移動式儲能應(yīng)急電源關(guān)鍵技術(shù)研究
李建林1，黃 健2，許德智3
（1.北京市變頻技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院），北京 100144；2.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；3.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）
本文引文信息：李建林,黃健,許德智.移動式儲能應(yīng)急電源關(guān)鍵技術(shù)研究[J].浙江電力,2020,39(05):10-14.
0 引言
緊急電源供給能力是一個城市應(yīng)急管理能力的標(biāo)志，是各種應(yīng)急措施的前提和保障。防災(zāi)應(yīng)急電源在確保供電可靠性方面作用突出，可以在短時間內(nèi)令因意外狀況中斷供電的重要負荷恢復(fù)運行。但防災(zāi)應(yīng)急電源往往受成本、容量限制較多，而移動式儲能系統(tǒng)以其配置靈活、易于現(xiàn)場安裝和操作、響應(yīng)迅速、可靠性高、可移動性強、不受地域限制等特點，成為應(yīng)急電源的首選。
目前，移動式儲能系統(tǒng)可解決季節(jié)性負荷問題，具有抑制系統(tǒng)振蕩、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、配合實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻等作用。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，移動式儲能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將會不斷擴大，除了能夠為疫情、地震、冰災(zāi)等自然災(zāi)害做應(yīng)急搶險，還可以為手術(shù)室、運動場館、云服務(wù)器等重要設(shè)施提供應(yīng)急備用電源，可為覆冰線路消除融冰、線路檢修等工作提供能源，為郊區(qū)、城市商業(yè)區(qū)等地調(diào)整用電負荷峰谷，為電動汽車充電，保障重大政治活動電源供給等。如當(dāng)前的武漢新冠疫情，配置移動式應(yīng)急電源可加快電力配套工程建設(shè)進度，確保火神山/雷神山醫(yī)院及時通電，并保障醫(yī)院可靠供電。
移動儲能電源的缺點是受儲能系統(tǒng)容量限制，供電容量和時間有限。隨著分布式儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]，將配電網(wǎng)中大量、隨機的儲能設(shè)備通過匯聚技術(shù)接入到移動儲能電源，不僅能夠增強移動儲能電源的保障能力、拓展移動儲能電源應(yīng)用場景，而且可以有效利用配電網(wǎng)閑置儲能資源。本文針對移動式儲能應(yīng)急電源設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，討論“可調(diào)度”電源與移動式儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行模擬方法、分布式儲能資源匯聚技術(shù)、集群控制技術(shù)及其他相關(guān)研究，并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析和總結(jié)，最后分析移動式儲能應(yīng)急電源的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵設(shè)備的研制。
1 移動式儲能電源關(guān)鍵技術(shù)
1.1 “可調(diào)度”電源與移動式儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行模擬方法
以疫情、地震、冰災(zāi)、礦難等突發(fā)事故應(yīng)急搶修、重大保電活動場景為例，首先需研究移動式電源系統(tǒng)的多種接入及運行方式，根據(jù)接入方式的不同，研究能夠兼顧在線式系統(tǒng)接入和退出的并離網(wǎng)無縫切換技術(shù)，實現(xiàn)負荷的不間斷供電；根據(jù)系統(tǒng)運行的物理規(guī)律，研究適用于不同應(yīng)急場景下移動式儲能技術(shù)約束條件，包括系統(tǒng)安全性約束、溫度場約束、機組技術(shù)出力約束，另外重要會議和賽事供電需要考慮電源的輸出電能質(zhì)量和過載能力，城市電網(wǎng)應(yīng)急和負荷保電則需要更多考慮電源的壞境適應(yīng)性、靈活可靠性及投運、啟動時間等。
然后收集重要會議、賽事、突發(fā)事故等歷史電力供需數(shù)據(jù)資料，基于ARMA 模型、線性相關(guān)系數(shù)和Copula 模型研究“可調(diào)度”電源時空相關(guān)性分析方法，搭建“可調(diào)度”電源之間的時空分布特性模型。考慮移動式電源設(shè)備技術(shù)與運行特性，針對不同城市應(yīng)急管理場景選取合適的優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，可采用合適的凸化或線性化技術(shù)，建立“可調(diào)度”電源與移動式儲能聯(lián)合運行模型，考慮不同運行模擬時間周期的高效運行模擬計算方法，可為不同城市應(yīng)急管理場景下的聯(lián)合運行模擬提供支撐。
1.2 分布式儲能資源匯聚技術(shù)
針對目前移動式儲能應(yīng)急電源存在供電時間短、供電容量有限等問題，需利用各種分布式儲能設(shè)備實現(xiàn)移動式儲能應(yīng)急電源的靈活高效，其中有兩個關(guān)鍵技術(shù)要解決，一是分布式儲能資源匯聚技術(shù)，二是多種儲能設(shè)備如何接入移動式儲能電源，即直流變換器技術(shù)。直流變換器屬于電力電子設(shè)備，目前主要應(yīng)用在含有直流母線的設(shè)備中，功率較小，且未見與儲能應(yīng)急電源結(jié)合以提升應(yīng)急電源儲能系統(tǒng)供電容量的研究，因此以下主要討論分布式儲能資源匯聚技術(shù)。
目前國內(nèi)微電網(wǎng)控制的研究主要集中在下垂控制方面。根據(jù)下垂特性曲線可知，頻率f 與有功P 以及電壓U 與無功Q 之間均呈線性相關(guān)（如圖1 所示），分別獲取微電網(wǎng)頻率和電壓，這種控制方法在無需機組間通信協(xié)調(diào)的情況下按比例分配功率[5]，實現(xiàn)了微電網(wǎng)即插即用，具有簡單可靠的特點。
圖1 同步電機下垂特性曲線
文獻[6]提出了基于SOC（荷電狀態(tài)）的改進下垂控制方法，應(yīng)用于功率等級差別小的分布式儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)各儲能單元的SOC 來對其出力大小進行合理分配。
分布式儲能主要分為集中決策和分散決策兩類運行方式。文獻[7]使用二階錐松弛技術(shù)獲得高比例光伏放射狀配電系統(tǒng)中分布式儲能規(guī)劃運行的最優(yōu)解。而文獻[8]分析各儲能單元的迭代結(jié)果，經(jīng)過相鄰單元間的協(xié)調(diào)，獲得各裝置的最優(yōu)策略，在此基礎(chǔ)上提出一種完全分散式的分布式儲能運行方法。
此外，匯聚技術(shù)涉及電動汽車和能量信息化的研究。文獻[9]提出了電動汽車分布式儲能的概念及其控制策略，將電動汽車分成負責(zé)充電和放電的兩個群，提高了可調(diào)度性。文獻[10]在以單體電池為能量離散化單位的分布式儲能系統(tǒng)中應(yīng)用了能量信息化思想，并設(shè)計了可重構(gòu)電池架構(gòu)，大幅提升了系統(tǒng)效率。
分布式儲能系統(tǒng)的匯聚過程可以套用聚合理論[11]的概念，聚合理論中的疏松聚合體是指以經(jīng)濟性為目標(biāo)，在常規(guī)運行中其結(jié)構(gòu)及組成將根據(jù)內(nèi)部資源和整體運行環(huán)境、目標(biāo)的改變而可能改變的集合單元，體現(xiàn)聚合體的積極性。
1.3 集群控制技術(shù)
集群協(xié)調(diào)控制技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，其在無人系統(tǒng)[12]、通信領(lǐng)域[13]及智能交通[14]等領(lǐng)域有不少應(yīng)用。集群控制作為協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域的一個重要方面，具有極強的自我組織能力和被控對象規(guī)模較大的特點[15]，尤其在復(fù)雜的廣域分散系統(tǒng)中，集群協(xié)調(diào)控制是完成控制目標(biāo)、實現(xiàn)最優(yōu)控制的一種行之有效的方法，符合高滲透率分布式儲能系統(tǒng)的控制要求。集群協(xié)調(diào)控制從簡單的局部規(guī)則涌現(xiàn)出協(xié)調(diào)的全局行為，使被控對象行為趨于一致，體現(xiàn)了較強的適應(yīng)性、分散性、魯棒性、容錯性和自主性。
目前，國內(nèi)外只有少部分專家學(xué)者對分布式儲能中的集群協(xié)調(diào)控制技術(shù)開展研究，對其進行了初步探討。分布式儲能集群控制目前主要側(cè)重于概念的提出和框架搭建，針對其匯聚應(yīng)用尚未開展系統(tǒng)性理論研究及模型分析。文獻[16]提出了一種考慮SOC 的多儲能系統(tǒng)與可再生能源間的分布式有功功率協(xié)調(diào)控制策略。更多研究集中在大型風(fēng)電場的集群控制，包括風(fēng)電集群、風(fēng)儲集群和風(fēng)光集群的協(xié)調(diào)控制構(gòu)架和基本控制策略等方面，能夠為分布式儲能集群之間以及上層變電站之間的協(xié)調(diào)控制提供一種思路和啟發(fā)。
集群協(xié)調(diào)控制的核心在于集群和協(xié)調(diào)控制。集群的首要任務(wù)是進行動態(tài)劃分，將相似度高的分布式儲能系統(tǒng)聚合劃分為一個子區(qū)域，各分區(qū)可獨立、并行進行控制調(diào)節(jié)，如圖2 所示。
在這個過程中，聚類理論可為研究提供分組思路，文獻[17]通過k-means 提取用戶的典型用電負荷曲線，并與群體行為進行差異性比較，制定基于負荷曲線形態(tài)的用戶分類規(guī)則，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的用電特征，采用“進化”主元分析法對負荷形態(tài)相似的用戶進行分類。
圖2 分布式儲能分區(qū)示意
MAS（多代理系統(tǒng)）是由多個智能代理形成，通過確定每個代理在系統(tǒng)中的作用及配合的準(zhǔn)則，使系統(tǒng)易于控制與管理。在調(diào)度層面統(tǒng)一調(diào)配廣域布局的分布式儲能系統(tǒng)，是一個包含資源分散、監(jiān)控數(shù)據(jù)維數(shù)高且體量大、控制方式多樣化、涉及區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私的集群控制問題，難以實現(xiàn)靈活、有效的統(tǒng)一調(diào)度，因而需以MAS控制方式對分布式儲能系統(tǒng)進行調(diào)配。目前MAS在微電網(wǎng)[18-20]、虛擬電廠[21]協(xié)調(diào)控制方面多有應(yīng)用，為開展靈活供電的移動式分布式儲能系統(tǒng)的匯聚應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。
1.4 移動式儲能技術(shù)展望
目前國內(nèi)外針對分布式儲能的研究主要集中在配電網(wǎng)或微電網(wǎng)，以促進分布式間歇式電源消納、支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運行為背景[22-25]，或探討用戶側(cè)分布式儲能的經(jīng)濟性[26-27]，研究場景中僅包含單個或數(shù)個儲能系統(tǒng)，研究點涉及儲能系統(tǒng)的容量配置、接入方式、與其他電源的協(xié)調(diào)控制及能量管理、運營模式、經(jīng)濟性評估等方面，為后續(xù)開展多點布局分布式儲能系統(tǒng)的規(guī)模化匯聚應(yīng)用提供了相關(guān)技術(shù)支撐。
未來移動式儲能應(yīng)用范圍將會不斷擴大，有望成為電力系統(tǒng)中極具發(fā)展前景的技術(shù)支撐，可真正實現(xiàn)“削峰填谷+保電+應(yīng)急+備用+擴容+智能充售+移動救援”多重應(yīng)用一體化的系統(tǒng)集成。因此有必要研究移動式儲能系統(tǒng)不同場景的運行技術(shù)，開發(fā)并研制電池成組集成裝備，探索適合城市應(yīng)急管理的移動式儲能系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。
2 移動式儲能應(yīng)急電源
2.1 關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀
目前廣泛應(yīng)用的移動儲能應(yīng)急電源主要基于化學(xué)電池儲能系統(tǒng)，其優(yōu)點是：環(huán)境和噪聲污染低；可滿足用戶多種需求；輸出電能質(zhì)量高，可保證重要負荷連續(xù)供電；運行和維護成本低。
常規(guī)的應(yīng)急電源車以柴油發(fā)電機為主，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。柴油發(fā)電機應(yīng)急電源不僅消耗柴油，而且柴油機啟動時會產(chǎn)生大量煙霧，噪音大，工作時對環(huán)境影響嚴(yán)重，并且供電的穩(wěn)定性不足。因此目前各種重要負荷仍依靠自備發(fā)電來維持供電。
圖3 柴油發(fā)電機應(yīng)急電源車的結(jié)構(gòu)
而采用鋰電池的移動式儲能系統(tǒng)作為應(yīng)急電源，可以從根本解決上述問題。截至2019 年底，我國純電動汽車保有量381 萬輛，單臺電動汽車車載電池容量從20 kWh 到100 kWh 不等。文獻[28]研究發(fā)現(xiàn)電動汽車處于駕駛狀態(tài)的時間僅占全天的10%以下，同時，電動汽車對系統(tǒng)需求的響應(yīng)足夠迅速，甚至不到60 s[29-30]。因此電動汽車可以參與電動汽車并網(wǎng)服務(wù)，成為配電網(wǎng)中一種典型的移動式儲能設(shè)備。目前市場主流電動車的儲能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如圖4 所示。
圖4 市場主流電動汽車儲能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
2.2 關(guān)鍵設(shè)備研制
按照實際負載運行工況需求，設(shè)計相應(yīng)功率等級的儲能變流器、電池容量，并重點考慮車載式儲能系統(tǒng)面臨的通風(fēng)、散熱、運行顛簸等特殊需求，具備交直流充電，輸出多路獨立不同電壓等級的輸出端口，需要重點考慮遠程監(jiān)控、智能運維等多方面因素。
基于對電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)控制基本動態(tài)模型的分析，結(jié)合車輛限制和用戶需求，提出了參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的電動汽車控制策略[31]。文獻[32]針對電動汽車的電力系統(tǒng)頻率控制與經(jīng)濟調(diào)度，研究了電動汽車換電站輔助調(diào)頻和含電動汽車的動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度方法。文獻[33]通過設(shè)定電池SOC滯環(huán)區(qū)間和直流微電網(wǎng)母線電壓波動閾值范圍,在滿足用戶用車需求的前提下,最大限度發(fā)揮電動汽車的儲能特性,穩(wěn)定直流母線電壓。文獻[34-35]提出一種基于電動汽車的超級UPS 方案，利用MAS 技術(shù)實現(xiàn)“即插即用”功能，實現(xiàn)集群電動汽車的SOC 一致性均衡控制。
3 結(jié)論
移動式儲能應(yīng)急電源的研究是一個綜合性的問題，涉及到移動儲能應(yīng)急電源設(shè)備與分布式儲能系統(tǒng)匯聚技術(shù)，由此可以得到如下結(jié)論：
（1）采用鋰電池、飛輪的移動式儲能系統(tǒng)可以克服柴油發(fā)電機應(yīng)急電源的污染問題，且具備更好的靈活性、穩(wěn)定性，是移動應(yīng)急電源的主要發(fā)展方向。
（2）儲能系統(tǒng)響應(yīng)時間快速，從零到滿功率啟動時間為百毫秒級，可以快速響應(yīng)緊急負載的特殊需求。
（3）將應(yīng)急電源設(shè)備、分布式儲能系統(tǒng)匯聚技術(shù)以及直流變換器技術(shù)有機結(jié)合，有望拓展移動儲能應(yīng)急電源的應(yīng)用空間，增強應(yīng)對突發(fā)緊急事件的保障能力，也為未來分布式儲能系統(tǒng)規(guī)?；瘏R聚應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和應(yīng)用依據(jù)。
參考文獻：（略）
