中國儲能網訊：內容
1 簡介
2 輸電應用的選址和選型方法
3 作為輸電資產的儲能 (SATA)
4 配電應用的選址和設計
5 技術經濟比較分析方法
6 儲能可選方案的估值
7 控制系統(tǒng)建模和調整
8 案例研究
參考文獻
1 簡介
儲能越來越吸引政策制定者、監(jiān)管機構、項目開發(fā)商和電力公司的興趣。這些模塊化資產不僅可以快速注入和吸收電網的無功功率，還可以快速注入和吸收電網的有功功率，使其在從發(fā)電廠到消費者的電力價值鏈中可普遍發(fā)揮作用。美國能源部和桑迪亞國家實驗室 [1] [2] 發(fā)布了服務于多類利益相關方的 17 個儲能應用的匯總列表：電表后 (BTM) （小劉：用戶側）、配電、輸電、發(fā)電和電力批發(fā)市場，如圖 1-1。隨著儲能用到的化學原材料價格的下降和供應鏈的進一步開發(fā)，與傳統(tǒng)解決方案相比，儲能應用正變得越來越經濟。本節(jié)的重點是儲能在輸配電 (T&D)中的應用。
圖 1.1 儲能提供的多達 17 項服務
根據(jù)基爾霍夫定律，輸配電線路上的潮流取決于功率流入和流出的位置和功率大小、線路的阻抗和電網拓撲結構。為了保持電力系統(tǒng)可靠性，避免違反系統(tǒng)運行準則中的一項或多項，例如線路的電流過載、電壓越限、動態(tài)或瞬態(tài)不穩(wěn)定性、閃爍、諧波失真或正常系統(tǒng)運行期間的次同步諧振運行條件或應對一組預選的計劃突發(fā)事件，功率流入和流出受到約束。一個典型的例子是將兩條平行輸電線路上的電流之和限制在任一線路較低的緊急額定值之內，以避免在其中一條線路突然停運時另一條線路出現(xiàn)過載。在大多數(shù)系統(tǒng)中，這種運行理念事實上導致輸電線路的平均負載與其額定值的百分比在任何時候都需要低于 50%。這些對功率流入和流出的約束雖然必要且慎重，但這會產生巨大的經濟代價。很多時候，它們受到偶發(fā)的負載情況的限制，這類負載情況在一天或一個季節(jié)中可能僅僅持續(xù)幾個小時。
儲能可以在其設計和運行限制范圍內注入和吸收電網功率，因此，如果位置合適，可以通過儲能在偶發(fā)的負載情況或事故后吸收多余功率或供應不足功率來幫助提高電網應對事故的能力。人們應該意識到，如果系統(tǒng)過載水平或持續(xù)時間很高，與其他傳統(tǒng)解決方案相比，儲能將不再是一種可行的技術或經濟解決方案。
當配備四象限逆變器時，儲能系統(tǒng)在注入和吸收有功功率時可實現(xiàn)快速動態(tài)響應，無功功率及其隨時可用的能量儲備（盡管有限）可以幫助系統(tǒng)規(guī)劃人員減少擁塞節(jié)點位置受熱限制、穩(wěn)定性限制或電壓限制的輸電限制。它還可以減輕配電網中太陽能間歇性的影響，從而提高分布式能源 (DER) 的自主能力，并在需要時提供差異化的可靠性或彈性電網服務。一個適當大小和選址的儲能系統(tǒng)可以提供多種電網可靠性和效率服務，同時促進公共政策舉措，如圖 1-2 所示。
本文的目的是提出分析方法，以幫助輸配電規(guī)劃人員正確檢查儲能作為非電線解決方案 (NWS) 的技術和經濟效率，以解決電網可靠性和電網性能問題。重點將放在選址、規(guī)模、收入的累計和技術經濟壽命分析上。本文的范圍不包括其他重要的規(guī)劃方面，例如控制系統(tǒng)設計，包括測量信號的選擇和控制器參數(shù)調整，以及保護系統(tǒng)設計和繼電保護設置。
圖 1.2 儲能系統(tǒng)在電網可靠性和市場效率方面的優(yōu)勢
1.1 儲能作為輸配電資源的戰(zhàn)略價值
電力系統(tǒng)本質上管理起來很復雜。能源的即時生產、傳輸和分配需要主要在發(fā)電廠、輸配電網、負載和監(jiān)控中心的多層自主保護和控制系統(tǒng)，以確保在這個大規(guī)模的即時交付質量的時代電力系統(tǒng)。儲能可以適當調整規(guī)模并進行管理，從而為現(xiàn)有系統(tǒng)增加戰(zhàn)略價值，如下所示：
通過功率流入和流出的時間轉移來提高現(xiàn)有輸配電線路的利用率，以減少系統(tǒng)過載，從而提高潮流的允許值。
提供極大的靈活性，幫助電網逐步走上現(xiàn)代化道路，以經濟地適應新形式的間歇性能源和消費模式。
利用儲能的模塊化來降低電網投資的風險，尤其是在規(guī)劃不確定性日益增加和審批過程冗長的情況下。
1.2 儲能如何影響系統(tǒng)可靠性？
儲能在其與電網互連點 (POI) 快速注入和吸收功率，從而改變輸配電線路潮流。潮流可以在某些區(qū)段上增加而在其他區(qū)段上減少。同樣，當配備四象限逆變器時，儲能能夠注入和吸收無功功率，因此可以增加或減少母線/節(jié)點電壓。如果儲能系統(tǒng)位于電網內，它們可以減少過載線路的潮流和/或將母線/節(jié)點電壓置于可接受的工作范圍內，那么它們可以提供電網可靠性服務并用作電網資產來替代或補充常規(guī)資產。然而，由于逆變器的過電流額定值有限，在低壓或短路情況下，基于逆變器的電源提供的無功功率與傳統(tǒng)旋轉設備提供的無功功率相比要顯著降低。此外，對于具有高水平可再生發(fā)電資產取代傳統(tǒng)發(fā)電資產的系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)可以額外提供其他基本可靠性服務，包括：
?將頻率變化率 (RoCoF) 限制在規(guī)定的慣性頻率響應限值內
控制頻率偏移的一次頻率響應而不觸發(fā)減載方案
增強電網的短路強度，使基于可再生能源逆變器的電網能夠正常運行
減輕可再生能源逆變器的潛在閃爍問題。
1.3 儲能系統(tǒng)充電還是放電會影響電網可靠性嗎？
過度的負載增長或發(fā)電滲透率（例如，可再生能源）可能會引發(fā)電網的熱問題和電壓越限。對于主要由過載導致的電網事故，在放電模式下運行儲能是有幫助的，而對于主要由超發(fā)驅動的電網違規(guī)，充電模式是有幫助的。在具有多個電網熱問題和電壓越限的一般環(huán)境中，可能需要一個或多個協(xié)調儲能系統(tǒng)，其中一些在放電模式下運行，而另一些在充電模式下運行，可能需要有效解決這些電網可靠性問題。
1.4 需要多少容量的能量？
所需儲能容量水平最明顯的初始動機是線路每小時的過載情況。過載越高，應充電或放電的功率則越大；而過載的持續(xù)時間越長，儲存能量的規(guī)模就需要越大。
但是，還有有一個不那么明顯的動機。就儲能性質而言，是是一種能量有限的資產，因此，如果它被要求放電以滿足電網需求（或者如果它已經充電以滿足電網需求，則應該放電），如果在電網容量充足的情況下沒有充電，由于儲能系統(tǒng)充電同樣會增加電網的負載，容量不足可能會引發(fā)電網違規(guī)。在某些情況下，這些對儲能系統(tǒng)再充電時間的可靠性限制會導致對更高的能量容量要求。例如，如果在連續(xù)五天的時間里，每小時的負荷預測很高，需要儲能系統(tǒng)每天放電6個小時來削減負荷，但在每天剩余的時間里，只能對儲能進行充電釋放能量的一半，那么儲能容量將不得不擴大到每日能量釋放需求的3.0倍。在第一個高峰日，儲能將以 3.0 倍的容量進入峰值負荷期，然后以2.5倍的容量進入第二天，第三天以2.0倍，第四天1.5 倍，第五天1.0 倍。儲能應設計為具有足夠的能量容量以渡過過載持續(xù)時間或提供充足時間直到電網運營商完成負載切換或實施新的發(fā)電調度。
1.5 儲能系統(tǒng)能否增加電網輸送或自治容量？
與傳統(tǒng)輸配電線路不同，儲能不會創(chuàng)造新的電網容量。相反，它利用每小時的負荷和可再生能源斷面來最大限度地利用現(xiàn)有電網容量。輸電系統(tǒng)通常在預計停電時負荷減半運行，以避免在重新調度發(fā)電之前輸電電路過載的風險。這是由于輸電網中自動控制的固有有限可用性，例如線路切換。儲能提供了必要的控制，以將電網負載或傳輸限制增加到但不超過熱限制。同樣，在配電網絡中，儲能可以削減峰值負載，減輕逆流和間歇性的影響，從而增加自治容量。
1.6 儲能系統(tǒng)何時可以提供其他服務？
電網違規(guī)可能發(fā)生在正?；蛲暾?(N-0) 電網運行期間，但更普遍地發(fā)生在電網突發(fā)事件下（例如，N-1 或 N-1-1）。這些電網違規(guī)通常是季節(jié)性的（例如，夏季高峰或春季非高峰），因此，儲能資產提供電網服務的需求通常是不常見的和季節(jié)性的。例如，一個冬季高峰期的公用事業(yè)公司可能會在冬季期間預測幾個小時或幾天，屆時該公用事業(yè)公司的可靠性標準將被違反。緩解電網違規(guī)的 MW 和 MWh 儲能容量要求將每小時變化，具體取決于這些違規(guī)的程度。可以優(yōu)化存儲資產的操作以提供市場服務，例如容量或輔助服務，和/或在電網可靠性不需要全部儲能容量時向本地主機提供服務，例如備用電源。這種價值堆疊能力是存儲系統(tǒng)的一個重要特性，可以幫助抵消其成本。但是，就優(yōu)先級而言，可靠性是首要功能并具有優(yōu)先權，而收益疊加是次要功能，可在可靠性需要允許時加以利用。
1.7 儲能規(guī)劃分析技術
由于分布式能源 (DER) 和可變可再生資源 (VER) 的激增，輸配電電網中潮流的可變性和不可預測性增加，這增加了電網規(guī)劃的復雜性，因此需要開發(fā)更先進的分析工具和流程。假設可調度集中發(fā)電資源和配電網單向潮流的傳統(tǒng)容量規(guī)劃正在讓位于旨在確保在遵守可靠性標準的同時可以實現(xiàn)成功集成DER和VER的性能規(guī)劃。僅僅在有限數(shù)量的運行時刻快照（例如，夏季高峰期或春季非高峰期）檢查電網性能的傳統(tǒng)做法不再適用，在許多情況下，更復雜的每小時（例如，一年共計8760點）系列電力潮流和應急分析是必需的?？稍偕茉窗l(fā)電曲線和負載曲線的可變性及其不確定的匹配可能需要使用概率分析，例如圍繞8760時間序列分析的蒙特卡羅模擬。此外，在發(fā)電或負載任一側的系統(tǒng)事件發(fā)生后，輸配電網上基于逆變器電源 (IBR) 之間的動態(tài)相互作用正日益推動對集成輸配電分析的需求。
一方面，與傳統(tǒng)輸配電線路被動執(zhí)行、無時間限制、無主動控制以增加傳輸容量不同，儲能提供類似容量增加但時間窗口有限的核心功能，這需要主動監(jiān)控來協(xié)調和管理其輸電能力。實現(xiàn)有功和無功輸出放電和充電狀態(tài)，另一方面，在部署在負載中心附近和地理位置偏遠的電網應用時，儲能的占地面積、模塊化和潛在的可移動性是一個顯著的優(yōu)勢。對儲能作為傳統(tǒng)電線解決方案的替代或補充進行適當分析，不僅應探索儲能的核心功能，還應探索每種技術和支持系統(tǒng)固有的靈活性和脆弱性，以及它們降低資本投資風險的能力。這使得規(guī)劃面臨越來越多的不確定性。
對于成功規(guī)劃儲能作為電網資產至關重要的六個關鍵方面：
選址
選型
收入累計
技術經濟壽命對比分析
控制系統(tǒng)信號與中繼的調諧
保護系統(tǒng)設計與設置
在本基礎知識中，針對前四個方面的每一個方面提出了一種方法，以及應用和案例研究。第 2.1 節(jié)和第 2.2 節(jié)分別介紹了輸電網應用的選址和選型分析方法和公式。隨后在第 3.1-3.4 節(jié)中給出了在市場效率、電網可靠性、可再生能源并網、子輸電系統(tǒng)中斷和負載備用應用中使用選址和選址方法的代表性示例。第 4 節(jié)介紹了用于配電網應用的儲能選址和選型的方法和示例。第 5 節(jié)介紹了技術經濟比較分析方法，而第 6 節(jié)介紹了評估儲能可選性的技術。第 7 節(jié)提供了電力系統(tǒng)分析工具中的儲能建模，用于穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)定性和瞬態(tài)分析應用。此外，第 8 節(jié)提供了三個案例研究，說明了儲能作為 NWA 的應用；第一個案例研究側重于傳輸可靠性應用；第二個關于配電可靠性的應用；第三個關于將風能資產并入輸電網的問題。第 8.2 節(jié)中的第二個案例研究詳細介紹了收入累積。
1.8 輸電可靠性標準
輸電網規(guī)劃必須符合最低的性能標準，例如北美的 NERC TPL-001-4。性能要求確保在規(guī)劃范圍內，大容量電力系統(tǒng) (BES) 將在廣泛的系統(tǒng)條件下可靠運行，并遵循表 1.1 中總結的各種可能的突發(fā)事件。根據(jù) NERC TPL-001-4 標準的應急分類可以總結如下：P0 是完整系統(tǒng)（N-0）；P1為單一元件失效（電路、發(fā)電機、變壓器、分流裝置）；P2也是單一元件失效（線路分段、母線、斷路器）；P3是發(fā)電機失效一段時間后第二個元件失效（N-1-1），P4是多元件失效（斷路器拒動），P5也是多元件失效（繼電保護故障清除延遲）失效）; P6 是單個元件（線路、變壓器、分流裝置）失效后的另一個單個元件（N-1-1）失效，P7 是多個元件（一般結構）的失效。
表 1.1 NERC TPL-001–4：P1–P7 類別
