分布式電池儲能在電網中的應用——評《分布式電池儲能系統優化配置與調度技術》

吳 軍,母國輝

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

隨著工業用電及居民用電的增加,電網系統常常維持在高負荷運行狀態,運行故障時有發生。將分布式電池儲能技術應用在電網中,可提高供電質量,增強電網運行的穩定性。饒宇飛編著的《分布式電池儲能系統優化配置與調度技術》一書,首先,介紹分布式儲能技術的相關概念、發展狀況及應用案例,并對常用的電池(如鋰離子電池、鈉離子電池等)儲能技術進行詳細概述;接著,給出分布式電池儲能系統及相關元件的建模方法,并驗證模型的有效性;然后,以電網應用為背景,詳述分布式電池儲能的配置方法,對布點定容和協同控制策略進行剖析和仿真分析;最后,給出電池儲能系統的調度系統及目標調度策略,并通過仿真計算驗證其正確性。

1 分布式儲能技術的發展與應用

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,在配電網端接入儲能裝置,尤其在智能微電網中,可維持用電的負荷平衡,提高供電可靠性。儲能技術在發達國家發展較早,美國的示范儲能項目數量最多,約占全球總量的50%;日本緊隨其后,如永木精械株式會社(NGK)的裝機量超過了世界上大多數公司,達到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、海島微電網等。我國在微電網、電動汽車等領域建立了許多儲能項目。如深圳寶清儲能電站的設計規模是10 MW/MW·h,2011年1月首期建設完成并投入運行。該儲能電站以鈦酸鋰鋰離子電池為儲能主體,輔以H橋鏈式能量轉換系統,實現能量存儲,配備了火災自動監測系統,可實現二次滅火功能。該儲能項目在配電網端放置電池儲能站,利用儲能監控系統控制儲能站的功率分配,實現調壓調頻、削峰填谷等功能。

2 電池儲能技術

電池儲能可減少石化能源帶來的環境污染問題。該書介紹了幾種常用的電池儲能技術。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,負極材料通常為碳材料、Li4Ti5O12等。衡量鋰離子電池性能的參數有容量、能量密度、壽命和工作溫度范圍等。在設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、電網儲能及航天等領域都有廣泛的應用。②液流電池。液流電池容量大,電解液不在電極內部,而是存放在特定的容器內。液流電池充電時,利用循環泵將電解液輸入電池內部。液流電池的電極通常使用金屬材料、碳素類材料和復合材料等。實驗發現,將炭黑和石墨以為1∶3的質量比混合制作的復合材料電極的性能較好,電池充放電效率可達80%以上。衡量液流電池性能的參數包括容量、功率、響應速度和可靠性等,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,對環境的污染較輕,可應用于大規模儲能系統、微電網及可再生能源發電等領域。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,且導電性和穩定性也要滿足標準。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,增強導電性和機械強度。③鈉硫電池。鈉硫電池是一種容量大、成本低、壽命長、效率高和維護方便的二次電池,正極材料通常為金屬鈉,負極材料通常為多硫化物,電解質以陶瓷氧化鋁為主。該電池在風力發電、削峰填谷及電網儲能等方面具有重要的作用。

3 分布式電池儲能建模仿真

電池儲能系統的建模包括兩部分:電池組建模和儲能變流器建模。電化學電池模型的種類很多,有等效電路模型、放電模型等,建模方法主要根據電池的工作原理和結構來確定。儲能變流器建模包括系統的電路設計和控制功能設計。通常并網逆變器(PCS)采用模塊化設計,將若干個標準功率模塊通過串、并聯的方式組合成一個大的儲能單元。該儲能單元具有容量大、模塊化設計的特點,接入電網即可正常使用。儲能系統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,都采用內環電流控制。不同的控制方法會影響儲能系統的響應速度,要根據實際需求靈活選用。

根據以上分析,該書給出了電池儲能系統的建模方法: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,因此以該模型為基礎,利用查表法建立單體電池模型。該模型只考慮荷電狀態(SOC)對電壓、電阻、電流等參數的影響。②電池建模。在MATLAB軟件中,利用自帶的S函數,參照單體電池建模方法建立模型,并用計數法計算電池的SOC。③PCS建模。根據上述模塊結構和控制方法的介紹,在MATLAB軟件中建立相應的模型,并設置初始參數。利用仿真模型進行數據仿真,將輸出結果與真實儲能系統的運行結果對比。若兩者的儲能總功率輸出曲線相似率達80%以上,則說明建模準確性較高。

4 應用及布點定容、協同控制

近年來,分布式電池儲能在電網中的應用日益成熟,國網公司及分公司已建立了諸多大型分布式電池儲能系統項目,累積容量達到千億MW。電池儲能系統的布設要考慮選址與容量,在用戶側布設儲能系統,可減少居民的用電設施建設,還能依據用電峰谷情況為工業用戶適時輸送電能,靈活地調配電網資源,實現調峰填谷等功能,提高電力系統的利用率。在區域電網中,分布式電池儲能系統可以在用電高峰時,減輕該區域變壓器等設備的負載,以減少突發事故。

分布式電池儲能系統的作用之一是削峰填谷、靈活控制發電功率。系統容量和布設位置的不同導致對電網的適應性不同。此外,當前儲能系統的建造成本較高,壽命相對較短,因此,優化儲能系統的位置與容量配置成為研究重點。首先,以儲能系統的綜合效益、投資成本、環境成本、周期成本等為參數建立目標函數,以功率約束、出力約束、潮流約束等為條件,對目標函數進行約束,再利用粒子群算法優化目標函數。利用電氣與電子工程師學會(IEEE)-14節點系統驗證提出的算法的有效性,將儲能系統的周期成本、綜合效益考慮在內,設置儲能選址數量為2,分別在節點6和節點8接入固定量的電池儲能,對比儲能系統加入前后的輸出參數。計算發現,儲能系統加入前,當用電處于低谷時,棄風量較大,達到24.08%;儲能系統接入后,同時期的棄風率降至13.51%。由此可知,儲能系統的加入,可提高風電接納效益;還能降低用電峰值負荷,進一步保障電網的安全運行。

5 調度系統及目標調度策略

電池儲能系統的平穩運行需要依靠有效的電池儲能調度系統。調度系統可對儲能系統進行實時監控,并根據實時的用電情況,對電網進行調峰、調頻等操作,以保障電網的穩定性。調度系統由儲能主站層和就地監控層兩部分組成。儲能主站層配備了服務器以及對時裝置、遠動裝置等,以確保對儲能系統進行實時監控,可實現以下功能:①當電網發生運行事故時,提供緊急功率支撐;②根據電網運行的實際情況,實現調峰、調頻、調壓等操作,以滿足用電需求;③根據需求進行跟蹤計劃發電,實現削峰填谷;④提升風能、光能等可再生能源的使用率。就地監控層主要實現儲能系統、變壓器、電池等關鍵信號的監控,并對儲能系統進行調壓及跟蹤計劃發電。調度系統的硬件和軟件均具備可擴展性,以支持接入更多的數據點。

在大多數電網系統中,由于水電和火電機組可提供無限的能量供應,常用于進行調頻控制,但水電和火電機組固有的劣勢(物理磨損、響應遲滯、調頻容量受限等)使調頻效果不能滿足實際需求。人們將電池儲能技術應用在電網的調頻控制中,以充分發揮響應速度快、精度高的特點,減少電網對水電和火電機組的使用需求。由于電池儲能系統的容量有限,若連續工作時間較長,調頻效果將大大降低。可將傳統的水電火電調頻和電池儲能系統調頻相結合,采用協調控制策略,明確一個控制死區,在該區域內只啟用電池儲能系統調頻,超出該區域后,同時啟用傳統調頻方式和電池儲能系統調頻。該策略可靈活切換調頻方式,并提高調頻效率。

電池儲能系統還能對電網進行調峰、調壓操作。該書以電網系統運行成本為目標函數,建立分布式電池儲能和風電火電機組綜合調度模型,并根據各自的特點對模型施加約束條件,最終實現目標函數的優化。在IEEE-14節點系統中,驗證該模型的準確性。仿真結果表明,在不含電池儲能的場景下,當火電機組的調峰能力達到極限時,棄風量較大,達到29.8%;電池儲能系統接入后,綜合調度策略會根據用電負荷情況合理配置調峰方法,最終的棄風率下降到9.7%。此外,電池儲能系統的接入還可以提高電網系統的經濟效益,優化電壓質量。

6 結語

《分布式電池儲能系統優化配置與調度技術》一書將理論知識和仿真示例相結合,給出了分布式儲能的發展現狀、應用場景等相關內容,詳述了鋰離子電池、鈉離子電池等常用儲能電池的組成、結構、工作原理,對分布式電池儲能系統及元件的建模步驟和方法進行了詳細介紹,闡述了分布式電池儲能在電網中的應用以及布點定容和協同控制策略,最后給出了電池儲能系統的調度系統及目標調度策略,并進行仿真分析。該書邏輯明確,內容飽滿,插圖形象具體,可供從事電池儲能研究的技術人員以及電氣相關專業的讀者參考。

書名:分布式電池儲能系統優化配置與調度技術

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