分布式儲能的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

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(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

化石能源的日益枯竭和環(huán)境的不斷惡化，促使了分布式發(fā)電的快速發(fā)展。當(dāng)大量分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，由于風(fēng)力、光伏等新能源具有間歇性和隨機(jī)性，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量，供電可靠性具有較大影響。在電網(wǎng)中接入分布式儲能設(shè)備可以有效解決這一問題。利用儲能設(shè)備，不僅可以減少分布式電源對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)可以對電網(wǎng)起到削峰填谷、電力調(diào)節(jié)的作用。隨著智能配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來分布式儲能也將有廣闊的發(fā)展空間。

2 分布式儲能技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 分布式儲能類別及其特點(diǎn)

分布式儲能的方式多種多樣，各種儲能方式都有其適宜的應(yīng)用領(lǐng)域。儲能形式主要分為機(jī)械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能這三大類[2]。機(jī)械儲能包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能；電磁儲能包括超導(dǎo)儲能、電容儲能、超級電容器儲能等；電化學(xué)儲能包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等。另外，根據(jù)充放電的外部特性，分布式儲能又可以分為功率型和能量型兩種，前者功率密度大，適合提供快速的功率響應(yīng)，例如超級電容、超導(dǎo)儲能等；后者能量密度大，適合提供長時(shí)間的能量支撐，例如壓縮空氣儲能、鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等。

目前，各種分布式儲能技術(shù)的發(fā)展水平不同，成本也有明顯差異，在能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、效率及環(huán)保性等方面都有各自的特點(diǎn)[2]，如表1所示。

鉛酸電池憑借其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉等優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于其功率密度小，充電時(shí)間長，循環(huán)壽命短，對環(huán)境也有一定的影響，盡管成本低廉，也不能成為今后電池發(fā)展的方向。相比之下，鋰電池、鈉硫電池等能量、功率密度大，使用壽命長，目前已經(jīng)獲得了不錯(cuò)的發(fā)展，雖然價(jià)格相對高昂，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，不久將得以廣泛應(yīng)用。對于功率型儲能，超級電容儲能相比其他儲能技術(shù)更為成熟，成本也相對低廉，應(yīng)用更為廣泛。

表1 幾種主要的儲能方式技術(shù)參數(shù)

2.2 功率型與能量型混合儲能

風(fēng)力、光伏等分布式發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性，負(fù)載也隨時(shí)可能突變，需要儲能系統(tǒng)同時(shí)具備高功率密度和高能量密度的特點(diǎn)，但由于自身的限制，單一類型的儲能技術(shù)無法滿足這一要求。將功率型儲能系統(tǒng)與能量型儲能系統(tǒng)相結(jié)合組成混合儲能系統(tǒng)，可以同時(shí)滿足功率密度和能量密度的要求，這將是未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。

目前最為常見的是蓄電池與超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)。利用超級電容功率密度大的特點(diǎn)，有效緩解負(fù)載突變時(shí)對蓄電網(wǎng)的沖擊，減少蓄電池的充放電次數(shù)，提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；利用蓄電池能量密度大的特點(diǎn)，對系統(tǒng)提供長時(shí)間的能量支撐。混合儲能不僅可以快速對電網(wǎng)波動(dòng)作出調(diào)節(jié)，同時(shí)延長了蓄電池的使用壽命。

圖1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 分布式儲能的應(yīng)用

分布式儲能接入電力系統(tǒng)后，由于其對電力具有調(diào)節(jié)作用，在電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都可以發(fā)揮獨(dú)特的作用。

3.1 電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用

(1)參與電力系統(tǒng)的削峰填谷：在負(fù)荷高峰期時(shí)向電網(wǎng)放電，低谷期時(shí)儲能裝置處于充電狀態(tài)，如圖2所示，減小了電網(wǎng)負(fù)荷壓力，促使電網(wǎng)高效節(jié)能運(yùn)行；

(2)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率與電壓：大量分布式電源接入系統(tǒng)時(shí)，會引起配電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，同時(shí)可能改變功率的流動(dòng)方向，提升某些節(jié)點(diǎn)電壓。利用分布式儲能快速響應(yīng)特點(diǎn)和功率調(diào)節(jié)能力，可以有效改善這一困狀；

(3)平滑分布式電源功率波動(dòng)：分布式發(fā)電與分布式儲能相結(jié)合，利用儲能系統(tǒng)快速充放電特性，改善分布式發(fā)電的電能質(zhì)量，平滑其功率波動(dòng)；

(4)改善微電網(wǎng)運(yùn)行特性[4]：聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)微網(wǎng)的輸出輸入功率，減小其功率波動(dòng)，使之成為可為配電網(wǎng)調(diào)度的電源，充分發(fā)揮微網(wǎng)對電力系統(tǒng)的輔助作用。孤島運(yùn)行時(shí)，支撐系統(tǒng)的電壓和頻率，維持微網(wǎng)的正常運(yùn)行。

圖2 分布式儲能削峰填谷原理

3.2 用戶側(cè)的應(yīng)用

(1)提供不間斷電源：分布式儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，具有一定的容量，在遇到停電情況時(shí)，給重要負(fù)荷供電，保證用戶的利益。

(2)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電：根據(jù)不同時(shí)段的電價(jià)高低，決定儲能系統(tǒng)的充放電動(dòng)作，在保證電能質(zhì)量的同時(shí)減小用戶的購電費(fèi)用，提高電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率。

4 分布式儲能的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

相比大型儲能電站，分布式儲能設(shè)備接入電網(wǎng)的方式更靈活，對環(huán)境的要求也相對較低，其穩(wěn)定性也更好。一旦大型儲能電站發(fā)生故障，對電網(wǎng)的沖擊是非常大的，而分布式儲能設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由于其數(shù)量多，其余的儲能設(shè)備可以快速作出響應(yīng)，將損失降到最小。但是，眾多儲能設(shè)備接入電網(wǎng)后，如果不能有效地管理這些設(shè)備，合理的配置它們的容量，不僅浪費(fèi)了大量資源，而且不能發(fā)揮它們對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，甚至可能給電網(wǎng)帶來危害。隨著國家對新能源發(fā)電和儲能行業(yè)的大力扶持，將有越來越多的新能源發(fā)電和分布式儲能設(shè)備接入電網(wǎng)。為了更好的發(fā)揮儲能對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，需要在儲能的優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制等方面深入研究，促使分布式儲能行業(yè)的快速發(fā)展。

4.1 分布式儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置

風(fēng)力、光伏等分布式發(fā)電，由于其間歇性和不確定性，發(fā)電量往往都處于波動(dòng)的狀態(tài)。而儲能作為分布式電源的補(bǔ)充，彌補(bǔ)了其出力的不確定性，提升分布式電源并網(wǎng)穩(wěn)定性。對于分布式儲能系統(tǒng)的容量配置，往往需要考慮分布式電源出力的隨機(jī)性、負(fù)荷的變化曲線、儲能系統(tǒng)的接入位置、儲能的功率能量配置以及投資、運(yùn)行的成本收益等因素，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，最終得到最佳的儲能系統(tǒng)容量配置方案。另外，隨著人們對環(huán)境的不斷重視，未來低碳環(huán)保也將成為分布式儲能容量配置的優(yōu)化目標(biāo)之一。

4.2 分布式儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

對于單獨(dú)的分布式儲能裝置，其內(nèi)部往往包含眾多的單體蓄電池或超級電容，在運(yùn)行過程中需要保證各個(gè)單體的穩(wěn)定，同時(shí)維持各單體的差異在一定范圍內(nèi)，避免單體的過充過放對設(shè)備造成損害。分布式儲能的能量管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)單體的工作狀態(tài)，維持各單體的能量平衡，提升電池的充放電效率。目前，針對電池能量管理系統(tǒng)，國內(nèi)外已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品。但是，隨著儲能技術(shù)的不斷提升和新技術(shù)的引進(jìn)，儲能的介質(zhì)可能會多種多樣，由于它們自身的特質(zhì)各不相同，需要更為可靠的能量管理辦法來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

對于配電網(wǎng)中的多個(gè)分布式儲能裝置，其區(qū)域分布較廣，必須采取合適的方法，將其整合起來統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)一管理，服務(wù)于電力系統(tǒng)而不對其產(chǎn)生危害。對于分布式儲能系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，若是采用傳統(tǒng)的有線或微波無線方式建立起信息渠道，不僅成本高昂、地域廣闊，而且技術(shù)的可行性也很低。因此，在互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到世界每一個(gè)角落的今天，充分利用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸量大、公共資源共享、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，建立起分布式儲能統(tǒng)一管理調(diào)度平臺將是以后分布式儲能的發(fā)展趨勢。

通過互聯(lián)網(wǎng)通信手段，將區(qū)域內(nèi)的各個(gè)新能源發(fā)電以及分布式儲能系統(tǒng)整合為一個(gè)虛擬電廠(VPP)。虛擬電廠通過先進(jìn)的控制方法，利用計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)處理平臺，接收區(qū)域內(nèi)各個(gè)分布式發(fā)電或儲能裝置的狀態(tài)信息，與大電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息相結(jié)合，通過優(yōu)化計(jì)算，從而進(jìn)行全面決策，并得到最安全經(jīng)濟(jì)的調(diào)度方案，如圖2所示。通過對分布式儲能系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，不僅可以有效地對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以合理的控制儲能的充放電，給用戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益。

圖3 分布式儲能統(tǒng)一調(diào)度框架

4.3 分布式儲能政策導(dǎo)向

分布式儲能作為新能源接入系統(tǒng)的有力支撐，逐步成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的一部分，國家對儲能行業(yè)的扶持力度也不斷加大。國務(wù)院2014年11月印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020)》，將儲能明確列入9個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新領(lǐng)域，大容量儲能和氫能列入20個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向，2015年3月15日發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》中指出，通過“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)節(jié)”的運(yùn)營模式，積極發(fā)展融合的先進(jìn)儲能技術(shù)，提高系統(tǒng)的消納能力和能源利用效率。2015年1月國家能源局也啟動(dòng)了儲能產(chǎn)業(yè)“十三五”規(guī)劃重大課題的研究。在未來幾年內(nèi)，通過一系列投資補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)投資和引進(jìn)儲能技術(shù)，將促使分布式儲能獲得快速的發(fā)展。

5 結(jié)論

分布式儲能用于配電網(wǎng)中，極大地改善了新能源發(fā)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的沖擊，同時(shí)提高了用戶的用電可靠性，在未來的發(fā)展?jié)摿薮蟆５?，分布式儲能的廣泛應(yīng)用還依賴于自身技術(shù)的突破，要不斷提升儲能的性能、降低成本、優(yōu)化配置。充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，協(xié)調(diào)分布式儲能系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。同

時(shí)依托國家政策的扶持，充分發(fā)揮分布式儲能對電力調(diào)節(jié)的積極作用。這些將是分布式儲能發(fā)展的目標(biāo)和方向。

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