摘要:介绍了分布式电能存储技术的发展情况,总结了分布式电能存储技术的应用场景,并从应用于配电网、微电网、可再生能源接入、用户侧4个方面进行详细分析,最后从储能性能、成套技术、协调控制、优化运行、规划设计、电力市场以及政策等不同层面探讨了分布式电能存储技术推广和发展中需要研究和解决的问题.
0引言
分布式发电能够充分利用清洁和可再生能源,是实现节能减排目标的重要举措,也是集中式发电的有效补充.当分布式电源大量接入中低压配电网时,风电、光伏等可再生分布式电源的间歇性和随机性将加剧配电网中电压、频率的波动,对配电网的功率平衡与安全运行、用户的供电可靠性以及电能质量具有较大影响.此外,随着中国经济发展和产业升级,电网中现有配变电设备容量将可能无法满足日益增加的高峰负荷的需求,而越来越多的高科技、数字化企业也对供电可靠性和电能质量提出了更高的要求.在电网中接入分布式电能存储设备是解决上述问题的有效途径之一.利用分布式电能存储技术能提升电网对分布式电源的接纳能力,改进系统供电可靠性和电能质量,还能优化电网资源配置,提高电网资产的利用率.
近年来,分布式电能存储技术的研究和应用受到世界各国的高度重视,取得了较快的发展.美国、日本、德国等国家均制定了相关产业发展规划,并出台了一系列促进和支持储能技术发展的政策[].在中国,分布式电能存储技术也被视为未来智能配电网、分布式发电和微电网发展必不可少的支撑技术.例如:在2012年8月由国家能源局发布的?可再生能源发展“十二五”规划?中提出:到2015年,中国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程.这将极大地促进国内分布式电能存储技术的发展.目前,分布式电能存储技术的总装机容量在电网中的比例依然很小,尚处于发展起步阶段.随着其技术日益成熟、成本不断降低,以及未来智能配电网的发展,分布式电能存储技术将有广阔的应用前景.本文介绍了当前分布式电能存储技术的发展情况,归纳了分布式电能存储技术的应用场景,并对未来智能配电网中分布式电能存储技术的相关研究方向进行了探讨.1分布式电能存储技术的特点及发展情况分布式电能存储设备的功率从几千瓦至几兆瓦不等,储能容量一般小于10MW?h,多接入中低压配电网或用户侧.从能量储存形式角度分析,分布式电能存储技术与大规模集中式储能技术相类似,可分为机械储能、电磁储能、化学储能等.若按照能量存储和释放的外部特征划分,分布式电能存储又可分为功率型和能量型2种.前者适用于短时间内对功率需求较高的场合,如改善电能质量、提供快速功率支撑等;后者适用于对能量需求较高的场合,需要储能设备提供较长时间的电能支撑.功率型储能响应迅速、功率密度较大,包括超级电容、飞轮储能、超导储能等.能量型储能具有较高的能量存储密度,充放电时间较长,包括压缩空气储能、钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池等.目前,各种分布式电能存储技术的发展水平不同,成本也有明显差异,在额定功率、持续放电时间、效率及寿命、功率/能量密度等方面具有不同的特点,如表1所示。
在能量型储能技术中,当前技术最成熟的为铅酸电池,凭借其价格低廉、性能稳定等优势在电力系统中得到了广泛应用.锂电池、液流电池、钠硫电池等化学储能技术也发展迅速,技术正走向成熟,国际上已经建成了大量的示范工程.这类电池具有较好的功率和能量特性,其不足之处是目前成本仍然较高.功率型的储能系统,例如超级电容器、超导储能、飞轮储能等,近年来也受到较大关注.超级电容器储能技术相对较为成熟,其应用日益广泛;超导储能技术尚处于试验或小范围的示范工程阶段,离广泛应用还有较大的差距;飞轮储能技术在国外发展较快,作为不间断电源得以广泛应用.此外,还有很多其他处于研制阶段的储能技术,例如小型压缩空气储能系统.目前,分布式电能存储技术普遍存在成本较高的问题.同时,系统的安全性、充放电效率、使用寿命、功率和能量密度等指标尚有待提高.
各种分布式电能存储技术除功率和能量的差异外,效率、寿命、经济成本等指标也在很大程度上影响着其应用场合.如锂电池虽然能量密度较大,但其单位能量的成本较高,适用于对能量需求较大但是空间有限的场合;钒液流电池虽然能量密度较低,但其循环寿命较高,可用于对占地面积和空间要求不高,对能量需求较大且充放电较为频繁的场合.随着智能配电网的发展,对分布式电能存储技术的需求也会更加多样化.任何储能技术都很难完全兼顾安全可靠、高功率/能量密度、高效率、长寿命、低成本等多个方面.因此,采用混合储能形式,将不同性能的储能系统进行组合,可充分发挥不同储能技术的优势,以满足功率和能量等多方面的需求,这将是未来分布式电能存储技术的发展和应用趋势.混合储能系统通常将响应速度快、循环周期寿命长的功率型储能技术和具有较大容量的能量型储能系统联合使用,通过协调控制,在满足应用需求的同时,提高储能系统的寿命或效率.最为常见的混合储能系统为蓄电池(铅酸电池、锂电池等)与超级电容器等功率型储能设备组成的混合储能系统[12G13],可利用功率型储能设备优化蓄电池充放电过程,降低其充放电次数,从而延长其使用寿命.另一种典型方式是利用小型压缩空气储能系统与飞轮或超级电容组成混合储能系统,能够提高储能系统对扰动的响应速度,并适当提高系统的电能储存量.
2分布式电能存储系统的应用场景
分布式电能存储系统的应用涉及配用电系统中的各个环节,具有广泛的应用前景.充分发挥分布式电能存储设备的作用能够有效提高系统的运行可靠性,改善系统的电能质量,提高配电网中可再生能源的接入能力,增加电网和用户的经济效益,为智能配电网的发展提供有力支撑.与大规模、集中式的储能电站相比,分布式电能存储设备对接入位置的环境、自然条件限制较少,接入电网的方式更加灵活,在配电网、微电网、分布式电源侧,以及用户侧都可以发挥独特的作用.
2.1分布式电能存储系统在配电系统中的应用
分布式电能存储技术应用于配电网中,可以有效发挥调峰、调频、调压等辅助服务功能.
2.1.1参与系统负荷调峰利用分布式电能存储设备在高峰负荷时放电,在低谷负荷时充电,可有效实现负荷的削峰填谷,其原理如图1所示.图中:DESS表示分布式电能存储系统.
其效果可体现在如下3个方面.①缓解电网功率阻塞.避免阻塞导致线路过载,在电力市场条件下引发电价大幅升高.②延缓配电网升级改造.在变电站出口处或馈线中接入分布式电能存储设备,能够实现负荷转移,可以减缓甚至避免配电网的升级,同时可以有效提升配电线路和变压器的负载水平,提高现有设备的利用率.考虑到负荷发展的不确定性,相比配电网的升级改造,采用成本相对较低的分布式电能存储设备能够降低投资的风险.③降低网络能量损耗.研究表明,负荷高峰时放电所减少的网损明显大于负荷低谷时充电增加的网损,通过分布式电能存储设备进行负荷转移可有效降低配电网损耗.考虑到负荷高峰时的电价较高,该时段单位网损的成本也更高,降低网损更具经济性.例如,南方电网建立的宝清兆瓦级锂电池储能电站于2011年1月投运,现场运行数据表明该储能示范电站能有效降低主变峰谷差约10%,能够为电网带来多方面的收益。
2.1.2参与系统频率调节
当配电网中可再生分布式电源比例较高时,将引起配电网中频率的波动.电能存储系统具有响应速度快、输出功率控制精度高等特点,十分符合电网调频的需求,基本原理如图2所示.
与传统调频电源相比,电能存储技术具有较为明显的技术优势.研究表明,电能存储系统的调频效果平均是水电机组的1.7倍,是燃气机组的2.5倍,是燃煤机组的20倍以上[17].采用水电或火电机组调频时,由于爬坡率的限制,机组容量往往大于调频功率的需求.以爬坡率为4%/min的燃气机组为例,假设电网在10min内有10MW的功率需求,需要燃气机组的容量为25MW,而需要储能的容量为10MW,而且系统的调频需求越紧迫,电能存储技术的优势越明显.随着电能存储系统成本的下降,在调频服务中也将逐渐显现出其经济性.目前,在美国已建成多座采用飞轮、锂电池等电能存储系统参与系统调频的示范工程,取得了良好的运行效果。
2.1.3参与系统或馈线级调压
大量分布式电源在配电系统中的接入,将直接改变配电网中功率的流动规律,其直接后果就是会造成配电网中一些节点电压的升高,这是影响配电系统接纳分布式电源能力的一个主要因素.利用分布式电能存储系统有功功率的调节能力,可以有效缓解分布式电源接入后的节点电压升高问题,将是提高配电网对分布式电源接纳能力的有效手段.另一方面,分布式电能存储系统大多通过电力电子变换装置并网,可以在其充电、放电的同时吸收或发出无功功率,从而实现系统无功功率的调节,这有助于提高系统的电压稳定性,改善电网的电压质量,同时可以减少电网中的无功补偿设备的投资.
2.2分布式电能存储系统在改善分布式电源运行特性方面的应用
风电、光伏等分布式能源的输出具有间歇性、随机性和波动性等特点,接入配电网后带来的诸多影响限制了其接入电网的容量.将分布式电能存储系统与分布式电源相结合,可显著改善这些分布式电源的运行特性,抑制其功率波动并增强其可调度性.
2.2.1平滑分布式电源的功率波动
将分布式电能存储系统与光伏、风电等波动性分布式电源紧密配合,利用储能系统的快速充放电特性平抑这些电源的快速波动性,可显著提高这些电源的功率输出品质,改善电能质量,降低其对系统的影响.将储能与分布式电源加以有效集成形成一个统一的系统,可以在一定的时间尺度上(分钟—小时级)实现输出功率的平滑,这将从根本上改变光伏、风电这类分布式电源的功率输出特征,为电网中高比例分布式电源的接入创造条件.对可再生能源输出功率进行频谱分析,针对需要储能补偿的特定频段,考虑储能效率、荷电状态(SOC)等约束,可确定所需储能的最小容量[18].采用不同的电能存储设备组成混合储能系统,针对光伏、风电输出功率波动的不同频段进行补偿,并采用储能SOC限值管理等控制方法,可有效提高平滑效果,并提高电能存储设备的使用寿命[19],该混合储能系统的结构如图3所示.
2.2.2 实现分布式电源端节点电压控制
当分布式电源接入配电系统时,导致节点电压升高的关键是分布式电源改变了馈线中有功功率的流动方向.这个问题可以从系统层面,通过在配电馈线的关键节点处集中接入分布式电源加以解决.另一方面,更为有效的手段是将分布式电源直接与储能系统相配合,对分布式电源的端电压实现有效控制,在馈线中一定比例的分布式电源上采用这样的手段,完全可以克服馈线节点电压升高问题,且更易于电压调节问题的解决.同系统级或馈线级的解决方案不同,这样的解决方案不会随分布式电源的接入改变系统运行或控制策略,属于一种分散型“即插即用”式解决方案.文献[20]分析了澳大利亚一处低压配电网中,高渗透率接入屋顶光伏后,导致的系统电压抬升问题.通过在多个光伏并网点接入蓄电池,并采用基于SOC反馈的充放电策略,能有效缓解光伏对配电网电压的影响,其系统结构见图4.
2.2.3增强分布式电源的功率可调度性对于风电和光伏类的分布式电源,常常需要采用最大功率跟踪算法,以便尽可能充分地利用风能或太阳能.这将导致这类分布式电源的功率输出仅取决于自然条件(风力、光照强度),而不具备可调度性.将分布式电能存储系统与这类电源有效加以集成,对电网而言形成一个统一的单元,在充分利用可再生能源的同时,利用储能系统的充放电特性,实现在一定时间尺度(分钟—小时)上输出总功率的调节,进而使其具备一定程度的可调度性.当大量的分布式电源接入配电网时,这一点将变得十分重要.这将有助于对大量此类分布式电源的有效管理,在保证可再生能源充分利用的同时,从配电系统层面提高系统运行效率,增大系统的可控性.文献[21]介绍了日本Futamata风电场与兆瓦级钠硫电池储能电站的运行情况,该储能电站除平滑风电场输出的波动外,还能够使整个系统根据电网的调度指令输出功率,参与区域电网的调度.
2.3分布式电能存储系统在微电网中的应用
微电网是一个分布式电源与负荷的集成系统,具备较强的能量管理功能,既能并网运行也能孤岛运行,可有效提高分布式能源供电的效率和可靠性[22].在微电网中,储能系统是重要的功率调节设备,是实现微电网各种运行目标的关键.
2.3.1实现联络线功率控制
当微电网处于联网运行模式时,微电网内分布式电源与负荷的变化,将导致微电网与配电网间联络线功率的波动,进而会对配电网产生较大的影响.通过对微电网中分布式电能存储系统进行合理的控制,能够将联络线功率的波动水平控制在一定范围之内.此外,在这种运行模式下,通过给定微电网与配电网间的联络线功率,可以实现微电网的输出(或输入)功率调度,对配电网而言,微电网将成为一个可调度的电源(或负荷),可以利用微电网实现一些电网辅助服务功能,进而更多地发挥出微电网的技术优势.
2.3.2支撑系统电压与频率
当微电网处于孤岛运行模式时,分布式电能存储系统可作为微电网的主电源提供电压和频率支持,充分发挥储能系统快速响应的技术特点,实时平衡微电网中的功率波动,保证电压和频率在允许的运行范围内[24].另一方面,电能存储系统还可以在微电网运行模式切换时提供暂态功率支撑,确保微电网在并网模式与孤岛模式间切换时给用户负荷带来尽可能小的冲击,甚至完全消除暂态冲击影响,实现无缝切换.
2.4分布式电能存储系统在用户侧的应用
2.4.1发挥不间断电源作用
分布式电能存储系统由于具有快速响应能力,可以作为不间断电源(UPS),在停电时确保重要负荷供电,提高供电可靠性,这一模式已经获得广泛应用.
2.4.2实现需求侧响应
安装在社区、家庭及工商业用户侧的分布式电能存储系统,可用于参与需求侧响应.通过在电价低时充电,电价高时放电,帮助用户在不改变用电习惯的情况下进行错峰用电,从而降低购电费用.对于电网而言,这种错峰用电将会显著提高电网的资产利用率,延缓系统改扩建,降低系统损耗,因而具有多方面的经济性.由于目前大多数电能储存系统还比较昂贵,储能系统的这一应用还需要各种政策的支持,以体现出其多方面的经济效益.文献[26]提出一种基于需求侧响应的家用电池储能系统的调度策略,能够根据电价及配电网状态的变化,最大化用户与配电网运营商的收益,该策略在英国两处实际的低压配电网中进行了验证.
2.4.3改善电能质量
间歇性的分布式电源和大量电力电子设备的应用可能会给造成用户的电能质量问题,导致高次谐波、电压闪变、电压跌落等问题的出现.单相分布式电源也增加了配电网中三相功率的不平衡水平.在用户侧接入分布式电能存储设备,能快速响应系统中各种扰动,有效地维持电压幅值的变化,控制波形畸变率在较小的范围内,从而提高用户电能质量.文献提出了一种电池储能系统的多功能控制策略,能够在保持微电网功率平衡的同时,有效地治理非线性负荷注入的谐波电流和配电网侧渗透的谐波电压.
3分布式电能存储技术的机会与挑战
大量的研究工作和示范工程表明,分布式电能存储技术在未来的智能配电网发展中将拥有巨大的应用潜力.当前,分布式电能存储技术的发展仍处于起步阶段,要在实际应用中大规模推广还有很长的路要走.现阶段,限制分布式电能存储技术推广的最大瓶颈还是其高昂的成本,如何发挥分布式电能存储的最大效益仍是未来需要重点研究的问题,需要从分布式电能存储设备自身性能和成本、成套技术、协调控制、优化运行、规划设计,以及电力市场和政策等多个层面进行考虑.
3.1分布式电能存储及成套新技术
3.1.1分布式电能存储新技术
提高性能和降低成本是分布式电能存储技术未来研发的主要方向,包括现有储能技术的改进和新型储能技术的研发.美国能源部发布的2013储能手册中介绍了多种正在研发和测试阶段的新型储能技术,其中多种可应用于分布式电能存储,如表2所示.
3.1.2分布式电能存储成套技术
分布式电能存储系统均由多个环节构成,除储能设备、电力电子并网装置外,还可能包括储能管理系统,而后者是电能存储成套技术的关键.铅酸电池、钠硫电池、锂离子电池、超级电容等储能设备在应用中往往由数十甚至成百上千个单体经串并联组成,在运行过程中需要保证所有的单体工作于安全状态,并且维持各单体的差异在一定范围之内.储能管理系统能够实时监测储能设备运行状态,避免使用不当对储能设备造成损害.同时能对其SOC、健康状态(SOH)、剩余寿命等进行实时评估,为储能系统的运行控制和优化调度提供判据[28].目前,国内外针对电池类储能系统的电池管理系统已有许多较为成熟的产品.但是,不同类型储能的SOC、寿命、SOH等与储能自身特性密切相关,各种算法适用的储能类型不尽相同,精度水平参差不齐.随着各种新型储能技术的发展,需要适应性更强、更加精确的SOC等参数的估算方法.3.2分布式电能存储系统协调控制与优化运行3.2.1分布式电能存储系统协调控制分布式电能存储系统在很多应用场景下需要与其他分布式电源协调运行,多种分布式电能存储系统间也需要协调运行,共同实现既定的控制目标.
分布式电能存储系统的协调控制可以划分为3个层次,如图5所示.
1)设备级协调控制.一般为混合储能系统间或储能与分布式电源间的协调控制.各设备通过直流母线耦合,或接入同一交流母线,通过协调控制能够在实现某具体控制目标的同时,充分考虑储能系统的寿命和效率等因素.
2)微电网级协调控制[31].微电网中多个分布式电能存储系统间的协调控制主要采用分层控制的方式,通过微电网中央控制器(MGCC)对各储能控制器下达控制指令,协调各分布式电能存储系统的运行.
3)广域协调控制.对于在地理位置上分布较广的分布式电能存储系统,无法直接采用微电网模式进行管理和控制,需通过配电网调度或者虚拟电厂(VPP)技术.此时的协调控制需涵盖多个微电网以及微电网覆盖范围以外的分布式电能存储系统,进而实现广域协调控制。
3.2.2分布式电能存储系统优化运行
分布式电能存储系统的优化运行往往不能单独考虑,需要将其置于一个系统中,综合考虑整个系统的能量管理策略,同时兼顾储能容量、放电深度、循环寿命等限制.按照分布式电能存储系统的应用场合不同,可分为以下几个层次:①家庭能量管理;②分布式发电系统优化调度;③微电网能量管理;④配电网能量管理.各级的能量管理系统能够根据电网信息、负荷需求、分布式电源出力预测、市场信息和运行约束等条件做出决策,通过对分布式电能存储系统、分布式电源和负荷的灵活调度来实现系统的优化运行.
目前,相关研究大多只考虑某一层次的能量管理,针对储能在特定场景的应用对其进行调度.分布式电能存储系统在实际运行中,若用途单一可能有较多时间处于待机或浮充状态,若容量较小可能
只能用于较少用途.统筹考虑不同能量管理层次中分布式电能存储系统的应用,尽可能实现多用途化,对较为分散的小容量储能系统尽可能统一调度,将有助于发挥储能系统的应用潜能,提高其利用效率和经济性.这些问题仍有待进一步研究.
3.3分布式电能存储系统的优化规划
设计有关分布式电能存储系统的规划设计研究,大多针对具体应用场合,通过建立不同的储能系统优化规划设计模型,采用优化算法计算得到分布式电能存储系统的类型、功率、容量,以及储能系统的成套方案(包括电力电子变换装置和配套设备的容量、选型等).针对不同的应用场景,分布式电能存储系统的规划设计可能会偏重于不同的方面,采用的目标函数各异.在配电网中,主要考虑分布式电能存储系统接入后通过延缓电网升级、减少电网阻塞、提供辅助服务,以及低发高储套利等带来的经济收益;在微电网与配合可再生能源发电时,多从平滑系统功率输出、控制联络线功率,以及减少“弃风弃光”等方面考虑,储能容量的优化配置与可再生能源出力曲线密切相关;在用户侧主要考虑节省电费、需求侧相应、用户缺电成本等方面.总体来说,多数研究以分布式电能存储系统为运营商和用户带来的经济收益最大、节省成本最多为目标函数.实际上,还应该以分布式电能存储系统的应用带来的社会效益最大为目标,如碳排放最低、环境污染最小、接入可再生能源比例最高、提高供电可靠性的能力最大等.在不同应用场景的规划设计中,约束条件基本大同小异,主要包括功率平衡约束、电池充/放电功率和电量约束、可靠性指标约束等.特别值得指出的是,以下两点需要在规划设计时综合加以考虑.
1)全面评估分布式电能存储系统的效益.分布式电能存储系统能够同时应用于多个场景,产生的效益也是多方面的.相关规划设计研究多针对某种或某几种具体的应用场景,以主要的利益为目标进行规划.这样虽然能够简化规划设计问题的复杂程度,突出主要问题,却容易忽略在其他应用场景下的经济价值,不能充分挖掘储能系统应用的经济性,不利于分布式电能存储技术的推广应用.如何全面考虑分布式电能存储系统的经济价值、社会效益,有待进一步研究.
2)大量分布式电能存储系统接入后对电价的影响.当系统中大量接入分布式电能存储系统,并使之参与需求侧响应时,可能会对峰谷电价产生较大的影响,从而影响储能系统的经济性.在考虑分布式电能存储系统规划设计方案的同时也应加强电网中储能系统规模的全局性规划研究.
3.4市场与政策对分布式电能存储系统应用的影响
3.4.1电力市场
分布式电能存储系统的应用前景虽然广阔,但尚未真正形成成熟的商业模式.分布式电能存储系统在电网各环节的应用都具备潜在的盈利机会,但其能否完全商业化运营,还取决于电力市场的发展水平和完善程度.在欧美等电力市场发展较早的国家,峰谷分时电价机制,以及辅助服务市场的存在,使得储能系统为其所有者带来收益成为可能.一旦经济性获得保障,分布式电能存储技术有望获得极大的商业化推广.在国内,电力市场尚未全面实行,在现行的电价机制下,储能系统的获利空间受到了很大的约束.
3.4.2政策
国家政策的扶持是促进储能技术成熟,推动储能产业发展最有效、最实际的方式.美国作为储能技术发展较早、水平最高的国家之一,其储能技术的快速发展与政府政策的支持密不可分.美国的储能政策主要涵盖了5个方面[4],包括:储能技术产业发展规划、储能技术示范项目财政支持、储能系统电价支持、储能系统安装税收减免和储能系统配置比例要求等,从技术、应用、市场等角度给予了储能技术发展的多方面支持.中国专门针对储能技术的政策和规划尚不多见,但在“十二五”期间颁布的一系列有关可再生能源并网、智能电网、分布式发电与微电网、电动汽车等领域的政策,将间接对储能技术发展提供重要的支持.
4结语
分布式电能存储技术能够应用于配电网中的各个环节,能够为电网运营商和用户带来诸多效益,具有广阔的应用前景和巨大的应用潜力,但其高昂的成本阻碍了其发展和推广.分布式电能存储技术的发展不仅要从储能技术本身出发,不断提高性能、降低成本,还要从其成套技术、协调控制、优化运行、规划设计等角度开展深入细致的工作,以提高分布式电能存储系统的利用效率,充分发挥其应用价值.同时,也要从市场和政策的层面引导和扶持储能产业的发展.（王成山 武震 李鹏）
原标题：分布式电能存储技术的应用前景与挑战
