)外10MW級(jí)規(guī)模的典型電池儲(chǔ)能示范工程概況。

從電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)均十分重視電池儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外多個(gè)百兆瓦級(jí)或百兆瓦時(shí)級(jí)電池儲(chǔ)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(dòng)汽車及智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展也使得移動(dòng)式儲(chǔ)能載體在電網(wǎng)中的應(yīng)用可期。屆時(shí),電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將存在著大規(guī)模集中式、分布式以及移動(dòng)式等不同集成與應(yīng)用模式,如何對(duì)其開展多目標(biāo)、多層次的運(yùn)行控制與智能化管理,國(guó)內(nèi)外研究人員將對(duì)其開展深入研究。

2電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用

2.1平滑出力波動(dòng)

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(huì)對(duì)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)平滑新能源發(fā)電應(yīng)用,國(guó)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(duì)儲(chǔ)能平抑新能源發(fā)電做了詳細(xì)的綜述,認(rèn)為儲(chǔ)能類型的選取、儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量配置、波動(dòng)平抑控制算法以及儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理是儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源發(fā)電平抑時(shí)需要重點(diǎn)考慮的4個(gè)方面。該文獻(xiàn)較為全面的綜述了儲(chǔ)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(duì)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電和光伏出力的平抑過程從儲(chǔ)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(dòng)的同時(shí)考慮儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。文獻(xiàn)[18-19]針對(duì)風(fēng)電、光伏大規(guī)模集中接入電網(wǎng)引起的功率波動(dòng)問題,分別基于模型預(yù)測(cè)控制(modelpredictivecontrol,MPC)和波動(dòng)率智能化分段控制平滑時(shí)間常數(shù)提出了相應(yīng)的儲(chǔ)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)(stateofge,SOC)等參數(shù),以確保儲(chǔ)能單元的健康和穩(wěn)定。

從現(xiàn)有研究成果可知,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于平抑新能源發(fā)電出力波動(dòng)具有顯著效果,而新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),電網(wǎng)對(duì)其出力波動(dòng)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(dòng)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(duì)新能源發(fā)電出力波動(dòng)效果進(jìn)行了反饋控制,基于自適應(yīng)動(dòng)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(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電并網(wǎng)時(shí)的出力波動(dòng)率考核指標(biāo)相對(duì)寬松(具體參見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21-22]),將出力波動(dòng)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(chǔ)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(cè)[23-24],如何制定科學(xué)合理的日前、日內(nèi)及超短期(實(shí)時(shí))出力計(jì)劃,在滿足調(diào)度及儲(chǔ)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(shí)出力計(jì)劃跟蹤3個(gè)方面。針對(duì)日前出力計(jì)劃,大量文獻(xiàn)分別針對(duì)有功功率計(jì)劃和無功功率計(jì)劃提出了儲(chǔ)能裝置對(duì)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[25-26]。針對(duì)日內(nèi)出力計(jì)劃,主要工作集中在如何引入基于實(shí)時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)電池使用壽命等附加目標(biāo)[27]。而針對(duì)實(shí)時(shí)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(cè)誤差作為其控制目標(biāo)[28-29]。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(chǔ)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。