儲能聯(lián)合可再生能源分布式并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究

李珂

摘 要：如今，能源緊缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為一個(gè)世界性課題，為了應(yīng)對能源危機(jī)、保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境，越來越多的國家開始探尋綠色、清潔的可再生能源或能源替代品。分布式可再生能源發(fā)電是當(dāng)前儲能在電力系統(tǒng)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域，開展儲能聯(lián)合可再生能源分布式并網(wǎng)發(fā)電研究，將為新形勢下可再生能源分布式并網(wǎng)實(shí)踐，提供完善有效的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文主要針對分布式發(fā)電領(lǐng)域中儲能的技術(shù)應(yīng)用問題進(jìn)行分析，并探討了關(guān)于儲能與分布式可再生能源發(fā)電設(shè)備一體化、功能多元化和發(fā)揮匯聚效應(yīng)等發(fā)展應(yīng)用趨勢，可以預(yù)見，以儲能作為核心承載的多能互補(bǔ)技術(shù)和互動技術(shù)，將會成為未來儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的重要體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：儲能；可再生能源；分布式并網(wǎng)發(fā)電；關(guān)鍵技術(shù)

1 前言

隨著世界各國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對能源的需求日益加大，過度的能源開發(fā)和利用，導(dǎo)致了一系列問題的產(chǎn)生，如能源短缺、環(huán)境破壞、大氣污染等。尤其是能源短缺問題，現(xiàn)已成為一個(gè)全球性課題。風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)，為解決能源短缺問題提供了新的支撐，現(xiàn)在，世界上已有不少國家都開始重點(diǎn)發(fā)展可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)。在“十二五”期間，隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我國光伏發(fā)電和風(fēng)電發(fā)展態(tài)勢良好，可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)大規(guī)模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離送出的局面。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年年底，全國光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量同比增長60%，已經(jīng)達(dá)到2805萬kW，其中，光伏電站2338萬kW，分布式光伏發(fā)電467萬kW。年度發(fā)電量同比增長超過200%，平均達(dá)到250億kW·h；新增并網(wǎng)光伏發(fā)電容量1060萬kW，在全世界占比達(dá)25%，其中，新增光伏電站855萬kW，分布式光伏發(fā)電205萬kW。目前，我國已經(jīng)超過歐美，成為世界第一風(fēng)電大國，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模與風(fēng)電設(shè)備制造均位居全球首位，而國家電網(wǎng)也成為世界上接入風(fēng)險(xiǎn)規(guī)模最大、發(fā)電增長速度最快的電網(wǎng)。歐美發(fā)達(dá)國家發(fā)展風(fēng)電等項(xiàng)目，主要是為了應(yīng)對全球氣候變暖和減少溫室氣體排放，其風(fēng)電場規(guī)模往往比較小，所發(fā)電能主要是就地接入配電網(wǎng)進(jìn)行消納。例如，德國風(fēng)電電量在全國總用電量中接近20%，風(fēng)電場裝機(jī)容量一般不超過50MW，主要連接到6～36kV或110kV配電網(wǎng)。而丹麥的風(fēng)電發(fā)電量大約有86.7%接入20kV或更低電壓等級配電網(wǎng)，不過，約有超過10%的大型近海風(fēng)電場直接接入132～150kV配電網(wǎng)。我國發(fā)展風(fēng)電項(xiàng)目主要是用于社會用電，以提高電力生產(chǎn)效率，降低電力生產(chǎn)和運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電強(qiáng)國的建設(shè)目標(biāo)?，F(xiàn)在，我國學(xué)術(shù)界已經(jīng)針對儲能在規(guī)?；惺娇稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用，展開了全面而深入的研究，并取得了良好的效果。但是，在分布式接入方式方面的研究則比較欠缺。鑒于此，本文研究儲能聯(lián)合可再生能源分布式并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，將具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

2 儲能在分布式可再生能源發(fā)電中的作用

分布式可再生能源發(fā)電可謂是第三次工業(yè)革命的重要特點(diǎn)，而儲能作為五大支柱技術(shù)之一，在分布式電源接入以及多種能源互聯(lián)中，將起到舉足輕重的作用。儲能是指電能的儲存，大力發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)，有利于提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，充分滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需。隨著大量分布式可再生能源發(fā)電接入配電網(wǎng)，在很大程度上會改變配電網(wǎng)的潮流和電壓分布，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。由于當(dāng)前現(xiàn)有的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制水平相對不高，電壓分布、故障水平以及設(shè)備容量有限，配電網(wǎng)還無法很好地接納更多分布式可再生能源發(fā)電。同時(shí)，由于接入分布式可再生能源發(fā)電后，用戶側(cè)單一負(fù)荷消耗的屬性也會發(fā)生一定程度的改變，為了促進(jìn)本地新能源發(fā)電的接入和有效利用，用戶必須與電網(wǎng)進(jìn)行完善、深入的互動。基于這個(gè)原因，如何使可再生能源發(fā)電更好地契合用戶用能形式與需求，也是清潔能源應(yīng)用過程中，亟須解決的重要課題之一。為了解決因大量分布式可再生能源發(fā)電接入所帶來的一系列問題，如配電網(wǎng)運(yùn)行管理問題、多能源互補(bǔ)利用、用戶與電網(wǎng)之間的互動問題等，就必須增強(qiáng)配電網(wǎng)的管理能力，確保電力供應(yīng)靈活多變，以便更好地滿足電力用戶多元化需求。在分布式能源接入中，儲能的重要作用如下：

（1）加強(qiáng)配電網(wǎng)潮流、電壓控制能力，使配電網(wǎng)能較好地接納分布式發(fā)電。

（2）對分布式可再生能源發(fā)電功率波動進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，以避免對電能質(zhì)量產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

（3）能有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率和能量，優(yōu)化配電網(wǎng)資源配置，促進(jìn)配電設(shè)施利用效率達(dá)到最優(yōu)化，從而避免配電網(wǎng)過早進(jìn)行改造升級。

（4）增強(qiáng)參與智能微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理的能力，實(shí)現(xiàn)借助可再生能源發(fā)電促進(jìn)智能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)。

（5）儲能技術(shù)能夠較好地解決新能源發(fā)電中存在的隨機(jī)性、波動性問題，實(shí)現(xiàn)電能平滑輸出，并對新能源發(fā)電導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓、頻率及相位進(jìn)行合理調(diào)整，借助這一優(yōu)勢，其將成為多能源互補(bǔ)和綜合利用的優(yōu)質(zhì)媒介。

3 國內(nèi)外研究狀況及示范工程

3.1 國內(nèi)外研究狀況

3.1.1 儲能在削峰填谷中的技術(shù)應(yīng)用

儲能的優(yōu)勢非常顯著，既能有效調(diào)整分布式發(fā)電接入導(dǎo)致的用電負(fù)荷波動，也能提高設(shè)備利用率，延緩配電網(wǎng)設(shè)備及容量升級的時(shí)間，更重要的是能利用峰谷電價(jià)差來提高電網(wǎng)運(yùn)行效益。鮑冠南等人在電池儲能系統(tǒng)削峰填谷實(shí)時(shí)優(yōu)化研究基礎(chǔ)上，提出一種基于動態(tài)規(guī)劃的控制對策。利用這種對策，就能將非連續(xù)約束條件引入優(yōu)化模型中，然后，再借助電池電量離散化等方法，對充放電次數(shù)和放電深度限制等非連續(xù)約束進(jìn)行優(yōu)化。修曉青等人重點(diǎn)研究了電網(wǎng)削峰填谷的儲能系統(tǒng)容量配置，并對其應(yīng)用的價(jià)值與經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了科學(xué)評估。在其研究中，充分考量了儲能系統(tǒng)充放電平衡約束、循環(huán)壽命等因素，探討了儲能在電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷的應(yīng)用策略，建立起儲能投資經(jīng)濟(jì)性評級數(shù)學(xué)模型。

3.1.2 儲能在分布式可再生能源發(fā)電預(yù)測出力中的技術(shù)應(yīng)用

由于分布式可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性，而且會產(chǎn)生較大的波動，因而會給配電網(wǎng)潮流和電壓控制帶來很大影響。儲能還具有快速儲電和放電的特征，利用這一點(diǎn)，將對分布式可再生能源發(fā)電預(yù)測出力進(jìn)行快速、高效的跟蹤。林少伯等在《基于隨機(jī)預(yù)測誤差的分布式光伏配網(wǎng)儲能系統(tǒng)容量配置方法》研究中，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對光伏出力短期預(yù)測誤差和負(fù)荷短期預(yù)測誤差概率，進(jìn)行了科學(xué)的統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)了其中存在的規(guī)律，并在此研究基礎(chǔ)上，通過區(qū)間估計(jì)獲得了可靠的儲能設(shè)備容量配置函數(shù)。

3.1.3 儲能在配電網(wǎng)電能質(zhì)量提升中的技術(shù)應(yīng)用

陳奕等人通過建模，研究了蓄電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)，對于配電網(wǎng)電能質(zhì)量改善的積極作用。在研究中，他們將混合儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中，然后利用控制策略，對其有功功率和無功功率進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，從而抑制了其負(fù)載波動，穩(wěn)定了電壓并提高了電能質(zhì)量。王云玲等人將超級電容器作為調(diào)節(jié)器，建立了儲能元件的并聯(lián)型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用電壓源型變換器實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，從而有效消除了在不對稱負(fù)載時(shí)，所產(chǎn)生的電源電壓的暫降、不對稱和閃變等問題。

3.2 國內(nèi)外示范工程

國外對于儲能系統(tǒng)聯(lián)合分布式可再生能源發(fā)電的研究，開展相對較早，其示范工程的數(shù)量也相對較多，具有代表性的工程見表1所示。而我國研究實(shí)踐的重點(diǎn)則在儲能結(jié)合分布式可再生能源發(fā)電方面，對電化學(xué)儲能示范應(yīng)用的實(shí)證研究較多，具有代表性的典型工程見表2所示。

根據(jù)國內(nèi)外研究與示范工程應(yīng)用情況可知，儲能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用主要集中在如下幾個(gè)層面。

3.2.1 利用儲能優(yōu)化分布式可再生能源發(fā)電接入

例如，在日美合作的智能電網(wǎng)項(xiàng)目中，將儲能用來控制配電網(wǎng)功率潮流，結(jié)果表明，其能大幅提升高滲透分布式發(fā)電配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性；而意大利在Puglia變電站項(xiàng)目中，應(yīng)用1MWx30min的銼離子電池，解決了因接納新能源發(fā)電產(chǎn)生的變壓器反向潮流問題，促進(jìn)了該變電站與上級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行；韓國在濟(jì)州島建立了風(fēng)/光/儲/柴混合應(yīng)用項(xiàng)目，通過儲能系統(tǒng)的雙向功率調(diào)節(jié)作用，成功實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)應(yīng)用和協(xié)調(diào)控制；山東長島利用儲能平抑風(fēng)光波動，有效抑制了可再生發(fā)電爬坡率，確保了配電網(wǎng)端運(yùn)行的平穩(wěn)；浙江舟山海島的風(fēng)/光/儲/海/柴項(xiàng)目，通過配置多類型儲能系統(tǒng)，極大提高了風(fēng)電場和光伏電站的跟蹤、調(diào)度能力。

3.2.2 利用儲能提高配電網(wǎng)供電能力

美國夏威夷大學(xué)智能電網(wǎng)和能量存儲示范項(xiàng)目，為降低變壓器的高峰負(fù)荷，通過在變電站中安裝1MW/1MW}h銼離子電池系統(tǒng)，提高了配電網(wǎng)自愈控制能力，以及儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。同時(shí)，對分布式電源/儲能裝置/微電網(wǎng)/不同特性用戶接入，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，從而增強(qiáng)了用戶對基于儲能技術(shù)的新型電能的利用能力；深圳寶清電站通過投運(yùn)4MW/16MW}h銼離子電池，來調(diào)節(jié)用電側(cè)的峰谷，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)壓和孤島運(yùn)行等，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；福建在負(fù)荷用電管理中引入移動式儲能，利用儲能對有功功率和無功功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，確保了用電側(cè)的動態(tài)穩(wěn)定，提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性；中新天津生態(tài)城在用電側(cè)電能管理，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的積極作用，并將負(fù)荷進(jìn)行細(xì)分，分為不可控負(fù)荷、可控負(fù)荷和可切負(fù)荷3種，然后輔以不同功率等級的儲能系統(tǒng)，將其分別變?yōu)殡娋W(wǎng)中的單獨(dú)可控單元，以此來滿足用戶個(gè)性化、多元化的用電需求。在可再生能源分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)橛押眯陀秒娯?fù)荷，這樣，不僅大大降低了大量分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響，也能提高用電靈活互動能力和電能質(zhì)量，保證配電網(wǎng)運(yùn)行的安全、平穩(wěn)、可靠。

3.2.3 利用儲能滿足多種用能需求

目前，為節(jié)約能源，在國內(nèi)外不少利用分布式發(fā)電技術(shù)的項(xiàng)目中，開始利用熱儲能或相變儲能，來為用戶提供更加舒適的供冷、供熱服務(wù)。其中，具有代表性的有美國亞利桑那州立大學(xué)，該大學(xué)設(shè)置了3MWx6h的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源的目的；日本東京電力公司提出“BESSSCADA”，利用車網(wǎng)融合技術(shù)（V2G）理念，來統(tǒng)一管控分布在配電網(wǎng)和用戶側(cè)的大量儲能單元，從而提高了儲能能力的規(guī)?；瘧?yīng)用；我國薛家島電動汽車工程在儲能利用實(shí)踐中，也采用了V2G理念，其配套充電站能夠同時(shí)為360輛乘用車電池提供高質(zhì)量的充電服務(wù)。這種規(guī)?；瘍δ軕?yīng)用，能有效實(shí)現(xiàn)低谷存儲電能、高峰釋放電能的功能。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，峰谷調(diào)節(jié)負(fù)荷一般可達(dá)到7020kW，最高時(shí)可達(dá)10520kW。

4 儲能在分布式可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用趨勢

在國家節(jié)能減排、綠色發(fā)展理念及相關(guān)政策支持下，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電項(xiàng)目不斷創(chuàng)新發(fā)展。以風(fēng)電項(xiàng)目審批為例，2013年，國家發(fā)改委批復(fù)了華能新能源陜西定邊狼爾溝分布式接入風(fēng)電項(xiàng)目，在此之后，中廣核哈密分布式接入風(fēng)電示范項(xiàng)目也獲得國家能源局批復(fù)。在此影響下，貴州、云南等其他省也將分布式接入風(fēng)電開發(fā)，納入了地方發(fā)展規(guī)劃，并緊鑼密鼓地提上了日程。

從宏觀角度來看，與集中接入方式或微電網(wǎng)技術(shù)研究相比，國內(nèi)關(guān)于可再生能源分布式并網(wǎng)應(yīng)用研究相對較薄弱。在集中式應(yīng)用方面，國家電網(wǎng)公司早在2009年就已經(jīng)完成了風(fēng)/光/儲示范工程立項(xiàng)，國內(nèi)首個(gè)風(fēng)/光/儲示范項(xiàng)目也開始在河北張家口張北、尚義施工建設(shè)。按照預(yù)期計(jì)劃，2012年3月，項(xiàng)目一期工程已經(jīng)開始正式投運(yùn)，其中，包括100MW的風(fēng)電、40MW的光伏發(fā)電及20MW儲能項(xiàng)目。根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行情況，可以看出，儲能可以較好地滿足光伏發(fā)電并網(wǎng)需求，不過，由于受到技術(shù)的制約，儲能電池的壽命、安全性及經(jīng)濟(jì)性還有待于進(jìn)一步提高。在分布式應(yīng)用方面，不少國內(nèi)高校和研究所對此問題，也進(jìn)行了比較全面和深入的研究，例如，北京交通大學(xué)在實(shí)驗(yàn)中，通過在光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)，放置一定數(shù)量的蓄電池儲能，結(jié)合光伏功率和電網(wǎng)反饋信息，來達(dá)到控制儲能能量流、平抑波動的目的，并在實(shí)踐中，應(yīng)用此研究結(jié)果建成10kW光伏儲能并網(wǎng)系統(tǒng)；浙江省電力試驗(yàn)研究院基于容量滲透率維度，針對分布式可再生能源進(jìn)行研究，認(rèn)為借助負(fù)荷轉(zhuǎn)移和儲能方式，來提高配電網(wǎng)對光伏的接入能力是可行的。另外，中國科學(xué)院、中國電力科學(xué)研究院等針對微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，成果也比較顯著。由國家發(fā)展和改革委員會與日本NEDO合作的“先進(jìn)穩(wěn)定的并網(wǎng)光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)證研究項(xiàng)目”，在我國國內(nèi)首次以合作方式，建立了基于光伏發(fā)電的微電網(wǎng)技術(shù)綜合試驗(yàn)研究平臺。儲能技術(shù)的發(fā)展及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，二者是密切相關(guān)的，而追求儲能規(guī)?；?、安全化、長壽命化和低成本化，則成為儲能研究的終極目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式可再生能源發(fā)電理論研究和實(shí)踐應(yīng)用也日趨完善，在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，未來儲能聯(lián)合可再生能源分布式并網(wǎng)發(fā)電，將呈現(xiàn)出如下幾種趨勢。

4.1 儲能與可再生能源發(fā)電優(yōu)勢特性進(jìn)一步互補(bǔ)

儲能系統(tǒng)具有雙向功率調(diào)節(jié)特性，能夠?qū)︼L(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電能平滑輸出，從而有助于提高配電網(wǎng)對分布式可再生能源規(guī)?；尤氲慕蛹{能力，以及電網(wǎng)系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行能力。

4.2 儲能系統(tǒng)功能由單一化趨向多元化

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，儲能功能將變得越來越豐富多元，其作用時(shí)間可從秒級提升到小時(shí)級，而且，原來比較單一的時(shí)間尺度功能，也會不斷向多種時(shí)間尺度功能進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)儲能功效最大化。

4.3 分布式儲能系統(tǒng)會提速終端用戶用電方式多元化

如今，清潔、優(yōu)質(zhì)的電力能源已得到日益廣泛的應(yīng)用，用戶的用電需求也相應(yīng)地變得更加多元化，利用儲能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級及交流電、直流電用戶共存和智能交互。

4.4 分布式儲能系統(tǒng)匯聚效應(yīng)將進(jìn)一步得到發(fā)揮

在電動汽車V2G運(yùn)行模式中，儲能系統(tǒng)匯聚效應(yīng)已顯而易見，未來，在新能源接入、用戶互動等方面，分布式儲能系統(tǒng)的聚合作用，將毋庸置疑地更加顯現(xiàn)。

4.5 儲能支撐多能融合效應(yīng)更加凸顯

由于儲能突出的優(yōu)勢，在多能互補(bǔ)和綜合利用中，成為不可或缺的媒介，未來將在提高用戶側(cè)綜合能效和減少污染物排放中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

5 結(jié)束語

隨著分布式可再生能源發(fā)電的大量接入，儲能系統(tǒng)的作用將更加凸顯，其功能將由實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電友好接入，轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅茉椿ヂ?lián)為導(dǎo)向接納，同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、雙向互動，而其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益也將會在項(xiàng)目實(shí)踐中更加可觀地顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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