大規(guī)模電池儲能在電力系統(tǒng)中的應用

● 湖南大學電氣與信息工程學院 李欣然

風電和太陽能光伏發(fā)電等具有間歇性和隨機波動性的清潔可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網，導致電網面臨諸如調峰和調頻壓力增大、電壓波動頻繁、日常調度計劃管理困難等一些列問題，嚴重威脅電網的安全穩(wěn)定運行，也由于旋轉備用增大等原因影響電網運行的經濟性。在某些運行方式下，電網為保證其安全穩(wěn)定運行，不得不限制風電場和光伏電站的出力，造成棄風、棄光，嚴重制約了風電、光伏發(fā)電的消納能力。

具有快速、精準調節(jié)能力的電池儲能相對其他類型的儲能擁有能量密度高、選址限制因素少、功率吞吐靈活、能量損耗小等優(yōu)點，不僅能有效提高電網消納風光發(fā)電并網的能力，而且可以成為電網優(yōu)質的輔助服務資源。近年來，隨著電化學儲能技術的發(fā)展與成本降低以及新能源裝機容量的快速增長，電池儲能技術開始在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用等各環(huán)節(jié)中逐漸推廣應用。

1 電池儲能的主要技術特點

電池儲能是利用電化學反應實現(xiàn)電能與化學能之間相互轉換的儲能技術，也是目前發(fā)展最迅猛的儲能技術。電池儲能主要包含鋰離子、鉛酸、鈉硫、液流電池儲能等，它們具有高效率、應用靈活、響應速度快等優(yōu)點，逐漸在電力儲能市場占有越來越重要的地位?？偟膩碚f，電池儲能技術比較成熟，是目前大規(guī)模儲能領域的主要研究和應用方向。各類主要電池儲能的主要技術指標比較如表 1。

表1 各類主要電池儲能技術對比

2 規(guī)?；姵貎δ芗夹g在電力系統(tǒng)中的典型應用場景

將電池儲能配置在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用等各個環(huán)節(jié)，在不同的應用場景下可以發(fā)揮不同的作用。

2.1 在發(fā)電側的應用

（1）平抑風光等新能源出力波動。將儲能系統(tǒng)與光伏、風電等波動性分布式電源緊密配合，利用儲能系統(tǒng)的快速充放電特性平抑這些電源的快速波動性，可顯著提高這些電源的功率輸出品質，改善電能質量，降低其對系統(tǒng)的影響。

（2）增強可再生能源的可調度性。將儲能系統(tǒng)與可再生能源有效加以集成，對電網而言形成一個統(tǒng)一的單元，在充分利用可再生能源的同時，利用儲能系統(tǒng)的充放電特性，實現(xiàn)在一定時間上輸出總功率的調節(jié)，進而使其具備一定程度的可調度性。

2.2 在電網側的應用

（1）應用于調峰和削峰填谷。利用規(guī)模化電池儲能電站功率/能量的時空搬運能力，參與調峰與削峰填谷，可以有效降低電網峰谷差，由此將產生多重效益；可以有效緩解負荷高峰期電網供電能力不足的問題；可以緩解或替代輸電通道與變電站的增容擴容建設；可以有效優(yōu)化全網負荷特性，提高設備利用率；能夠緩解和降低傳統(tǒng)機組的調峰壓力，降低機組調峰成本。

（2）應用于輔助暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制，提高電網安全穩(wěn)定水平。電池儲能電站是一種優(yōu)質的暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制資源，能顯著提高電網暫態(tài)安全穩(wěn)定水平。當配置于電網受端（負荷中心），可以在嚴重大擾動時提供緊急動態(tài)無功支持，以快速恢復受端電壓從而提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；或提供緊急有功支援以緩解受端機組減速、減少切負荷量，提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性。當配置于主力電廠/機組附近，可以在嚴重大擾動時快速吸收剩余功率/能量，起到電氣制動作用，緩解機組加速，提高暫態(tài)同步穩(wěn)定性。

（3）應用于提高電網清潔能源發(fā)電并網的消納能力。對于小水電和風電富集地區(qū)，清潔能源發(fā)電通常在中、低壓配網以分散分布的方式并網（包括中、低壓并網的徑流式小水電和迅猛增長的風電和光伏發(fā)電）且間歇性波動特征顯著，出力波動大且尖峰出力持續(xù)時間短。由于10～110kV中、高壓配網網架薄弱，尖峰出力情況下送出困難，分散的分布式清潔能源發(fā)電的棄電現(xiàn)象嚴重。盡管可以通過加強10～110kV中、高壓送出通道建設解決棄電問題，但設備利用率低、投資效益差。通過配置電池儲能電站，既可以有效解決棄電問題，提高分散分布式清潔能源發(fā)電并網的消納能力，也可以緩解甚至替代中、高壓送出通道建設，節(jié)省網絡建設投資，提高設備利用率，還可以有效平抑并網點功率波動，有效減小變電站的電壓調節(jié)壓力和變電容量配置，提高110kV及220kV變電設備利用率。

（4）應用于調頻調壓等輔助服務。由于產業(yè)結構調整等因素導致的負荷特性變化以及由于風光發(fā)電并網迅速增長導致的電源結構變化，電網等效負荷呈現(xiàn)短期變動加劇的趨勢，電網調頻、調壓能力已難滿足源、荷結構急劇變化的要求。電池儲能電站作為一種優(yōu)質的調頻、調壓資源，可以有效輔助電網的快速調頻、調壓，顯著提高電網的調節(jié)能力和運行的靈活性。研究表明，電池儲能輔助一次調頻的額定容量（功率）需求僅為水/火電機組一次調頻備用容量的1/10～1/30，且對負荷變化的跟蹤速度可達秒級；輔助二次調頻（AGC）的所需容量只有水/火電機組的1/2～1/20。由此可見，電池儲能輔助電網調頻可以顯著減小調頻備用，提高機組利用效率；可以減少常規(guī)機組由于頻繁調頻帶來的損耗，提高機組壽命，降低運行維護成本；可以顯著改善暫態(tài)頻率質量，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。電池儲能電站應用于輔助調壓更具有可觀的潛在效益——無論應用于正常調壓還是動態(tài)無功支撐，理論上只占有PCS容量而不消耗電池的儲存能量（SOC），因此當電網呈現(xiàn)出以電壓問題為主導性的運行狀態(tài)時，利用電池儲能電站輔助調壓（包括動態(tài)無功支撐），完全不影響其在其它應用場景下的作用，有效拓展了儲能電站的應用空間，提高了其利用效率，而且因其響應的快速性，可以顯著改善暫態(tài)電壓質量。

2.3 儲能在用戶側的應用

（1）主動需求響應。電池儲能電站實施主體為用戶或者第三方投資方時，可以節(jié)省電費、最大限度套利為目標，通過在電價低時充電和電價高時放電，以參與需求響應的形式幫助用戶在不改變用電習慣的情況下進行錯峰用電，從而降低購電費用。對于電網而言，可以實現(xiàn)削峰填谷，顯著提高電網的資產利用率，延緩系統(tǒng)改擴建，降低系統(tǒng)損耗，因而具有多方面的經濟性。

（2）改善電能質量。間歇性的分布式電源和大量電力電子設備的應用可能會造成用戶的電能質量問題。在用戶側接入分布式儲能系統(tǒng)，能快速響應系統(tǒng)中各種擾動，有效地維持電壓幅值的變化，控制波形畸變率在較小的范圍內，從而提高用戶電能質量。

（3）備用電源。為防止電力系統(tǒng)的重要用戶在電網故障或停電時的經濟損失，通過配置一定容量的電池儲能電站作為應急電源或不間斷電源（UPS），在停電時確保重要負荷供電，可有效提高供電可靠性。

3 結束語

大規(guī)模電池儲能技術是提高清潔能源發(fā)電并網消納能力和電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行調度靈活性的有效手段，大規(guī)模電池儲能電站的并網運行必將改變電網的電源與負荷特性。結合具體電網的實際情況，研究大規(guī)模儲能電站在電力系統(tǒng)中的綜合應用場景及其規(guī)劃、調度控制和運維管理等方面理論方法與實用技術，將成為電力系統(tǒng)分析與控制領域重要的研究方向。