電池儲能系統(tǒng)運行控制與應用方法綜述及展望

楊俊杰

杭州華辰電力控制工程有限公司，浙江 杭州 310014

0 引言

近年來，為了實現(xiàn)低碳發(fā)展，風電、太陽能等實現(xiàn)快速發(fā)展，新增能源裝機比例。但是，隨著低碳能源的快速發(fā)展，新接入能源電網(wǎng)的波動性和臨時性對電網(wǎng)安全的調(diào)控、運行和控制產(chǎn)生了負面影響，嚴重制約了能源的高效利用[1]。分散式集中發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合是應對新型發(fā)電和并網(wǎng)挑戰(zhàn)的有效方式，隨著技術的不斷進步，也為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略提供了重要的支撐。

1 電池儲能系統(tǒng)概述

儲能電池的功率和能量可以靈活調(diào)節(jié)，響應比較迅速，可以滿足多種應用需求，且可以不受地理資源等外部條件的限制進行大規(guī)模應用和批量生產(chǎn)，它在新并網(wǎng)與輔助電網(wǎng)運行的互動中占據(jù)不可或缺的地位。近年來，電動汽車發(fā)展勢頭較好，電池壽命和成本問題在很大程度上已經(jīng)得到改善，并且電池技術也取得了長足的進步。其中，它是最具關注度和發(fā)展最快的儲能技術。然而，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)采用的固定串并聯(lián)連接方式，無法在電芯層面進行精確檢測和控制[2]?；陔姵仃嚵械目芍貥?gòu)數(shù)字儲能技術，可將電池單元產(chǎn)生的連續(xù)能量流通過高頻、高效的電子功率半導體元件進行離散化和數(shù)字化，將物理域中的電池映射關系轉(zhuǎn)化為數(shù)字域映射，消除了電芯物理化學性質(zhì)帶來的差異，克服了電池系統(tǒng)的短板效應，滿足了眾多應用的需求[3]。

電池儲能系統(tǒng)包含大量電力電子開關器件（如PCS系統(tǒng)），可重構(gòu)電池模組的設計，也包含大量可控斷續(xù)器。以基于可重構(gòu)電池陣列的大型電池儲能為例，電池模塊的每個最小控制單元都應連接可控開關，以實現(xiàn)精確控制，電池之間也是如此。使用電力電子設備開關連接，可以精確控制整個模塊。大型電池儲能系統(tǒng)采用模塊化級聯(lián)電子電力變壓器，由耐壓高、傳輸功率大的電源控制系統(tǒng)（如級聯(lián)H橋、MMC等）組成。帶直流隔離級的雙有源橋可以通過移相調(diào)節(jié)控制靈活地實現(xiàn)功率均衡和電流隔離，這可以對目標集成電路差異較大的電池模塊進行充放電均衡控制。

由于容量有限，傳統(tǒng)的小型電池儲能系統(tǒng)只能用于穩(wěn)定新一代分散式能源和并網(wǎng)的輸出功率，隨著兆瓦級電池儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)，它可以對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮更大的作用。

2 電池儲能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的應用

2.1 平滑出力波動

因為風能、太陽能等新能源具有周期性和隨機能量變化的特點，新型發(fā)電設備直接接入大電網(wǎng)，將對電網(wǎng)的分布和運行產(chǎn)生更大的影響，甚至直接觸發(fā)一定的與安全性相關的危險事故。結(jié)合使用電池存儲和可再生能源發(fā)電，隨機輸出功率可以轉(zhuǎn)換成相對穩(wěn)定的功率，新能源并網(wǎng)后，儲能系統(tǒng)對抑制新一代能源的能量波動具有顯著影響。評估網(wǎng)絡的不穩(wěn)定容量是良好控制策略的核心，以輸出波動作為輸入變量，控制反饋是優(yōu)化控制解決方案的關鍵。

2.2 監(jiān)控出力和經(jīng)濟調(diào)度

新能源發(fā)電系統(tǒng)的出力普遍呈現(xiàn)出極強的間歇性，且極難準確預測，如何制訂科學合理的日前、日內(nèi)及超短期（實時）出力計劃，在滿足調(diào)度及儲能約束的前提下保證新能源的高效輸出是關鍵。在出力計劃跟蹤方面，當前研究主要可分為日前、日內(nèi)及實時出力計劃跟蹤三個方面。針對日前出力計劃，大量文獻分別針對有功功率計劃和無功功率計劃提出了儲能裝置對新能源發(fā)電出力的補償控制方法，取得了削峰填谷、改善潮流的良好效果。針對日內(nèi)出力計劃，主要工作集中在如何引入基于實時電價、負載需求和新能源出力等因素構(gòu)建出最優(yōu)性能指標函數(shù)，在最大限度地跟蹤出力計劃的同時，實現(xiàn)延長電池使用壽命等附加目標。針對實時出力計劃的跟蹤方案，則更多地將減少日前短期新能源出力預測誤差作為其控制目標。電池儲能系統(tǒng)對于增強新能源發(fā)電的調(diào)度計劃跟蹤能力、提高新能源利用率具有重要的作用，如何將不同時間尺度的出力計劃跟蹤控制策略進行有效協(xié)調(diào)融合，提高電池儲能系統(tǒng)計劃跟蹤性能是該領域需要進一步探索的研究方向。

2.3 調(diào)節(jié)電源的頻率和電壓

在發(fā)電側(cè)安裝電池系統(tǒng)時，調(diào)整功能可以靈活調(diào)整有功、無功的輸入輸出，因此，提高發(fā)電中的調(diào)頻調(diào)壓功能，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量十分重要。儲能系統(tǒng)增加了電力生產(chǎn)部門的調(diào)頻調(diào)壓功能，適用于新能源和傳統(tǒng)能源。在新型發(fā)電中，基于轉(zhuǎn)矩限制控制的慣性控制方法可以實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)和永磁同步風力發(fā)電機的聯(lián)合控制，改進了風電機組并網(wǎng)過程。在傳統(tǒng)發(fā)電方面，通過對電池儲能系統(tǒng)進行調(diào)頻，從而提高常規(guī)火力發(fā)電的AGC性能，這一經(jīng)濟效益得到確認，現(xiàn)場試驗結(jié)果也得到證實，它顯示了儲能系統(tǒng)對提高發(fā)電機組調(diào)頻能力的效果。

3 電池儲能系統(tǒng)在輸電側(cè)的應用

3.1 參與系統(tǒng)調(diào)頻

除了在電源側(cè)集成電池系統(tǒng)，電池儲能系統(tǒng)的并入還提高了發(fā)電機組的AGC性能，使集中式和分布式電池容量的儲能系統(tǒng)快速發(fā)展，主電網(wǎng)的電網(wǎng)干擾和異常頻率控制已逐漸成為一些工業(yè)國家控制電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的有效方式。電池存儲通過集中式網(wǎng)絡集成來管理網(wǎng)絡頻率，并有一定的研究背景和使用示范。眾所周知，分布式儲能系統(tǒng)缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一的架構(gòu)和控制策略，基于分布式儲能系統(tǒng)的頻率支持模型還處于理論研究階段。隨著儲能系統(tǒng)接入規(guī)模的不斷擴大，儲能系統(tǒng)在支持未來電網(wǎng)頻率方面的作用也將越來越大，因此提出合適的集成控制方法也是該領域未來重要的發(fā)展方向之一。

3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡配電

隨著不穩(wěn)定和間歇性可再生能源大規(guī)模并入電網(wǎng)，跨電網(wǎng)的有功和無功配置及優(yōu)化變得越來越復雜，新輸電線路的容量也減少了。因此，必須協(xié)調(diào)傳統(tǒng)配電、新能源和儲能系統(tǒng)，這對于整個網(wǎng)絡中的最佳有功和無功功率分配非常重要。大型電池儲能系統(tǒng)的使用可以顯著提高網(wǎng)絡運行的能力，使安全與調(diào)度信息相結(jié)合，實現(xiàn)多目標的網(wǎng)絡潮流優(yōu)化。但這一系統(tǒng)的安全性仍有待提高，研究人員也需要做更多的研究。

3.3 提高系統(tǒng)功率

電池儲能系統(tǒng)的作用是通過一側(cè)的充放電過程改變系統(tǒng)中能量流的分布，它是由儲能系統(tǒng)的虛擬慣量創(chuàng)建的，并與系統(tǒng)中的其他發(fā)電機同步以產(chǎn)生耦合的作用。電池儲能系統(tǒng)的特點是根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)快速判斷出傳輸系統(tǒng)的有功和無功功率，因此，電池儲能系統(tǒng)會在一定程度上影響網(wǎng)絡中的能量流動。分布系統(tǒng)中的電流與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關系也與運行條件密切相關，因此如何適應儲能管理策略的問題需要進一步研究。即使在引入虛擬同步電機技術之后，儲能系統(tǒng)仍然會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。虛擬同步電機技術是指模擬同步電機的電氣瞬態(tài)特性，使電源通過變流器同時調(diào)節(jié)電機的慣量、延遲、頻率和電壓的技術。新工藝接入電網(wǎng)對系統(tǒng)功率角穩(wěn)定性的影響，隨著新增裝機功率比例的增加而增大，可見減少大型儲能的影響對提高網(wǎng)絡吸收新能源的能力非常重要。

4 電池儲能系統(tǒng)在配電側(cè)的應用

隨著分布式新能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展，配電網(wǎng)的構(gòu)成元件和拓撲結(jié)構(gòu)也變得日趨復雜，如何在配電網(wǎng)中通過合理配置分布式電池儲能裝置有效發(fā)揮分布式儲能的聚合效應，在保證配電網(wǎng)安全運行的同時實現(xiàn)配電網(wǎng)能量的優(yōu)化，這些都是電池儲能系統(tǒng)的應用過程中需要解決的問題。

儲能裝置作為一種補償配網(wǎng)系統(tǒng)功率波動的有效手段，其容量的配置關系到補償功率波動精度和相關效率指標，有研究就電池儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的科學合理配置問題展開了分析，得出了分布式儲能配置可以得到更精確的容量配置和更優(yōu)的功率補償效果的結(jié)論。考慮配電網(wǎng)的多方面需求，提出適合分布式儲能的控制架構(gòu)是實現(xiàn)其配電網(wǎng)多功能應用的基礎和前提，為此，諸多研究人員針對分布式儲能系統(tǒng)提出了基于電池網(wǎng)絡的分布式電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)化管控關鍵技術，為含分布式儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)運行管理提供了一種控制架構(gòu)。實現(xiàn)經(jīng)濟、安全的配電網(wǎng)量能管理是分布式電池儲能裝置的配置目標，如何優(yōu)化配電網(wǎng)中的有功、無功運作是實現(xiàn)該目標的關鍵。電池儲能系統(tǒng)對于配電網(wǎng)能量優(yōu)化管理具有重要意義，如何合理地對其進行配置，并提出與之相適應的控制架構(gòu)對其進行優(yōu)化控制，是實現(xiàn)該目標的重要前提和途徑。主動配電網(wǎng)是實現(xiàn)大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)運行控制、儲能設備充放電互動、智能配用電等電網(wǎng)分析及運行關鍵技術的有效解決方案，電池儲能系統(tǒng)因其能量傳輸效率高，配置靈活等優(yōu)點是實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的重要技術基礎，這對提高分布式能源的利用效率和配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性具有非常重大的意義。

5 電池儲能電站系統(tǒng)控制策略及優(yōu)化

5.1 AGC控制策略

電池儲能單元的AGC控制方式包括遠程和本地兩種方式。遠程模式運行時，AGC功能模塊接收遠程調(diào)度控制命令，有功功率根據(jù)規(guī)劃確定的有功功率進行分配。如果沒有收到有功功率分配命令，則根據(jù)有功功率計劃的電流曲線進行功率分配。在本地模式下運行時，AGC僅根據(jù)本地有功功率規(guī)劃曲線確定有功功率。

5.2 AVC控制策略

AVC控制方式包括遠方方式和就地方式。當遠方模式運行時，AVC功能模塊接收遠程調(diào)度命令并對無功調(diào)節(jié)進行跟蹤。如果當前沒有分配命令，則根據(jù)就地電壓計劃曲線的值進行無功功率的適配和監(jiān)控。在本地模式下運行時，AVC無功功率控制僅根據(jù)本地電壓計劃曲線或本地輸入進行無功功率控制，不響應本地調(diào)度電壓的控制命令及無功功率調(diào)節(jié)指令。

5.3 接入源網(wǎng)荷系統(tǒng)的控制策略

電池儲能具有快速改變工作狀態(tài)的能力，能實現(xiàn)毫秒級從負荷到電源的轉(zhuǎn)換，從而倍增網(wǎng)絡頻率的應急調(diào)節(jié)，在站內(nèi)安裝源網(wǎng)荷互動終端，數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)絡光纖鏈路連接到源網(wǎng)荷，以實現(xiàn)最大的準確性和對負荷命令的快速響應。儲能站源網(wǎng)充電系統(tǒng)的具體控制策略為收到負荷指令后，交互源網(wǎng)儲能站向PCS和EMS發(fā)送信號通信指令，短時過載容量為每秒最大放電容量，1 s后EMS以放電容量運行。

5.4 通信故障應急策略

通過在本地監(jiān)控設備中安裝AGC、AVC等功能模塊，具有與后臺監(jiān)控系統(tǒng)相同的電源控制功能。電池電站應急通信方案為每個儲能單元采用環(huán)形開關組成本地環(huán)網(wǎng)。當系統(tǒng)通信正常時，儲能設備通過正常網(wǎng)絡與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信，本地監(jiān)控設備存儲所有的站控命令。一旦所有儲能單元確定通信中斷，則將地址號最小的本地監(jiān)控設備指定為主控設備，儲能設備通過本地環(huán)網(wǎng)繼續(xù)運行。

6 結(jié)束語

目前，網(wǎng)絡儲能電站建設仍處于起步階段，雖然數(shù)量和范圍每年都在增加，但缺乏規(guī)劃建設的實踐經(jīng)驗。近年來，儲能技術發(fā)展迅速，發(fā)電廠和用戶配備了大量電池存儲系統(tǒng)，以補償效率波動并降低能源成本?？沙潆妰δ芟到y(tǒng)具有電力配置和容量靈活的優(yōu)點，響應速度快，并且不受地域限制，公共電網(wǎng)使用發(fā)電廠進行儲能，儲能電站在電網(wǎng)中配置后，可以增加電網(wǎng)的負載能力，提高調(diào)峰能力，提高新的能量吸收能力、特高壓直流吸收能力和對直流電流的響應能力，改善阻塞，也可用作啟動電源。為此，文章基于網(wǎng)絡電池儲能系統(tǒng)的儲能電站運行的安全性和可靠性，提出了優(yōu)化廠內(nèi)電站控制的策略，為儲能電站的建設和發(fā)展提供參考。