虛擬電廠中的儲(chǔ)能技術(shù)及其作用

潘 華 ，梁作放 ，薛強(qiáng)中 ，孫明旺

（1.上海電力學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求不斷增加，而化石能源緊缺、環(huán)境污染和氣候變化等問題也日趨嚴(yán)峻。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源具有清潔環(huán)保、發(fā)電成本低等特點(diǎn)，使其在電力系統(tǒng)中的比重不斷上升，但可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成了巨大挑戰(zhàn)，由此導(dǎo)致電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、控制等發(fā)生了根本性變革，整個(gè)電力系統(tǒng)都需要與之適應(yīng)［1-2］。

虛擬電廠（virtual power plant，VPP）的提出為解決可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊提供了新的思路和方法。虛擬電廠的本質(zhì)是把分布式電源、儲(chǔ)能裝置等設(shè)備連接起來進(jìn)行集中控制、調(diào)度等［3］。采用虛擬電廠對(duì)新能源出力進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，不僅能夠降低可再生能源的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，而且能夠降低分布式發(fā)電調(diào)度的難度，使分布式發(fā)電更好地參與電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)營。儲(chǔ)能裝置作為虛擬電廠中不可或缺的部分，發(fā)揮了極其重要的作用。虛擬電廠中的儲(chǔ)能裝置不但能夠平抑可再生能源出力的波動(dòng)性，降低可再生能源不確定性對(duì)電力系統(tǒng)造成的沖擊，提高供電可靠性，還能夠減少電力系統(tǒng)的備用容量，提高電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性［4-5］。

為了克服虛擬電廠中可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性等缺點(diǎn)，以及提高可再生能源利用率、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性，虛擬電廠中的儲(chǔ)能系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

1 虛擬電廠

1.1 虛擬電廠的概念

目前，對(duì)虛擬電廠的研究主要集中于歐美等發(fā)達(dá)國家，近年來我國學(xué)者也開始對(duì)其進(jìn)行研究。盡管國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)虛擬電廠進(jìn)行了一定的研究，但是至今對(duì)虛擬電廠的概念尚無統(tǒng)一的定義［6-7］。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為虛擬電廠是通過先進(jìn)的通信和軟件技術(shù)，將分布式電源、電動(dòng)汽車等儲(chǔ)能系統(tǒng)和可控負(fù)荷等進(jìn)行優(yōu)化聚合以作為一個(gè)特殊的整體接入電網(wǎng)。文獻(xiàn)［8］認(rèn)為虛擬電廠是將小型分布式電源集合成一個(gè)整體的形式參與電網(wǎng)的運(yùn)行，但是并未將可控負(fù)荷考慮進(jìn)去。文獻(xiàn)［9］將虛擬電廠定義為通過通信技術(shù)將不同發(fā)電機(jī)組整合在一起的虛擬的企業(yè)。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為虛擬電廠內(nèi)包含了風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源，小型汽輪機(jī)等常規(guī)分布式電源，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷等，通過精細(xì)化管理，滿足對(duì)內(nèi)供電的基礎(chǔ)上積極參與外部電力市場(chǎng)。

結(jié)合前人對(duì)虛擬電廠的定義［2-3，6-12］，對(duì)虛擬電廠的概念做出如下闡述：虛擬電廠是基于先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化預(yù)測(cè)等算法，通過整合分布式電源 （包括可再生和常規(guī)兩種分布式電源）、可控負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置而形成的一個(gè)虛擬載體從而更方便地對(duì)其進(jìn)行控制、參與內(nèi)外部供電并完成市場(chǎng)運(yùn)營。虛擬電廠主要包括分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷及通信系統(tǒng)等，如圖1所示。虛擬電廠的各子部分不直接受電網(wǎng)調(diào)度中心控制，而是由虛擬電廠的控制中心通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對(duì)所轄各子部分進(jìn)行控制，構(gòu)成一個(gè)虛擬的整體，再以這個(gè)虛構(gòu)的整體參與電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度，力求達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等效益的最大化［2-3，7］。虛擬電廠控制中心與電網(wǎng)調(diào)度中心及虛擬電廠各子部分之間通過信息技術(shù)進(jìn)行雙向通信，以及時(shí)進(jìn)行命令發(fā)布、信息反饋等。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，通常是由調(diào)度中心做出調(diào)度決策對(duì)每臺(tái)規(guī)模較大的機(jī)組發(fā)出運(yùn)行、出力大小、關(guān)停等指令，以保障發(fā)電的整體經(jīng)濟(jì)效益和整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于分布式電源、儲(chǔ)能等單機(jī)容量小，對(duì)電網(wǎng)影響也極小，電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度時(shí)沒必要直接對(duì)單機(jī)發(fā)出指令，而只需要對(duì)各虛擬電廠的控制中心下達(dá)相應(yīng)指令即可。在電網(wǎng)中，虛擬電廠的控制中心作為電網(wǎng)調(diào)度和分布式電源等小型設(shè)備的中間者參與電網(wǎng)的運(yùn)行管理，能夠整合不同類型分布式電源的優(yōu)缺點(diǎn)，使得分布式電源更安全高效地運(yùn)行。

圖1 虛擬電廠運(yùn)行模式

1.2 虛擬電廠的控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳輸控制結(jié)構(gòu)的不同，虛擬電廠的控制方式分為：集中控制方式、層次控制方式和完全分散控制方式［14］。

集中控制方式，如圖2所示。在集中控制方式下，虛擬電廠的控制中心掌握著范圍內(nèi)所有分布式發(fā)電或用電單元的完整信息，并通過通信技術(shù)對(duì)所有分布式單元進(jìn)行完全控制，虛擬電廠的所有方案均由其制定。

圖2 虛擬電廠的集中控制模式

層次控制方式即半分散控制方式，如圖3所示。在半分散控制方式下，虛擬電廠被分為多個(gè)層次，下層虛擬電廠的控制中心負(fù)責(zé)管理范圍內(nèi)的所有分布式發(fā)電或用電單元，再由下層的控制中心反饋給更上一級(jí)的控制中心，從而構(gòu)成一個(gè)整體。上層控制中心將任務(wù)分配到下層控制中心，再由下層控制中心對(duì)每個(gè)分布式單元進(jìn)行控制。

圖3 虛擬電廠的分層控制模式

分散控制方式，如圖4所示。在分散控制方式下，虛擬電廠的控制中心簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)交換與處理中心，只是簡(jiǎn)單提供有關(guān)數(shù)據(jù)信息。虛擬電廠被劃分為相互獨(dú)立的智能自治子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過其智能代理進(jìn)行協(xié)同合作以完成相應(yīng)任務(wù)。這些子系統(tǒng)只接受數(shù)據(jù)交換與處理中心的數(shù)據(jù)信息，不受其控制，但各子系統(tǒng)之間存在相互影響。

圖4 虛擬電廠的分散控制模式

2 儲(chǔ)能技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用

儲(chǔ)能系統(tǒng)不但能夠在電網(wǎng)中起到削峰填谷、減少備用容量等作用，也是虛擬電廠的重要組成部分，在虛擬電廠的運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用，能夠大大增加虛擬電廠的可控性、靈活性和清潔性。

2.1 提高可再生能源利用率

虛擬電廠中包含了大量諸如太陽能、風(fēng)能這樣的可再生能源，但可再生能源受自然條件限制比較嚴(yán)重，其電能輸出具有波動(dòng)性、隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，當(dāng)光照強(qiáng)度、風(fēng)力發(fā)生變化時(shí)，可再生能源輸出功率就會(huì)發(fā)生變化。因此為提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行能力，需要儲(chǔ)能設(shè)備平抑可再生能源出力波動(dòng)。當(dāng)光伏、風(fēng)力發(fā)電等超過預(yù)測(cè)值或出力大于負(fù)荷時(shí)可將多余功率暫時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中；當(dāng)可再生能源出力不足時(shí)，可將儲(chǔ)能設(shè)備中的能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行利用。文獻(xiàn)［15］將儲(chǔ)能電池和光伏發(fā)電進(jìn)行結(jié)合，提出了光儲(chǔ)優(yōu)化調(diào)度的新策略，實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 改善虛擬電廠的電能質(zhì)量

虛擬電廠中的分布式能源在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，也由于電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用給系統(tǒng)帶來了大量的諧波。當(dāng)系統(tǒng)中有諧波電流存在時(shí)，可通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的逆變器輸出與諧波電流大小相等方向相反的電流對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償以提高電能質(zhì)量。

由于自然因素導(dǎo)致的分布式電源出力降低、負(fù)荷的突然增加等都會(huì)導(dǎo)致電壓的暫時(shí)降低，此時(shí)由儲(chǔ)能裝置向系統(tǒng)適當(dāng)補(bǔ)償有功功率即可恢復(fù)正常電壓。由分布式電源出力突增、負(fù)荷突降等引起電壓的驟升，此時(shí)儲(chǔ)能裝置可作為負(fù)荷以恢復(fù)正常電壓。

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電側(cè)的供給和負(fù)荷需求不平衡時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)產(chǎn)生一定偏差。當(dāng)負(fù)荷需求較大時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際頻率會(huì)下降，頻率偏差為負(fù)值，此時(shí)儲(chǔ)能裝置可向系統(tǒng)供電以達(dá)到平衡、降低偏差；當(dāng)負(fù)荷需求較小時(shí)，實(shí)際頻率會(huì)增大，頻率偏差為正值，此時(shí)儲(chǔ)能裝置作為負(fù)荷以達(dá)到平衡、降低頻率偏差。

2.3 提高供電可靠性

可再生能源發(fā)電中，由于自然條件的變化可能導(dǎo)致可再生能源發(fā)電設(shè)備的出力為零，電網(wǎng)突然故障等原因也會(huì)導(dǎo)致用戶電力中斷，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可向虛擬電廠的用戶進(jìn)行持續(xù)供電，在系統(tǒng)故障時(shí)提高供電可靠性。

3 儲(chǔ)能技術(shù)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電能的生產(chǎn)、傳送、分配和使用幾乎同時(shí)進(jìn)行，必須做到即發(fā)即用的供需平衡狀態(tài)。但隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，及可再生能源的大規(guī)模接入，傳統(tǒng)電網(wǎng)面臨很大的挑戰(zhàn)，如可再生能源的波動(dòng)性、電動(dòng)汽車瞬時(shí)高功率等，而儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用則提供了一定的解決思路和方法。

按照能量類型的不同，儲(chǔ)能技術(shù)主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等，每個(gè)類型又細(xì)分為多種［17］，詳情如圖 5 所示。

圖5 儲(chǔ)能技術(shù)的主要種類

3.1 機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能即為將多余的電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能、動(dòng)能等機(jī)械能進(jìn)行儲(chǔ)存，主要有抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。

抽水蓄能。在電力負(fù)荷低谷時(shí)段把下水庫的水抽到上水庫把電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)存，在負(fù)荷高峰時(shí)段將水釋放進(jìn)行發(fā)電。傳統(tǒng)抽水蓄能主要依靠江河大壩進(jìn)行充放電，近些年來又出現(xiàn)了海水抽水蓄能、地下水抽水蓄能等新方式。文獻(xiàn)［16］介紹了國內(nèi)外海水抽水蓄能的研究現(xiàn)狀，并探討了我國海水抽水蓄能示范項(xiàng)目的開發(fā)模式等。抽水蓄能是目前最成熟、應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，其具有規(guī)模大、壽命長、投資效益比高、運(yùn)行靈活及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是也具有受地形和水資源限制、建設(shè)周期長、工程投資較大及損失能量較多等缺點(diǎn)［17］。由于水資源蒸發(fā)、泵水功率耗費(fèi)較大等因素，抽水蓄能電站充放電效率一般在70%左右。抽水蓄能主要用于系統(tǒng)削峰填谷、調(diào)節(jié)頻率和事故備用等。一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機(jī)占比在5%～10%，而我國還不到2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)發(fā)展的需要。近年來，我國抽水蓄能電站建設(shè)速度加快，在一定程度上緩解了蓄能電站的短缺狀況，但是仍需繼續(xù)加大建設(shè)力度。目前已有學(xué)者將蓄能電站考慮進(jìn)虛擬電廠中，文獻(xiàn)［18］以抽水蓄能電站、燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)電場(chǎng)組成虛擬電廠，建立了虛擬電廠參與電力市場(chǎng)的魯棒優(yōu)化競(jìng)標(biāo)模型，并給出了求解方法。

飛輪儲(chǔ)能。在電力盈余時(shí)，由電網(wǎng)提供電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能［19］。放電時(shí)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使飛輪速度降低，將飛輪的動(dòng)能能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境真空度較高，空氣阻力較小，因此飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能效率高、壽命長、無次數(shù)限制及清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，此外飛輪儲(chǔ)能還具有快速充放電、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一。但是飛輪儲(chǔ)能在建設(shè)成本及確保飛輪系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)用較高。飛輪儲(chǔ)能不適用于小型儲(chǔ)能，主要作為蓄電池系統(tǒng)的補(bǔ)充。隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，將能在很大程度上解決風(fēng)能和太陽能波動(dòng)性和隨機(jī)性等問題。文獻(xiàn)［20］將飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用于風(fēng)電功率綜合調(diào)控，抑制了虛擬電廠中風(fēng)電的波動(dòng)、改善了并網(wǎng)特性。

壓縮空氣儲(chǔ)能是指在電力負(fù)荷低谷時(shí)用電能壓縮空氣，將空氣高壓密封在儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣井、報(bào)廢礦井、過氣油氣井或山洞等儲(chǔ)氣設(shè)施中，在負(fù)荷高峰時(shí)段釋放壓縮的空氣以推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、周期長、效率高及安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但是也面臨受地形地質(zhì)限制、容易效率退化等問題［21］。壓縮空氣儲(chǔ)能的充放電效率在75%左右，隨著技術(shù)的進(jìn)步，儲(chǔ)能效率能達(dá)到80%以上。壓縮空氣儲(chǔ)能適用于解決大規(guī)模風(fēng)力、太陽能發(fā)電的平滑輸出問題。文獻(xiàn)［22］通過壓縮空氣儲(chǔ)能改善風(fēng)能與太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性，為可再生能源及大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用提供了參考。

3.2 電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能是將多余的電力轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶诺绕渌问降哪芰窟M(jìn)行儲(chǔ)存，主要包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)材料制成超導(dǎo)線圈，由電網(wǎng)經(jīng)變流器、功率變換器等將電能轉(zhuǎn)化為電磁能在超導(dǎo)線圈中儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)再把能量通過逆變器等轉(zhuǎn)化成交流電供用戶使用。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能具有響應(yīng)時(shí)間快、功率密度高、轉(zhuǎn)換速度快、損失能量小及充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，充放電效率在95%以上，響應(yīng)時(shí)間僅為電池的0.1%～1%［23］。但現(xiàn)在超導(dǎo)材料本身及維護(hù)費(fèi)用仍然很昂貴，且超導(dǎo)材料具有強(qiáng)非線性，一旦失超對(duì)系統(tǒng)危害很大。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能主要應(yīng)用在電網(wǎng)電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)、頻率控制、脈沖負(fù)載供電、調(diào)節(jié)分布式電源的功率輸出等方面。由于超導(dǎo)磁材料價(jià)格、可靠性等原因，超導(dǎo)磁材料商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用還需要政策、技術(shù)、資金等多方面的支持。

超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩種，前者沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)屬于電磁儲(chǔ)能，后者發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)屬于電化學(xué)儲(chǔ)能［17］。雙電層電容器的儲(chǔ)能是在電極和電解質(zhì)溶液之間形成的雙電層之間庫侖力及分子、原子間作用力等固液界面出現(xiàn)符號(hào)相反的兩層電荷。法拉第準(zhǔn)電容器是在電極表面或體相中的二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附。超級(jí)電容器儲(chǔ)能的主要優(yōu)點(diǎn)是充放電迅速、功率密度高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長、安全穩(wěn)定及溫度特性好等，其缺點(diǎn)主要為能量密度低、成本高等［24］。超級(jí)電容器儲(chǔ)能效率在70%～80%之間。超級(jí)電容器可向風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源電力系統(tǒng)提供備用能量、改善電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓變化、提供電動(dòng)汽車瞬時(shí)高功率等。文獻(xiàn)［25］將超級(jí)電容器應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越中，仿真表明該方案能夠有效地抑制直流側(cè)過電壓，為超級(jí)電容器在虛擬電廠中的應(yīng)用提供了新思路。

3.3 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能是通過化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，主要是各種形式的電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池和液硫電池等。文獻(xiàn)［26］把電池儲(chǔ)能考慮進(jìn)商業(yè)型虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，以實(shí)例驗(yàn)證了模型的實(shí)用性。

鋰離子電池是一種高能源效率、高能量密度的儲(chǔ)能電池，其工作原理主要依靠鋰離子在以金屬氧化物為材料的正極和以石墨為材料的負(fù)極之間嵌入實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)性能優(yōu)異、使用壽命長及充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，充放電效率為85%以上。但是也具有成本高昂、安全性相對(duì)不足等缺點(diǎn)［27］，鋰離子電池在過充、高溫、短路等條件下，易發(fā)生燃燒甚至是爆炸等事故。目前鋰電池儲(chǔ)能電站的額定容量較小，主要在提供應(yīng)急電源、旋轉(zhuǎn)備用或解決新能源發(fā)電的波動(dòng)性等方面。鋰離子電池是一個(gè)涉及化學(xué)、材料、物理、能源等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，雖然對(duì)它研究與開發(fā)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是研制中還存在許多問題有待解決。

鉛酸電池是以鉛為負(fù)極，鉛的氧化物為正極，硫酸溶液為電解質(zhì)的一種蓄電池。鉛酸電池是最早規(guī)?；纳虡I(yè)電池，具有技術(shù)成熟、成本低、儲(chǔ)量大、原材料來源廣等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在能量密度低、壽命短、容易造成環(huán)境污染等問題［28］。鉛酸電池充放電效率為80%左右，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的備用容量、頻率調(diào)節(jié)等方面，也可作為事故緊急電源使用，但是由于其體積大、制造過程對(duì)環(huán)境有污染等原因不適合在未來智能電網(wǎng)中應(yīng)用。文獻(xiàn)［29］以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，構(gòu)建了體現(xiàn)儲(chǔ)能裝置需求響應(yīng)的優(yōu)化配置模型，并采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

液硫電池中的電解液由泵驅(qū)動(dòng)在正負(fù)極的電堆和儲(chǔ)槽之間循環(huán)電解液，在正負(fù)極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而完成能量的轉(zhuǎn)換，分為全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系。液硫電池的儲(chǔ)能容量是由儲(chǔ)槽中的電解液容積決定的，而電池的反應(yīng)面積則決定了其輸出功率的大小。液硫電池配置靈活，能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘍?chǔ)能、大電流和深度放電等，具有快速響應(yīng)、高功率輸出、循環(huán)壽命長、易于維護(hù)、儲(chǔ)存能量大及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但是也具有成本較高、材料受限制、對(duì)設(shè)備要求較高等缺點(diǎn)［30］。液硫電池適用于應(yīng)急電源或新能源發(fā)電的調(diào)節(jié)、電網(wǎng)削峰填谷等規(guī)?；I(lǐng)域，是電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。隨著液硫電池技術(shù)的成熟、新材料的研發(fā)以及成本的下降等，液硫電池的自身性能將不斷得到優(yōu)化，優(yōu)勢(shì)更加明顯，未來也將在虛擬電廠中得到最廣泛的應(yīng)用。

4 虛擬電廠儲(chǔ)能面臨的挑戰(zhàn)及未來展望

4.1 面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

通過以上研究分析可知，虛擬電廠中的各類儲(chǔ)能技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不完全一致，不能完全兼顧各方要求。各種儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展尚不成熟，虛擬電廠中的儲(chǔ)能技術(shù)也處于起步階段，因此存在著許多問題。

成本過高。目前儲(chǔ)能技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用尚處于起步階段，儲(chǔ)能設(shè)備由于材料、技術(shù)等原因造成的成本過高問題成為影響其大規(guī)模應(yīng)用的最大瓶頸之一。因此應(yīng)該加大對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的研究力度，積極尋找電池的低成本材料、探索降低成本的新方法。

充放電的效率和速度偏低。儲(chǔ)能的控制技術(shù)和方法尚存在不足，充放電的速度偏低，損耗過大。因此應(yīng)該積極促進(jìn)對(duì)儲(chǔ)能控制技術(shù)的研究，提高充放電速度，降低充放電過程中的損耗，提高充放電效率。

各種儲(chǔ)能技術(shù)不能同時(shí)兼顧虛擬電廠的要求。各類儲(chǔ)能技術(shù)都存在著一定的缺點(diǎn)和局限性，尚無兼具各種優(yōu)點(diǎn)的儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用也造成了一定的挑戰(zhàn)。因此可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［31］以分時(shí)電價(jià)為基礎(chǔ)，將抽水蓄能和儲(chǔ)能電池組合成四種場(chǎng)景集，研究了4種場(chǎng)景下虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)性。

儲(chǔ)能電池的污染問題。儲(chǔ)能設(shè)備中有很大一部分是儲(chǔ)能電池，而電池中的材料大部分會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此應(yīng)該加大廢舊儲(chǔ)能電池的回收，嚴(yán)格監(jiān)管現(xiàn)有電池的使用，防止其廢舊之后再污染環(huán)境。

儲(chǔ)能技術(shù)的安全問題。目前鋰離子電池等儲(chǔ)能技術(shù)尚未完全成熟，安全性不能得到保證，在過充、短路等不安全行為下，易發(fā)生燃燒甚至是爆炸等危險(xiǎn)狀況。因此要加強(qiáng)對(duì)這類儲(chǔ)能裝置的監(jiān)控力度，盡量減少安全隱患，同時(shí)要加大研發(fā)力度從根源上杜絕安全事故的發(fā)生。

4.2 未來展望

隨著可再生能源的日漸增多，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，虛擬電廠的發(fā)展將會(huì)非常廣闊。而目前儲(chǔ)能電池是虛擬電廠穩(wěn)定可再生能源波動(dòng)最有效的工具，因此未來大規(guī)模儲(chǔ)能電池將會(huì)得到大范圍的應(yīng)用。

近年來國家在政策、資金等方面加大了對(duì)儲(chǔ)能的支持力度，儲(chǔ)能技術(shù)逐漸進(jìn)步，充放電效率和速度得到提高，安全性得到不斷加強(qiáng)，儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度也在不斷增加，成本進(jìn)一步降低，儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用也將逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)階段可以將各類儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，以取長補(bǔ)短，發(fā)揮各類儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將得到快速發(fā)展。

隨著國家環(huán)保政策逐漸嚴(yán)厲，民眾環(huán)保意識(shí)也得到了提升，廢舊儲(chǔ)能電池的回收利用也會(huì)有更大的進(jìn)步。

電動(dòng)汽車由于其經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，再加上國家對(duì)電動(dòng)汽車的大力支持，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)了迅速發(fā)展。電動(dòng)汽車由于大部分時(shí)間都處于閑置狀態(tài)，電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車電池的利用具有十分廣闊的前景。在眾多充電方式中，電動(dòng)汽車更換電池的方式得到了更多青睞。文獻(xiàn)［32］以北京為實(shí)例將電動(dòng)汽車慢充和換電兩種方式進(jìn)行了對(duì)比，從中能看出換電方式對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行更加有利，在未來也將更有發(fā)展前途。因此可以在保證電動(dòng)汽車用戶正常出行的前提下，將充換電站中的電池充當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備，在負(fù)荷低谷時(shí)段充電，在峰時(shí)段放電。將充換電站納入調(diào)度范圍內(nèi)，能夠減少對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的投資，增加電動(dòng)汽車電池的利用率，實(shí)現(xiàn)效益更大化。

5 結(jié)語

近年來，可再生能源由于其清潔環(huán)保、發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)使其在電力系統(tǒng)中的比重不斷增加，給電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行造成了巨大的挑戰(zhàn)。而包含儲(chǔ)能裝置的虛擬電廠為解決可再生能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊提供了新的思路和方法。根據(jù)前人對(duì)虛擬電廠的研究闡述了虛擬電廠的定義，并研究了虛擬電廠的相關(guān)概念及控制結(jié)構(gòu)。以存儲(chǔ)能量類型的不同將儲(chǔ)能裝置分成了3大類，比較了每類儲(chǔ)能方式下各種儲(chǔ)能的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。儲(chǔ)能技術(shù)不但能夠克服虛擬電廠中可再生能源的波動(dòng)性和隨機(jī)性，還能夠提高可再生能源利用率、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性。

虛擬電廠中的各類儲(chǔ)能技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能完全兼顧各方要求。為了我國電力工業(yè)的良好發(fā)展，首先應(yīng)該在虛擬電廠中將各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮各類儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)，盡量兼顧安全性、比功率高、壽命長、技術(shù)成熟、受限制少及性價(jià)比高等多方面的要求；與此同時(shí)也要加緊研發(fā)更加低價(jià)高效的儲(chǔ)能方式，提高效率，降低成本，盡量兼顧多方要求。