電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究

摘 要：電池儲能系統(tǒng)以響應速度快、調節(jié)精度高等特點，成為改善包含新能源發(fā)電在內的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和推動新能源發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展的重要手段。針對電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用及作用進行了分析；并以某光儲一體化微電網(wǎng)項目為例，對電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了研究。研究結果表明：在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)主要具有削峰填谷、穩(wěn)定電力系統(tǒng)和一次調頻的作用?；谒龉鈨σ惑w化微電網(wǎng)項目所在地的峰谷電價差，電池儲能系統(tǒng)運行在削峰填谷經(jīng)濟性模式下時可實現(xiàn)約11.5萬元的年收益；在節(jié)省電費的同時，還可以節(jié)省箱變的購買費用。由此可知，電池儲能系統(tǒng)的應用不僅可提高電力系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性，還能達到一定的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：電池儲能系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；微電網(wǎng)；削峰填谷；一次調頻；電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM912.9 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著中國“雙碳”目標的提出，以風電、光伏發(fā)電為主的新能源發(fā)電裝機容量呈逐年上漲趨勢。同時，受局部氣候的影響，新能源發(fā)電的輸出功率易出現(xiàn)急劇爬升或陡降的情況，這給電力系統(tǒng)的調頻裕度帶來了挑戰(zhàn)。由于新能源發(fā)電的輸出功率特性和較為復雜的并網(wǎng)阻抗特性，在大規(guī)模集中式并網(wǎng)或分布式并網(wǎng)的情況下，電力系統(tǒng)易出現(xiàn)頻率振蕩的情況，引發(fā)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，影響負荷的用電安全性。而結合儲能系統(tǒng)應用，可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)用電負荷的削峰填谷，緩解火電機組的調峰壓力；此外，以儲能系統(tǒng)作為一次調頻，能夠平衡電力系統(tǒng)的用電負荷波動，使電力系統(tǒng)頻率在允許范圍內波動。

國內外開展了許多關于儲能系統(tǒng)的研究，比如：文獻[1-3]介紹了儲能系統(tǒng)的前景和優(yōu)勢；文獻[4-5]對發(fā)電側、用電側儲能系統(tǒng)進行了成本和收益分析；文獻[6-7]對儲能控制管理系統(tǒng)進行了研究，提高了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性；文獻[8-9]分別對光儲一體化項目和海上風電項目的配套儲能系統(tǒng)方案進行了設計研究，緩解了電力系統(tǒng)調峰壓力，并提高了能源利用率；文獻[10]對混合儲能方案的優(yōu)選及其優(yōu)化配置模型進行了研究，探討了多種靈活性調節(jié)資源優(yōu)勢互補下的獨立于新型電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的混合儲能優(yōu)化配置策略與多環(huán)節(jié)聯(lián)動的混合儲能均衡配置策略。

為了更好地改善新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文針對電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用及作用進行分析；并以某光儲一體化微電網(wǎng)項目為例，對電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行研究。

1" 電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用

本文以包括風電和光伏發(fā)電的新能源發(fā)電系統(tǒng)為例，對電池儲能系統(tǒng)在此種并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用進行分析。

1.1" 削峰填谷

新能源發(fā)電在一天內的長時間波動性及其與用電負荷的不匹配性，即反調峰特性，導致其并網(wǎng)后將增加電力系統(tǒng)在上調和下調時的備用容量需求。在夜晚用電高峰期（一般為19：00～22：00時段），光伏發(fā)電無電力輸出；而風力發(fā)電往往可能在全天負荷最低點（即24：00時）出現(xiàn)滿功率發(fā)電的情況，導致1年中將會出現(xiàn)一定比例的因輸送通道能力不足而“棄光”和“棄風”的現(xiàn)象。針對上述情況，儲能系統(tǒng)可將風電在全天負荷最低點時所發(fā)電能進行存儲，在夜晚用電高峰期再釋放出來，將電量在時間上進行平移，以最大限度地利用傳輸線路匹配負荷用電趨勢，同時減少電力系統(tǒng)對火電機組上調和下調的容量需求，達到削峰填谷的目的。

新能源發(fā)電通過配置電池儲能系統(tǒng)可有效限制等效用電負荷（即給定的日用電負荷和新能源發(fā)電輸出功率的總和），使其處于新能源發(fā)電上網(wǎng)最大有效功率和最小有效功率范圍以內，避免了新能源發(fā)電限發(fā)和甩用電負荷的行為，提高了電力系統(tǒng)對新能源發(fā)電的消納能力，同時也可降低電力系統(tǒng)對備用容量的需求，提高電力系統(tǒng)整體運行效率。

1.2" 穩(wěn)定電力系統(tǒng)

新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的短時變化率應滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。目前，電力系統(tǒng)對并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)的有功功率變化限值的要求如表1所示。

平滑新能源發(fā)電并網(wǎng)時的波動性是指通過電池儲能系統(tǒng)控制新能源電力的存儲和釋放，抑制新能源發(fā)電并網(wǎng)時的分鐘級有功功率波動，使電池儲能系統(tǒng)輸出的有功功率PBES與新能源發(fā)電輸出的有功功率PNE的總和P的波動變化量滿足表1中的限值要求。

電池儲能系統(tǒng)的有功功率控制算法主要包括兩種，分別為逐點限值法和低通濾波法。

采用逐點限值法時，電池儲能系統(tǒng)j時刻輸出的有功功率PBES（ j）的取值范圍可表示為：

式中：ΔP10（ j）為電池儲能系統(tǒng)j時刻輸出的有功功率與其過去10 min內輸出的有功功率之間的變化量；Py，10為電池儲能系統(tǒng)10 min內最大允許波動功率；ΔP1（j）為電池儲能系統(tǒng)j時刻輸出的有功功率與其過去1 min內輸出的有功功率之間的變化量；y，1為電池儲能系統(tǒng)1 min內最大允許波動功率。

低通濾波法通過低通濾波器對輸入信號的幅值進行加減處理，使輸出的信號更為平滑。采用低通濾波法時，電池儲能系統(tǒng)j時刻輸出的有功功率可表示為：

PBES（ j）= τ [∑P（ j） –∑P（ j–1）]" " " " " " " " " " " "（2）

t

式中：τ為時間常數(shù)；t為控制周期；P（ j）、P（ j–1）分別為j、j–1時刻的電池儲能系統(tǒng)與新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率的總和。

時間常數(shù)可表示為：

τ =" "1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

2πfc

式中：fc為低通濾波器的截止頻率。

1.3" 一次調頻

一次調頻主要為應對電力系統(tǒng)短期的用電負荷快速波動，在電力系統(tǒng)頻率超限情況下，自主向電力系統(tǒng)進行有功功率支持或有功功率吸納的行為。電力系統(tǒng)對不同類型能源的一次調頻要求不盡相同，比如：對火電的一次調頻控制死區(qū)要求為50±0.033 Hz；對水電的要求為50±0.05 Hz；對光伏發(fā)電的要求為50±0.06 Hz；對風電的要求為50±0.10 Hz。

儲能系統(tǒng)的一次調頻是指其根據(jù)電力系統(tǒng)頻率的實時變化情況來調整自身輸出或吸收的有功功率，以便于迅速響應電力系統(tǒng)用電負荷波動，從而維持電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。該調頻方式具有響應速度快、調節(jié)精度高的特點，是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要方式。相較于火電機組，電池儲能系統(tǒng)可以更快地響應電力系統(tǒng)的頻率變化，且可以獨立或與新能源一起承擔一次調頻。根據(jù)相關的電力系統(tǒng)雙細則考核，新能源發(fā)電配套儲能系統(tǒng)后，能夠完成或改善其在調峰、一次調頻等方面的功能。對于300 MW火電機組而言，其一次調頻的限幅為額定容量的8%，即24 MW；火電機組一次調頻負荷調整量為每赫茲160 MW，頻率偏差為0.033～0.183 Hz，對應調節(jié)功率為0～24 MW，每次超限后火電機組的輸出功率都為±0.2%的額定功率，即±600 kW。按照上述技術要求，假設一次調頻交由電池儲能系統(tǒng)獨立承擔，則電池儲能系統(tǒng)單次充放電工作時間僅為10 s左右，且可認為上下頻率超限的概率大致相當，則配置600kW/0.5h的電池儲能系統(tǒng)較為適宜。若再輔助合理的電荷狀態(tài)（SOC）管理策略，雖然每日電池儲能系統(tǒng)的充放電循環(huán)次數(shù)較多，但其儲能電池基本在50%SOC附近淺充淺放，充放電深度范圍較小，確保了儲能電池的使用壽命。

此外，為了進一步減少電池儲能系統(tǒng)的容量，同時使儲能電池運行在合理的SOC范圍內，可采用雙邊界改進型平滑控制算法，通過頻繁動作，優(yōu)化運行中儲能電池的SOC，進一步減少電力系統(tǒng)對電池儲能系統(tǒng)容量的需求。

2" 應用案例

2.1" 項目介紹及主要設備

以某光儲一體化微電網(wǎng)項目為例進行分析。該項目由裝機容量為800 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)、容量為250kW/500kWh的磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)及用戶用電負荷組成。磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的最高電壓等級為10 kV；光伏電力在滿足自用有富余時，將電力存儲在磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)中，然后在用電高峰期將電力供給電網(wǎng)。該項目的主要設備清單如表2所示。

2.2" 微電網(wǎng)的主要運行功能

2.2.1" 儲能系統(tǒng)“黑啟動”

該微電網(wǎng)會將光伏發(fā)電余電存儲在磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)中，以備不時之需。當市電網(wǎng)失電時，微電網(wǎng)與電網(wǎng)的公共連接點斷開，磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)“黑啟動”，即由儲能系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)向負載供電，而無需使用市電網(wǎng)電力。

2.2.2nbsp; 電壓-電流雙閉環(huán)運行模式

磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)輸出采用兩段母線，當一段母線下多組儲能電池運行于電壓-電流雙閉環(huán)模式時，另一段母線則運行于微電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略下。在電壓-電流雙閉環(huán)運行模式下，可實現(xiàn)對儲能電池的充放電控制，確保儲能系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和充放電效率，從而維持直流母線電壓的平衡?。

2.2.3" 能量管理系統(tǒng)（EMS）

EMS用于保障微電網(wǎng)的高效、穩(wěn)定、安全、可靠運行和光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化利用，其具有數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控、設備管理與系統(tǒng)故障保護、信息存儲與記錄、配網(wǎng)自動化、智能計量、智能用電、視頻及環(huán)境監(jiān)控、綜合能量管理等功能。

2.3" 儲能系統(tǒng)的收益測算

本微電網(wǎng)中的磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)主要運行在可實現(xiàn)削峰填谷的經(jīng)濟性運行模式下，即在用電低谷期，由電網(wǎng)向其充電；在白天用電高峰期，則釋放能量，為電網(wǎng)供電。

當項目所在地的峰谷電價差為0.7元/kWh時，在磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的放電深度為90%的情況下，該儲能系統(tǒng)的年收益為0.7× 500×90%×365≈11.5萬元。另外，本項目配套儲能系統(tǒng)后，在節(jié)省電費的同時，還可以降低所需箱變的功率，節(jié)省箱變的購買費用。

3" 討論

輔助并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)一個非常重要的應用領域，其削峰填谷、一次調頻功能可以使現(xiàn)有電力系統(tǒng)充分發(fā)揮對新能源發(fā)電的接納能力，對減少火電機組備用容量或緩解新能源發(fā)電限發(fā)問題具有重要意義。隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率分鐘級預測精度的提高和儲能系統(tǒng)的應用，新能源發(fā)電并網(wǎng)的計劃性和可調度性也隨之得到提升，同時也增加了新能源發(fā)電并網(wǎng)的友好性，減少了其對電力系統(tǒng)快速調頻資源的占用。

但在現(xiàn)行的商業(yè)模式下，單純地應用儲能系統(tǒng)這些功能往往不具備經(jīng)濟性，且儲能系統(tǒng)存在很大的隨季節(jié)變化而經(jīng)濟效益降低的可能性。因此，進一步發(fā)掘儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用，或提高儲能電池在任何季節(jié)時的性能將成為儲能系統(tǒng)新的研究方向。

4" 結論

本文針對電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用及作用進行了分析，并以某光儲一體化微電網(wǎng)項目為例，對電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了研究。分析結果顯示：在并網(wǎng)型新能源發(fā)電系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)主要具有削峰填谷、穩(wěn)定電力系統(tǒng)和一次調頻的作用?；谒龉鈨σ惑w化微電網(wǎng)項目所在地的峰谷電價差，電池儲能系統(tǒng)運行在削峰填谷經(jīng)濟性模式下時可實現(xiàn)約11.5萬元的年收益；并且在節(jié)省電費的同時，還可以節(jié)省箱變的購買費用。由此可知，儲能系統(tǒng)的應用不僅可提高電力系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性，還能達到一定的經(jīng)濟效益。

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research ON Application of battery energy storage system in grid connected new energy POWER

generation system

Yang Jianlin，Wang Wei，Yang Sixian

（Lanzhou Electric Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

Abstract：The battery energy storage system，with its fast response speed and high regulation accuracy，has become an important means to improve the stability of power systems including new energy power generation and promote the sustained and rapid development of new energy power generation. This paper analyzes the application and role of battery energy storage systems in grid connected new energy power generation systems. And taking a certain PV-energy storage integrated microgrid project as an example，the economic efficiency of the battery energy storage system is studied. The research results show that in grid connected new energy power generation systems，battery energy storage systems mainly have the functions of peak shaving and valley filling，stabilizing the power system，and primary frequency regulation. Based on the peak valley electricity price difference in the location of PV-energy storage integrated microgrid project in this paper，when the battery energy storage system operates in the economic mode of peak shaving and valley filling，it can achieve an annual revenue of about 115000 yuan. While saving electricity costs，it can also save the purchase cost of box transformers. From this，it can be seen that the application of battery energy storage systems can not only improve the operational reliability and stability of power systems，but also achieve certain economic benefits.

Keywords：battery energy storage system；PV power generation system；microgrid；peak shaving and valley filling；primary frequency regulation；power system