新型電力系統(tǒng)中電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)綜述

任子俊,曲小慧,王敏之,陳國劍

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著世界能源需求的持續(xù)增加,傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)難以滿足現(xiàn)代社會(huì)的綠色生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展需求,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)施減污降碳成為滿足我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的迫切需要?！半p碳戰(zhàn)略”的提出和《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的制定明確了我國以新能源發(fā)電為主體的新型電力系統(tǒng)的發(fā)展方向,推動(dòng)了電力系統(tǒng)向“三高”,發(fā)電側(cè)新能源比例高、配電側(cè)電力電子化程度高與負(fù)載側(cè)用能自由度高的態(tài)勢演化。大力開發(fā)新能源,加快風(fēng)能、太陽能等可再生能源的并網(wǎng)消納,成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的首要任務(wù)[1-4]。截至2023年上半年,全國可再生能源發(fā)電量達(dá)1.34萬億千瓦時(shí),其中,風(fēng)電光伏發(fā)電量達(dá)7 291億千瓦時(shí),同比增長23.5%[5]。

風(fēng)電和光伏等新能源具有強(qiáng)波動(dòng)性和強(qiáng)隨機(jī)性,并受季節(jié)和日夜變化的影響[6],隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高,新型電力系統(tǒng)的不確定性、非線性及復(fù)雜性增強(qiáng),新能源與負(fù)載之間雙側(cè)不確定性和供需不匹配問題顯著[7]。另外,由于新能源發(fā)電側(cè)的能量轉(zhuǎn)化裝置需要采用電力電子變流器,配電側(cè)的變壓變頻與功率傳輸控制也大量采用電力電子變流器,負(fù)載側(cè)亦廣泛接入了采用電力電子器件進(jìn)行電能變換的有源負(fù)載[8-10]。新型電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性正發(fā)生深刻變化,由同步機(jī)主導(dǎo)的機(jī)電暫態(tài)過程逐步過渡到由電力電子控制主導(dǎo)的類機(jī)電-電磁耦合暫態(tài)過程[11],傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與新型電力系統(tǒng)的對比如表1所示。新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出電網(wǎng)強(qiáng)度弱、慣性低、抗干擾能力弱以及寬頻帶響應(yīng)等問題[12-16],這對電力系統(tǒng)的功率能量平衡和安全穩(wěn)定控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[17]。在控制層面容易出現(xiàn)暫態(tài)電壓不穩(wěn)定、系統(tǒng)頻率特征復(fù)雜等問題,在運(yùn)行調(diào)度層面存在“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重以及調(diào)度靈活性不足等問題,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),頻率、電壓波動(dòng)較大,容易引發(fā)新能源發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)等問題[18-20]。

表1 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)對比

由此可見,新型電力系統(tǒng)在短時(shí)間尺度的功率平衡與穩(wěn)定控制、中長時(shí)間尺度的運(yùn)行調(diào)度與能量優(yōu)化以及故障狀態(tài)下的系統(tǒng)支撐與故障穿越等方面均存在較大風(fēng)險(xiǎn),亟需接入能在較寬時(shí)間尺度范圍內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)需求的設(shè)備。儲(chǔ)能設(shè)備能夠?qū)⒂秒姷凸葧r(shí)段的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量進(jìn)行存儲(chǔ),并在用電高峰時(shí)段或其他必要時(shí)刻再將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化成電能,可以滿足新型電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度內(nèi)功率能量平衡和安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。從現(xiàn)有技術(shù)來看,按照能量儲(chǔ)存形式進(jìn)行分類,可將電力系統(tǒng)中常見的儲(chǔ)能分為機(jī)械儲(chǔ)能(抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等)、化學(xué)儲(chǔ)能(氫儲(chǔ)能等)、電磁儲(chǔ)能(超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等)和電化學(xué)儲(chǔ)能(鋰電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能等)[21-24]。不同儲(chǔ)能方式的技術(shù)特征不同,因此適用場景也不同,體現(xiàn)儲(chǔ)能特征的技術(shù)參數(shù)主要有:1)配置容量、額定功率和放電時(shí)長,主要體現(xiàn)儲(chǔ)能的應(yīng)用規(guī)模大小;2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,主要體現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備從接受指令到首次達(dá)到額定功率運(yùn)行的時(shí)間;3)能量循環(huán)效率,主要體現(xiàn)儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)/釋放能量過程中的電能利用率。表2總結(jié)了不同儲(chǔ)能方式的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及一般適用場景。

表2 不同儲(chǔ)能技術(shù)對比分析

多樣化儲(chǔ)能技術(shù)在不同電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行調(diào)度的電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,極大改善了新型電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行穩(wěn)定性,其中,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)儲(chǔ)能裝備中有著其他儲(chǔ)能方式不可比擬的優(yōu)勢[25],加上近幾年分布式微電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展,電化學(xué)儲(chǔ)能成為目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的儲(chǔ)能技術(shù)?；谏鲜銮闆r,本文對電化學(xué)儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用功能進(jìn)行綜述和展望,首先分析新型電力系統(tǒng)的發(fā)展與挑戰(zhàn);然后根據(jù)新型電力系統(tǒng)的需求梳理電化學(xué)儲(chǔ)能的特點(diǎn)和發(fā)展情況;進(jìn)一步分析電化學(xué)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù);最后對電化學(xué)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望,為利用電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)對新型電力系統(tǒng)的多場景需求及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)提供支撐。

1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展及挑戰(zhàn)

1.1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

新型電力系統(tǒng)是清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的重要組成部分,在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為建設(shè)新型能源體系的關(guān)鍵內(nèi)容和重要載體[26]。當(dāng)前,我國電力系統(tǒng)正向清潔低碳、安全可控、靈活高效、開放互動(dòng)、智能友好的新型電力系統(tǒng)演進(jìn)[27]?！笆奈濉逼陂g,我國大力推進(jìn)風(fēng)電、光伏等新能源供給消納體系建設(shè),一方面,持續(xù)完善發(fā)電裝置與輸電網(wǎng)架的建設(shè),支撐和促進(jìn)大型電源基地集約化開發(fā)、沙戈荒及遠(yuǎn)海等遠(yuǎn)距離發(fā)電基地電能外送;另一方面,加快建設(shè)現(xiàn)代智慧配電網(wǎng),促進(jìn)微電網(wǎng)和分布式能源發(fā)展,滿足各類電力設(shè)施便捷接入[28-30]。

《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》提出,制定新型電力系統(tǒng)“三步走”發(fā)展路徑,即加速轉(zhuǎn)型期(當(dāng)前至2030年)、總體形成期(2030年至2045年)、鞏固完善期(2045年至2060年),有計(jì)劃、分步驟推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。目前我國電力系統(tǒng)清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量、遠(yuǎn)距離輸電能力、電網(wǎng)規(guī)模等指標(biāo)均穩(wěn)居世界第一。截至2022年底,非化石能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)12.7億千瓦,占總裝機(jī)的49%,超過煤電裝機(jī)規(guī)模(11.2億千瓦)。2022年,非化石能源發(fā)電量達(dá)3.1萬億千瓦時(shí),占總發(fā)電量的36%。其中,風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模7.6億千瓦,占總裝機(jī)的30%;風(fēng)電、光伏發(fā)電量1.2萬億千瓦時(shí),占總發(fā)電量的14%,分別比2010年和2015年提升13%和10%。圖1為我國2013-2022年發(fā)電裝機(jī)情況[31]。

圖1 我國2013-2022年發(fā)電裝機(jī)情況

1.2 新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)遵循“源隨荷動(dòng)”的電網(wǎng)平衡模式[32],根據(jù)負(fù)荷需求隨時(shí)調(diào)整同步機(jī)的發(fā)電量,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)慣量較大、具有良好的穩(wěn)定性,同時(shí)負(fù)載需求可預(yù)測,電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度問題易于解決。隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn),電網(wǎng)中同步機(jī)的數(shù)量不斷減少,新型電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)將以新能源為主體,負(fù)荷側(cè)隨機(jī)性波動(dòng)的增加,電力系統(tǒng)的平衡特征和方式正在發(fā)生深刻變化,維持系統(tǒng)平衡的難度不斷加大。電網(wǎng)慣量降低,電壓、頻率調(diào)節(jié)能力減弱,電網(wǎng)不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同,新型電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)為高比例新能源,電能變換裝置高度電力電子化同時(shí)負(fù)載用能有著較高的自由度,新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。新型電力系統(tǒng)的控制由電力電子器件主導(dǎo),具有快速調(diào)節(jié)和柔性控制的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在低慣量、弱抗擾、易發(fā)生寬頻振蕩以及故障穿越能力不足等缺陷,加上新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性問題,多呈現(xiàn)“反調(diào)峰特性”,給電網(wǎng)帶來較大功率能量平衡調(diào)節(jié)的壓力[33]。綜上所述,新型電力系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運(yùn)行、多時(shí)間尺度功率能量平衡以及運(yùn)行調(diào)度等過程中面臨較大挑戰(zhàn)。

圖2 新型電力系統(tǒng)示意圖

2 電化學(xué)儲(chǔ)能特點(diǎn)及發(fā)展情況

隨著清潔能源的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的推進(jìn),新型電力系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)明顯,亟需儲(chǔ)能裝置的接入對電力系統(tǒng)的功率能量平衡、穩(wěn)定運(yùn)行及調(diào)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同可以將電力系統(tǒng)中常見儲(chǔ)能技術(shù)分為:機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等。其中電化學(xué)儲(chǔ)能憑借動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、配置靈活等優(yōu)勢成為近年來發(fā)展最快、應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù),電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰電池儲(chǔ)能、鉛蓄電池儲(chǔ)能和液流電池儲(chǔ)能等,其中鋰電池具有高能量密度、高循環(huán)效率、配置靈活等優(yōu)點(diǎn),是目前電化學(xué)儲(chǔ)能中最為關(guān)鍵的儲(chǔ)能技術(shù)[34]。

2.1 鋰電池儲(chǔ)能的特點(diǎn)

鋰電池儲(chǔ)能具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、電壓特性穩(wěn)定、配置靈活、模塊化程度高、建設(shè)成本低、高能量密度、高循環(huán)效率、充放電速度快、無記憶效應(yīng)、自放電速率小等優(yōu)點(diǎn)[35-36],在電動(dòng)汽車、新型電力系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來,關(guān)于鋰電池儲(chǔ)能的研究側(cè)重于新型電極材料和電解質(zhì)開發(fā)、電池成本降低、能量和功率密度提高、循環(huán)使用次數(shù)和壽命延長以及安全性增強(qiáng)等方面[37]。目前,商用鋰電池主要有磷酸鐵鋰和三元鋰電體系[38],磷酸鐵鋰電池的能量密度較低,但優(yōu)勢在于其更高的安全性和較長的壽命;三元鋰電池則具有更高的能量密度和功率輸出,但其安全性和循環(huán)壽命相對較低,需要額外的安全措施和注意。發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)一般有著較大的用地面積,對于儲(chǔ)能裝置的體積重量沒有太多的限制,在鋰電池儲(chǔ)能配置上可以更多地采用具有更高的安全性和較長的循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池;用戶側(cè)則對儲(chǔ)能裝置的體積重量有所限制,一般需要采用能量密度更高的三元鋰電池,通過改變電池的形狀、尺寸和連接方式,可以有效提高電池的體積能量密度和重量能量密度,從而能夠更好地滿足用戶側(cè)的儲(chǔ)能需求。

鋰電池儲(chǔ)能裝置由大量的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成,其中小容量單體在儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可控性等方面優(yōu)于大容量單體。對于鋰電池儲(chǔ)能裝置來說,其性能受主要受溫度以及鋰電池單體狀態(tài)的影響,低溫狀態(tài)下,鋰電池內(nèi)部物質(zhì)不夠活躍,導(dǎo)致鋰電池儲(chǔ)能裝置的性能下降;高溫狀態(tài)下,鋰電池內(nèi)部物質(zhì)過于活躍,鋰電池穩(wěn)定性下降,容易引發(fā)儲(chǔ)能裝置安全問題。另外,鋰電池單體之間存在不一致性,即便是同廠家、同批次的電池,其電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)也有一定差異,工作運(yùn)行一段時(shí)間后,其荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)、健康狀態(tài)(State of Health,SOH)、老化狀態(tài)也將發(fā)生不同程度的變化,因此,由大量鋰電池單體組成的電池模塊之間也具有較大的差異性,一定數(shù)量的電池模塊經(jīng)過特定形式的串并聯(lián)構(gòu)成了鋰電池儲(chǔ)能裝置。特別的,隨著電動(dòng)汽車大范圍持續(xù)增長,在未來將有極大容量的電動(dòng)汽車用鋰電池流入儲(chǔ)能市場[39],由于不同電動(dòng)汽車品牌和型號(hào)所采用的鋰電池單體規(guī)格、電池包規(guī)模與組裝形式不同,所淘汰下來的二次電池在端口電壓、電池內(nèi)阻、最大充放電功率、SOC、SOH等特性存在明顯差異,這些差異會(huì)增加鋰電池儲(chǔ)能應(yīng)用中的困難。

2.2 鋰電池儲(chǔ)能的發(fā)展

從當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展來看,鋰電池儲(chǔ)能是最接近大規(guī)模商業(yè)化的一種新型儲(chǔ)能技術(shù)。2015年以來,隨著鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的制造成本和維護(hù)成本不斷下降、儲(chǔ)能設(shè)備容量及壽命不斷提高,鋰電儲(chǔ)能開始得到大規(guī)模的應(yīng)用,成為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展趨勢和主要?jiǎng)恿Α?020年,全球鋰電儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到13 100 MW,相較于2015年增長27倍,鋰電儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量占總量比例從0.3%迅速提升到6.9%,從新增裝機(jī)情況看,2020年全球新增儲(chǔ)能規(guī)模中鋰電儲(chǔ)能占比達(dá)到71.5%,已成為市場的絕對主力。2020年中國新增儲(chǔ)能規(guī)模中鋰電儲(chǔ)能占比也接近一半,達(dá)到了47.6%,在新增電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模中,鋰電儲(chǔ)能占比達(dá)到97.7%。“十三五”時(shí)期,我國鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、應(yīng)用不斷深化,鋰電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)開始步入商業(yè)化初期,“十四五”期間,新型電力系統(tǒng)建設(shè)的全面推進(jìn)給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)和市場創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間,鋰電池儲(chǔ)能迎來了極大的增長。截至2022年底,全國新型儲(chǔ)能裝機(jī)中,鋰電池儲(chǔ)能占比94.5%,從2022年新增裝機(jī)技術(shù)占比來看,鋰電池儲(chǔ)能占比達(dá)94.2%,2023年前三季度中國鋰電池儲(chǔ)能出貨量達(dá)到127 GWh,同比上漲44%,鋰電池儲(chǔ)能市場的需求正在持續(xù)增長,鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)處于絕對主導(dǎo)地位。圖3為全球2018-2022年電化學(xué)(鋰電池)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模[40]。

圖3 2018-2022電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

3 電化學(xué)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 電化學(xué)儲(chǔ)能功率能量平衡應(yīng)用

由于風(fēng)電、光伏等新能源具有波動(dòng)性、間歇性、不可預(yù)測性等特點(diǎn),新型負(fù)荷也具有較高的用能自由度,新型電力系統(tǒng)短期隨機(jī)不確定因素增多[41],負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)波動(dòng)同時(shí)加大,給電力系統(tǒng)的短期功率平衡造成威脅,因而對靈活性資源的需求快速增加。電化學(xué)儲(chǔ)能兼具功率型和能量型特征,能夠進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的功率響應(yīng),同時(shí)鋰電池具有功率密度高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn),在應(yīng)對不確定性因素上具有更加靈活的應(yīng)對能力,因此在新型電力系統(tǒng)儲(chǔ)能配置中越來越多的采用鋰電池儲(chǔ)能的方式。

通過配置一定容量的鋰電池儲(chǔ)能能夠存儲(chǔ)用電低谷期可再生能源棄電量,并在用電高峰期將儲(chǔ)能投入并網(wǎng)輸出能量,鋰電池儲(chǔ)能起到“削峰填谷”的作用,能夠快速平衡電力系統(tǒng)中的功率平衡。由于風(fēng)機(jī)、光伏的大量并網(wǎng),新型電力系統(tǒng)中具有波動(dòng)性的新能源以及高自由度的新型負(fù)荷會(huì)在短時(shí)間內(nèi)沖擊電力系統(tǒng)功率和能量的平衡,使得儲(chǔ)能裝置循環(huán)頻次較高。傳統(tǒng)火電調(diào)頻速度慢,不能及時(shí)平抑波動(dòng),鋰電池儲(chǔ)能具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、充放電速度快、循環(huán)效率高等優(yōu)勢,在隨機(jī)性強(qiáng)的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。電化學(xué)儲(chǔ)能在短時(shí)間尺度內(nèi)可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、平抑電力波動(dòng),不過由于鋰電池儲(chǔ)能受容量和成本的限制,難以應(yīng)對中長時(shí)間尺度內(nèi)新型電力系統(tǒng)能量平衡問題[42]。

3.2 電化學(xué)儲(chǔ)能主動(dòng)支撐應(yīng)用

新型電力系統(tǒng)包含大量新能源發(fā)電單元和電力電子變流器裝置,電力系統(tǒng)的慣量和阻尼特性減弱,依靠同步機(jī)旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械能提供頻率、電壓穩(wěn)定的支撐能力大幅下降。傳統(tǒng)的火電調(diào)頻機(jī)組在調(diào)頻穩(wěn)壓的快速性、靈活性和電能質(zhì)量上已經(jīng)難以滿足高比例的新能源和電力電子裝置新型電力系統(tǒng)日益增長的需求。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以有效改善新型電力系統(tǒng)所面臨的功率能量平衡和頻率電壓穩(wěn)定的問題,在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中,鋰電池儲(chǔ)能發(fā)展最快、應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)前,多數(shù)儲(chǔ)能裝置僅發(fā)揮被動(dòng)支撐性作用,主要包括平衡功率和能量波動(dòng)、一次調(diào)頻等,其本質(zhì)仍然是采用電流源控制的跟網(wǎng)型儲(chǔ)能,根據(jù)電網(wǎng)需求來輸出相對應(yīng)的功率,不能從控制上改善新型電力系統(tǒng)的低慣量、弱阻尼特性。

新能源的廣泛接入和同步機(jī)的大面積退出,使得新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度變?nèi)?頻率和電壓穩(wěn)定性變差,需要加強(qiáng)鋰電池儲(chǔ)能的主動(dòng)支撐作用,由此產(chǎn)生了構(gòu)網(wǎng)型鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)。構(gòu)網(wǎng)型鋰電池儲(chǔ)能能夠發(fā)揮類似同步機(jī)組的電壓源支撐作用[43-45],一般通過虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力,為電網(wǎng)提供一定的慣量和電壓支撐[46-48],在弱網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行的電力系統(tǒng)中能夠顯著提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平。構(gòu)網(wǎng)型電化學(xué)儲(chǔ)能通過控制實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)主動(dòng)支撐作用,因此控制策略與控制參數(shù)的選取對于系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。電化學(xué)儲(chǔ)能的主動(dòng)支撐能力不僅受儲(chǔ)能裝置自身性能(包含容量、電壓、內(nèi)阻、老化程度等因素)的影響,還與并網(wǎng)變流器的控制方式、控制參數(shù)選取有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中需要對儲(chǔ)能系統(tǒng)及控制過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[49-50]。

3.3 鋰電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置

盡管鋰電池儲(chǔ)能已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用和全面發(fā)展,鋰電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)成本目前仍舊比較高,這也是限制其在電力系統(tǒng)中配置容量和規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素之一。在新型電力系統(tǒng)中配置鋰電池儲(chǔ)能,不僅要在平抑頻率、電壓波動(dòng)方面提出穩(wěn)定可靠的控制策略,亦需要考慮合理配置鋰電池儲(chǔ)能功率和能量等級(jí)的優(yōu)化方法,在保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時(shí)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。例如,文獻(xiàn)[51]基于分布式電源系統(tǒng)慣量支撐和一次調(diào)頻的需求,通過引入VSG控制的鋰電池儲(chǔ)能,解決了分布式電源大量接入電網(wǎng)慣量、阻尼缺失及穩(wěn)定性下降問題,考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提出了一種以元件參數(shù)和控制參數(shù)為基礎(chǔ)的鋰電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。具有主動(dòng)支撐作用的鋰電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置流程,如圖4所示。

圖4 鋰電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置流程

4 結(jié) 論

新型電力系統(tǒng)由于具有高比例新能源、高度電力電子化變流器和高自由度負(fù)荷,系統(tǒng)慣量低、阻尼弱,電網(wǎng)功率能量難以平衡,容易引發(fā)穩(wěn)定性問題。電化學(xué)儲(chǔ)能憑借響應(yīng)速度快、能量密度高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)可以在多時(shí)間尺度內(nèi)平衡系統(tǒng)功率能量,在暫態(tài)過程中采用構(gòu)網(wǎng)型控制的鋰電池儲(chǔ)能能夠提供主動(dòng)頻率和電壓支撐,保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)新型電力系統(tǒng)需求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)化配置電化學(xué)儲(chǔ)能的功率和容量等級(jí)。