儲能聯合可再生能源分布式并網發電關鍵技術研究

李珂

摘 要：如今，能源緊缺和環境污染已經成為一個世界性課題，為了應對能源危機、保護人類賴以生存的自然環境，越來越多的國家開始探尋綠色、清潔的可再生能源或能源替代品。分布式可再生能源發電是當前儲能在電力系統應用的熱點領域，開展儲能聯合可再生能源分布式并網發電研究，將為新形勢下可再生能源分布式并網實踐，提供完善有效的理論依據和技術支撐。本文主要針對分布式發電領域中儲能的技術應用問題進行分析，并探討了關于儲能與分布式可再生能源發電設備一體化、功能多元化和發揮匯聚效應等發展應用趨勢，可以預見，以儲能作為核心承載的多能互補技術和互動技術，將會成為未來儲能在能源互聯網中應用的重要體現。

關鍵詞：儲能；可再生能源；分布式并網發電；關鍵技術

1 前言

隨著世界各國經濟的不斷發展，對能源的需求日益加大，過度的能源開發和利用，導致了一系列問題的產生，如能源短缺、環境破壞、大氣污染等。尤其是能源短缺問題，現已成為一個全球性課題。風電、光伏發電等可再生能源發電技術，為解決能源短缺問題提供了新的支撐，現在，世界上已有不少國家都開始重點發展可再生能源發電產業。在“十二五”期間，隨著新能源技術的不斷發展和完善，我國光伏發電和風電發展態勢良好，可再生能源發電呈現大規模集中開發、遠距離送出的局面。根據國家統計數據，截至2014年年底，全國光伏發電累計并網裝機容量同比增長60%，已經達到2805萬kW，其中，光伏電站2338萬kW，分布式光伏發電467萬kW。年度發電量同比增長超過200%，平均達到250億kW·h；新增并網光伏發電容量1060萬kW，在全世界占比達25%，其中，新增光伏電站855萬kW，分布式光伏發電205萬kW。目前，我國已經超過歐美，成為世界第一風電大國，風電裝機規模與風電設備制造均位居全球首位，而國家電網也成為世界上接入風險規模最大、發電增長速度最快的電網。歐美發達國家發展風電等項目，主要是為了應對全球氣候變暖和減少溫室氣體排放，其風電場規模往往比較小，所發電能主要是就地接入配電網進行消納。例如，德國風電電量在全國總用電量中接近20%，風電場裝機容量一般不超過50MW，主要連接到6～36kV或110kV配電網。而丹麥的風電發電量大約有86.7%接入20kV或更低電壓等級配電網，不過，約有超過10%的大型近海風電場直接接入132～150kV配電網。我國發展風電項目主要是用于社會用電，以提高電力生產效率，降低電力生產和運輸成本，實現風電強國的建設目標。現在，我國學術界已經針對儲能在規模化集中式可再生能源發電并網應用，展開了全面而深入的研究，并取得了良好的效果。但是，在分布式接入方式方面的研究則比較欠缺。鑒于此，本文研究儲能聯合可再生能源分布式并網發電關鍵技術，將具有重要的理論與現實意義。

2 儲能在分布式可再生能源發電中的作用

分布式可再生能源發電可謂是第三次工業革命的重要特點，而儲能作為五大支柱技術之一，在分布式電源接入以及多種能源互聯中，將起到舉足輕重的作用。儲能是指電能的儲存，大力發展儲能產業，有利于提高能源利用率，達到節能減排的目的，充分滿足經濟發展所需。隨著大量分布式可再生能源發電接入配電網，在很大程度上會改變配電網的潮流和電壓分布，進而影響電力系統電壓穩定性和電能質量。由于當前現有的配電網結構和控制水平相對不高，電壓分布、故障水平以及設備容量有限，配電網還無法很好地接納更多分布式可再生能源發電。同時，由于接入分布式可再生能源發電后，用戶側單一負荷消耗的屬性也會發生一定程度的改變，為了促進本地新能源發電的接入和有效利用，用戶必須與電網進行完善、深入的互動。基于這個原因，如何使可再生能源發電更好地契合用戶用能形式與需求，也是清潔能源應用過程中，亟須解決的重要課題之一。為了解決因大量分布式可再生能源發電接入所帶來的一系列問題，如配電網運行管理問題、多能源互補利用、用戶與電網之間的互動問題等，就必須增強配電網的管理能力，確保電力供應靈活多變，以便更好地滿足電力用戶多元化需求。在分布式能源接入中，儲能的重要作用如下：

（1）加強配電網潮流、電壓控制能力，使配電網能較好地接納分布式發電。

（2）對分布式可再生能源發電功率波動進行合理調節，以避免對電能質量產生較大的負面影響。

（3）能有效調節電網功率和能量，優化配電網資源配置，促進配電設施利用效率達到最優化，從而避免配電網過早進行改造升級。

（4）增強參與智能微電網能量優化管理的能力，實現借助可再生能源發電促進智能微電網經濟發展的目標。

（5）儲能技術能夠較好地解決新能源發電中存在的隨機性、波動性問題，實現電能平滑輸出，并對新能源發電導致的電網電壓、頻率及相位進行合理調整，借助這一優勢，其將成為多能源互補和綜合利用的優質媒介。

3 國內外研究狀況及示范工程

3.1 國內外研究狀況

3.1.1 儲能在削峰填谷中的技術應用

儲能的優勢非常顯著，既能有效調整分布式發電接入導致的用電負荷波動，也能提高設備利用率，延緩配電網設備及容量升級的時間，更重要的是能利用峰谷電價差來提高電網運行效益。鮑冠南等人在電池儲能系統削峰填谷實時優化研究基礎上，提出一種基于動態規劃的控制對策。利用這種對策，就能將非連續約束條件引入優化模型中，然后，再借助電池電量離散化等方法，對充放電次數和放電深度限制等非連續約束進行優化。修曉青等人重點研究了電網削峰填谷的儲能系統容量配置，并對其應用的價值與經濟性，進行了科學評估。在其研究中，充分考量了儲能系統充放電平衡約束、循環壽命等因素，探討了儲能在電網負荷削峰填谷的應用策略，建立起儲能投資經濟性評級數學模型。

3.1.2 儲能在分布式可再生能源發電預測出力中的技術應用

由于分布式可再生能源發電具有隨機性，而且會產生較大的波動，因而會給配電網潮流和電壓控制帶來很大影響。儲能還具有快速儲電和放電的特征，利用這一點，將對分布式可再生能源發電預測出力進行快速、高效的跟蹤。林少伯等在《基于隨機預測誤差的分布式光伏配網儲能系統容量配置方法》研究中，利用統計學方法，對光伏出力短期預測誤差和負荷短期預測誤差概率，進行了科學的統計和分析，發現了其中存在的規律，并在此研究基礎上，通過區間估計獲得了可靠的儲能設備容量配置函數。

3.1.3 儲能在配電網電能質量提升中的技術應用

陳奕等人通過建模，研究了蓄電池/超級電容器混合儲能系統，對于配電網電能質量改善的積極作用。在研究中，他們將混合儲能系統接入配電網中，然后利用控制策略，對其有功功率和無功功率進行雙向調節，從而抑制了其負載波動，穩定了電壓并提高了電能質量。王云玲等人將超級電容器作為調節器，建立了儲能元件的并聯型主電路拓撲結構，應用電壓源型變換器實現DC/AC變換，從而有效消除了在不對稱負載時，所產生的電源電壓的暫降、不對稱和閃變等問題。

3.2 國內外示范工程

國外對于儲能系統聯合分布式可再生能源發電的研究，開展相對較早，其示范工程的數量也相對較多，具有代表性的工程見表1所示。而我國研究實踐的重點則在儲能結合分布式可再生能源發電方面，對電化學儲能示范應用的實證研究較多，具有代表性的典型工程見表2所示。

根據國內外研究與示范工程應用情況可知，儲能的關鍵技術應用主要集中在如下幾個層面。

3.2.1 利用儲能優化分布式可再生能源發電接入

例如，在日美合作的智能電網項目中，將儲能用來控制配電網功率潮流，結果表明，其能大幅提升高滲透分布式發電配電網運行的可靠性和穩定性；而意大利在Puglia變電站項目中，應用1MWx30min的銼離子電池，解決了因接納新能源發電產生的變壓器反向潮流問題，促進了該變電站與上級電網的協調運行；韓國在濟州島建立了風/光/儲/柴混合應用項目，通過儲能系統的雙向功率調節作用，成功實現了多能互補應用和協調控制；山東長島利用儲能平抑風光波動，有效抑制了可再生發電爬坡率，確保了配電網端運行的平穩；浙江舟山海島的風/光/儲/海/柴項目，通過配置多類型儲能系統，極大提高了風電場和光伏電站的跟蹤、調度能力。

3.2.2 利用儲能提高配電網供電能力

美國夏威夷大學智能電網和能量存儲示范項目，為降低變壓器的高峰負荷，通過在變電站中安裝1MW/1MW}h銼離子電池系統，提高了配電網自愈控制能力，以及儲能系統在配電網的協同調度。同時，對分布式電源/儲能裝置/微電網/不同特性用戶接入，進行統一監控，從而增強了用戶對基于儲能技術的新型電能的利用能力；深圳寶清電站通過投運4MW/16MW}h銼離子電池，來調節用電側的峰谷，實現了配電網側削峰填谷、調頻、調壓和孤島運行等，獲得了良好的經濟效益；福建在負荷用電管理中引入移動式儲能，利用儲能對有功功率和無功功率進行快速調節，確保了用電側的動態穩定，提高了配電網運行的安全性和可靠性；中新天津生態城在用電側電能管理，充分發揮儲能系統的積極作用，并將負荷進行細分，分為不可控負荷、可控負荷和可切負荷3種，然后輔以不同功率等級的儲能系統，將其分別變為電網中的單獨可控單元，以此來滿足用戶個性化、多元化的用電需求。在可再生能源分布式發電接入配電網中，儲能系統能夠將電網負荷轉變為友好型用電負荷，這樣，不僅大大降低了大量分布式電源接入對配電網的影響，也能提高用電靈活互動能力和電能質量，保證配電網運行的安全、平穩、可靠。

3.2.3 利用儲能滿足多種用能需求

目前，為節約能源，在國內外不少利用分布式發電技術的項目中，開始利用熱儲能或相變儲能，來為用戶提供更加舒適的供冷、供熱服務。其中，具有代表性的有美國亞利桑那州立大學，該大學設置了3MWx6h的冰蓄冷空調系統，成功實現了節約能源的目的；日本東京電力公司提出“BESSSCADA”，利用車網融合技術（V2G）理念，來統一管控分布在配電網和用戶側的大量儲能單元，從而提高了儲能能力的規模化應用；我國薛家島電動汽車工程在儲能利用實踐中，也采用了V2G理念，其配套充電站能夠同時為360輛乘用車電池提供高質量的充電服務。這種規模化儲能應用，能有效實現低谷存儲電能、高峰釋放電能的功能。根據統計，峰谷調節負荷一般可達到7020kW，最高時可達10520kW。

4 儲能在分布式可再生能源發電中的應用趨勢

在國家節能減排、綠色發展理念及相關政策支持下，風電、光伏發電等新能源發電項目不斷創新發展。以風電項目審批為例，2013年，國家發改委批復了華能新能源陜西定邊狼爾溝分布式接入風電項目，在此之后，中廣核哈密分布式接入風電示范項目也獲得國家能源局批復。在此影響下，貴州、云南等其他省也將分布式接入風電開發，納入了地方發展規劃，并緊鑼密鼓地提上了日程。

從宏觀角度來看，與集中接入方式或微電網技術研究相比，國內關于可再生能源分布式并網應用研究相對較薄弱。在集中式應用方面，國家電網公司早在2009年就已經完成了風/光/儲示范工程立項，國內首個風/光/儲示范項目也開始在河北張家口張北、尚義施工建設。按照預期計劃，2012年3月，項目一期工程已經開始正式投運，其中，包括100MW的風電、40MW的光伏發電及20MW儲能項目。根據當前的運行情況，可以看出，儲能可以較好地滿足光伏發電并網需求，不過，由于受到技術的制約，儲能電池的壽命、安全性及經濟性還有待于進一步提高。在分布式應用方面，不少國內高校和研究所對此問題，也進行了比較全面和深入的研究，例如，北京交通大學在實驗中，通過在光伏發電系統直流側，放置一定數量的蓄電池儲能，結合光伏功率和電網反饋信息，來達到控制儲能能量流、平抑波動的目的，并在實踐中，應用此研究結果建成10kW光伏儲能并網系統；浙江省電力試驗研究院基于容量滲透率維度，針對分布式可再生能源進行研究，認為借助負荷轉移和儲能方式，來提高配電網對光伏的接入能力是可行的。另外，中國科學院、中國電力科學研究院等針對微電網技術進行研究，成果也比較顯著。由國家發展和改革委員會與日本NEDO合作的“先進穩定的并網光伏發電微電網系統實證研究項目”，在我國國內首次以合作方式，建立了基于光伏發電的微電網技術綜合試驗研究平臺。儲能技術的發展及其在配電網中的應用，二者是密切相關的，而追求儲能規模化、安全化、長壽命化和低成本化，則成為儲能研究的終極目標。隨著科學技術的不斷發展，分布式可再生能源發電理論研究和實踐應用也日趨完善，在智能電網建設背景下，未來儲能聯合可再生能源分布式并網發電，將呈現出如下幾種趨勢。

4.1 儲能與可再生能源發電優勢特性進一步互補

儲能系統具有雙向功率調節特性，能夠對風電、光伏等新能源發電進行科學調節，實現電能平滑輸出，從而有助于提高配電網對分布式可再生能源規模化接入的接納能力，以及電網系統安全、可靠的運行能力。

4.2 儲能系統功能由單一化趨向多元化

隨著科技的發展進步，儲能功能將變得越來越豐富多元，其作用時間可從秒級提升到小時級，而且，原來比較單一的時間尺度功能，也會不斷向多種時間尺度功能進步，從而實現儲能功效最大化。

4.3 分布式儲能系統會提速終端用戶用電方式多元化

如今，清潔、優質的電力能源已得到日益廣泛的應用，用戶的用電需求也相應地變得更加多元化，利用儲能技術，可以實現不同電壓等級及交流電、直流電用戶共存和智能交互。

4.4 分布式儲能系統匯聚效應將進一步得到發揮

在電動汽車V2G運行模式中，儲能系統匯聚效應已顯而易見，未來，在新能源接入、用戶互動等方面，分布式儲能系統的聚合作用，將毋庸置疑地更加顯現。

4.5 儲能支撐多能融合效應更加凸顯

由于儲能突出的優勢，在多能互補和綜合利用中，成為不可或缺的媒介，未來將在提高用戶側綜合能效和減少污染物排放中，發揮著舉足輕重的作用。

5 結束語

隨著分布式可再生能源發電的大量接入，儲能系統的作用將更加凸顯，其功能將由實現可再生能源發電友好接入，轉變為以能源互聯為導向接納，同時，能實現多能互補、雙向互動，而其經濟效益和社會效益也將會在項目實踐中更加可觀地顯現。

參考文獻

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