分布式電池儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用——評《分布式電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度技術(shù)》

吳 軍,母國輝

(1.寧波永耀電力投資集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315000;2.寧波恒晨電力建設(shè)有限公司,浙江 寧波 315500)

隨著工業(yè)用電及居民用電的增加,電網(wǎng)系統(tǒng)常常維持在高負(fù)荷運行狀態(tài),運行故障時有發(fā)生。將分布式電池儲能技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)中,可提高供電質(zhì)量,增強(qiáng)電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。饒宇飛編著的《分布式電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度技術(shù)》一書,首先,介紹分布式儲能技術(shù)的相關(guān)概念、發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用案例,并對常用的電池(如鋰離子電池、鈉離子電池等)儲能技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)概述;接著,給出分布式電池儲能系統(tǒng)及相關(guān)元件的建模方法,并驗證模型的有效性;然后,以電網(wǎng)應(yīng)用為背景,詳述分布式電池儲能的配置方法,對布點定容和協(xié)同控制策略進(jìn)行剖析和仿真分析;最后,給出電池儲能系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)及目標(biāo)調(diào)度策略,并通過仿真計算驗證其正確性。

1 分布式儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

我國的能源消耗已居世界前列,但能源使用效率和可再生能源開發(fā)利用比例不高,分布式儲能是解決該問題的重要手段。分布式儲能即按照實際需求,在配電網(wǎng)端接入儲能裝置,尤其在智能微電網(wǎng)中,可維持用電的負(fù)荷平衡,提高供電可靠性。儲能技術(shù)在發(fā)達(dá)國家發(fā)展較早,美國的示范儲能項目數(shù)量最多,約占全球總量的50%;日本緊隨其后,如永木精械株式會社(NGK)的裝機(jī)量超過了世界上大多數(shù)公司,達(dá)到300 MW;歐洲國家近幾年在可再生能源項目上的投入也很大,覆蓋面廣泛,涵蓋了輸配電、海島微電網(wǎng)等。我國在微電網(wǎng)、電動汽車等領(lǐng)域建立了許多儲能項目。如深圳寶清儲能電站的設(shè)計規(guī)模是10 MW/MW·h,2011年1月首期建設(shè)完成并投入運行。該儲能電站以鈦酸鋰鋰離子電池為儲能主體,輔以H橋鏈?zhǔn)侥芰哭D(zhuǎn)換系統(tǒng),實現(xiàn)能量存儲,配備了火災(zāi)自動監(jiān)測系統(tǒng),可實現(xiàn)二次滅火功能。該儲能項目在配電網(wǎng)端放置電池儲能站,利用儲能監(jiān)控系統(tǒng)控制儲能站的功率分配,實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻、削峰填谷等功能。

2 電池儲能技術(shù)

電池儲能可減少石化能源帶來的環(huán)境污染問題。該書介紹了幾種常用的電池儲能技術(shù)。①鋰離子電池。特點是使用壽命長、自放電率低、效率高,正極材料通常為LiCoO2、LiMn2O4等,負(fù)極材料通常為碳材料、Li4Ti5O12等。衡量鋰離子電池性能的參數(shù)有容量、能量密度、壽命和工作溫度范圍等。在設(shè)計和使用鋰離子電池時,需綜合考慮各種因素。鋰離子電池的性能越來越好,在電動汽車、電網(wǎng)儲能及航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。②液流電池。液流電池容量大,電解液不在電極內(nèi)部,而是存放在特定的容器內(nèi)。液流電池充電時,利用循環(huán)泵將電解液輸入電池內(nèi)部。液流電池的電極通常使用金屬材料、碳素類材料和復(fù)合材料等。實驗發(fā)現(xiàn),將炭黑和石墨以為1∶3的質(zhì)量比混合制作的復(fù)合材料電極的性能較好,電池充放電效率可達(dá)80%以上。衡量液流電池性能的參數(shù)包括容量、功率、響應(yīng)速度和可靠性等,綜合這些因素,目前使用最多的是全釩液流電池。該電池具有較高的充放電可逆性,成本較低,能效高,對環(huán)境的污染較輕,可應(yīng)用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)及可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。全釩液流電池對電極材料的要求很高,必須具有耐腐蝕性、抗氧化性,且導(dǎo)電性和穩(wěn)定性也要滿足標(biāo)準(zhǔn)。目前,使用較多的金屬類電極材料是鈦基氧化銥,在多次充放電后,表面的氧化銥仍不脫落,且可逆性較高。復(fù)合類電極材料通常是將聚乙烯塑料和碳粉(或石墨粉等)按一定比例混合,制成塑料板,以降低成本,增強(qiáng)導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。③鈉硫電池。鈉硫電池是一種容量大、成本低、壽命長、效率高和維護(hù)方便的二次電池,正極材料通常為金屬鈉,負(fù)極材料通常為多硫化物,電解質(zhì)以陶瓷氧化鋁為主。該電池在風(fēng)力發(fā)電、削峰填谷及電網(wǎng)儲能等方面具有重要的作用。

3 分布式電池儲能建模仿真

電池儲能系統(tǒng)的建模包括兩部分:電池組建模和儲能變流器建模。電化學(xué)電池模型的種類很多,有等效電路模型、放電模型等,建模方法主要根據(jù)電池的工作原理和結(jié)構(gòu)來確定。儲能變流器建模包括系統(tǒng)的電路設(shè)計和控制功能設(shè)計。通常并網(wǎng)逆變器(PCS)采用模塊化設(shè)計,將若干個標(biāo)準(zhǔn)功率模塊通過串、并聯(lián)的方式組合成一個大的儲能單元。該儲能單元具有容量大、模塊化設(shè)計的特點,接入電網(wǎng)即可正常使用。儲能系統(tǒng)的控制方法通常包含恒定有功無功(P-Q)控制、下垂控制及恒定輸出電壓頻率(V-F)控制,都采用內(nèi)環(huán)電流控制。不同的控制方法會影響儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度,要根據(jù)實際需求靈活選用。

根據(jù)以上分析,該書給出了電池儲能系統(tǒng)的建模方法:①單體電池建模。新一代汽車合作伙伴計劃(PNGV)模型能很好地反映電池工作狀態(tài),因此以該模型為基礎(chǔ),利用查表法建立單體電池模型。該模型只考慮荷電狀態(tài)(SOC)對電壓、電阻、電流等參數(shù)的影響。②電池建模。在MATLAB軟件中,利用自帶的S函數(shù),參照單體電池建模方法建立模型,并用計數(shù)法計算電池的SOC。③PCS建模。根據(jù)上述模塊結(jié)構(gòu)和控制方法的介紹,在MATLAB軟件中建立相應(yīng)的模型,并設(shè)置初始參數(shù)。利用仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真,將輸出結(jié)果與真實儲能系統(tǒng)的運行結(jié)果對比。若兩者的儲能總功率輸出曲線相似率達(dá)80%以上,則說明建模準(zhǔn)確性較高。

4 應(yīng)用及布點定容、協(xié)同控制

近年來,分布式電池儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益成熟,國網(wǎng)公司及分公司已建立了諸多大型分布式電池儲能系統(tǒng)項目,累積容量達(dá)到千億MW。電池儲能系統(tǒng)的布設(shè)要考慮選址與容量,在用戶側(cè)布設(shè)儲能系統(tǒng),可減少居民的用電設(shè)施建設(shè),還能依據(jù)用電峰谷情況為工業(yè)用戶適時輸送電能,靈活地調(diào)配電網(wǎng)資源,實現(xiàn)調(diào)峰填谷等功能,提高電力系統(tǒng)的利用率。在區(qū)域電網(wǎng)中,分布式電池儲能系統(tǒng)可以在用電高峰時,減輕該區(qū)域變壓器等設(shè)備的負(fù)載,以減少突發(fā)事故。

分布式電池儲能系統(tǒng)的作用之一是削峰填谷、靈活控制發(fā)電功率。系統(tǒng)容量和布設(shè)位置的不同導(dǎo)致對電網(wǎng)的適應(yīng)性不同。此外,當(dāng)前儲能系統(tǒng)的建造成本較高,壽命相對較短,因此,優(yōu)化儲能系統(tǒng)的位置與容量配置成為研究重點。首先,以儲能系統(tǒng)的綜合效益、投資成本、環(huán)境成本、周期成本等為參數(shù)建立目標(biāo)函數(shù),以功率約束、出力約束、潮流約束等為條件,對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束,再利用粒子群算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。利用電氣與電子工程師學(xué)會(IEEE)-14節(jié)點系統(tǒng)驗證提出的算法的有效性,將儲能系統(tǒng)的周期成本、綜合效益考慮在內(nèi),設(shè)置儲能選址數(shù)量為2,分別在節(jié)點6和節(jié)點8接入固定量的電池儲能,對比儲能系統(tǒng)加入前后的輸出參數(shù)。計算發(fā)現(xiàn),儲能系統(tǒng)加入前,當(dāng)用電處于低谷時,棄風(fēng)量較大,達(dá)到24.08%;儲能系統(tǒng)接入后,同時期的棄風(fēng)率降至13.51%。由此可知,儲能系統(tǒng)的加入,可提高風(fēng)電接納效益;還能降低用電峰值負(fù)荷,進(jìn)一步保障電網(wǎng)的安全運行。

5 調(diào)度系統(tǒng)及目標(biāo)調(diào)度策略

電池儲能系統(tǒng)的平穩(wěn)運行需要依靠有效的電池儲能調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)可對儲能系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控,并根據(jù)實時的用電情況,對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)頻等操作,以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。調(diào)度系統(tǒng)由儲能主站層和就地監(jiān)控層兩部分組成。儲能主站層配備了服務(wù)器以及對時裝置、遠(yuǎn)動裝置等,以確保對儲能系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控,可實現(xiàn)以下功能:①當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生運行事故時,提供緊急功率支撐;②根據(jù)電網(wǎng)運行的實際情況,實現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等操作,以滿足用電需求;③根據(jù)需求進(jìn)行跟蹤計劃發(fā)電,實現(xiàn)削峰填谷;④提升風(fēng)能、光能等可再生能源的使用率。就地監(jiān)控層主要實現(xiàn)儲能系統(tǒng)、變壓器、電池等關(guān)鍵信號的監(jiān)控,并對儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓及跟蹤計劃發(fā)電。調(diào)度系統(tǒng)的硬件和軟件均具備可擴(kuò)展性,以支持接入更多的數(shù)據(jù)點。

在大多數(shù)電網(wǎng)系統(tǒng)中,由于水電和火電機(jī)組可提供無限的能量供應(yīng),常用于進(jìn)行調(diào)頻控制,但水電和火電機(jī)組固有的劣勢(物理磨損、響應(yīng)遲滯、調(diào)頻容量受限等)使調(diào)頻效果不能滿足實際需求。人們將電池儲能技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)的調(diào)頻控制中,以充分發(fā)揮響應(yīng)速度快、精度高的特點,減少電網(wǎng)對水電和火電機(jī)組的使用需求。由于電池儲能系統(tǒng)的容量有限,若連續(xù)工作時間較長,調(diào)頻效果將大大降低?？蓪鹘y(tǒng)的水電火電調(diào)頻和電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻相結(jié)合,采用協(xié)調(diào)控制策略,明確一個控制死區(qū),在該區(qū)域內(nèi)只啟用電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻,超出該區(qū)域后,同時啟用傳統(tǒng)調(diào)頻方式和電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻。該策略可靈活切換調(diào)頻方式,并提高調(diào)頻效率。

電池儲能系統(tǒng)還能對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)壓操作。該書以電網(wǎng)系統(tǒng)運行成本為目標(biāo)函數(shù),建立分布式電池儲能和風(fēng)電火電機(jī)組綜合調(diào)度模型,并根據(jù)各自的特點對模型施加約束條件,最終實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化。在IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)中,驗證該模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明,在不含電池儲能的場景下,當(dāng)火電機(jī)組的調(diào)峰能力達(dá)到極限時,棄風(fēng)量較大,達(dá)到29.8%;電池儲能系統(tǒng)接入后,綜合調(diào)度策略會根據(jù)用電負(fù)荷情況合理配置調(diào)峰方法,最終的棄風(fēng)率下降到9.7%。此外,電池儲能系統(tǒng)的接入還可以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,優(yōu)化電壓質(zhì)量。

6 結(jié)語

《分布式電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度技術(shù)》一書將理論知識和仿真示例相結(jié)合,給出了分布式儲能的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用場景等相關(guān)內(nèi)容,詳述了鋰離子電池、鈉離子電池等常用儲能電池的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理,對分布式電池儲能系統(tǒng)及元件的建模步驟和方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹,闡述了分布式電池儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用以及布點定容和協(xié)同控制策略,最后給出了電池儲能系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)及目標(biāo)調(diào)度策略,并進(jìn)行仿真分析。該書邏輯明確,內(nèi)容飽滿,插圖形象具體,可供從事電池儲能研究的技術(shù)人員以及電氣相關(guān)專業(yè)的讀者參考。

書名:分布式電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度技術(shù)

作者:饒宇飛 編著

ISBN:9787519834272

出版社:中國電力出版社

出版時間:2019-08-01

定價:￥39.00元