分布式儲能可以從根本上解決分布式電源接入和負(fù)荷快速增長給電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃帶來的問題與挑戰(zhàn)。從分布式儲能的規(guī)劃技術(shù)、面向電網(wǎng)的應(yīng)用模式、關(guān)鍵裝備研發(fā)及商業(yè)運(yùn)營模式4個方面介紹了國內(nèi)外分布式儲能研究的最新進(jìn)展,并重點(diǎn)就其中的容量配置、選點(diǎn)布局、協(xié)調(diào)控制設(shè)備研發(fā)及運(yùn)營模式進(jìn)行了評述,并給出了進(jìn)一步的研究方向建議。最后,結(jié)合中國未來智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃,對分布式儲能的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
0 引言
近年來,分布式電源大量接入配電網(wǎng),其接入點(diǎn)的隨機(jī)性和出力的不確定性給配電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)營帶來了新的問題。與此同時,隨著負(fù)荷快速增長,峰谷差不斷增大,城鄉(xiāng)配電網(wǎng)“標(biāo)準(zhǔn)低、聯(lián)系弱、低電壓”等問題日益突出,負(fù)荷需求響應(yīng)作為一種有效調(diào)節(jié)手段,在一定程度上可以緩解上述問題,但是要從根本上解決,需要引入儲能技術(shù)[1-3]。
隨著儲能技術(shù)進(jìn)步和成本降低以及需求側(cè)的演化發(fā)展,分布式儲能在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢,也是突破傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)營方式的重要途徑。2015年3月中共中央國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》明確提到鼓勵儲能技術(shù)的應(yīng)用來提高能源使用效率,2016年3月《“十三五”規(guī)劃綱要》中八大重點(diǎn)工程提及儲能電站、能源儲備設(shè)施,重點(diǎn)提出要加快推進(jìn)儲能等技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。各企業(yè)單位也在積極開展儲能系統(tǒng)建設(shè)并探索儲能商業(yè)化運(yùn)營模式,國網(wǎng)江蘇省電力公司規(guī)劃到2020年江蘇省內(nèi)儲能累計容量達(dá)到1000 MW。
分布式儲能安裝地點(diǎn)靈活,與集中式儲能比較,減少了集中儲能電站的線路損耗和投資壓力,但相對于大電網(wǎng)的傳統(tǒng)運(yùn)行模式,目前的分布式儲能接入及出力具有分散布局、可控性差等特點(diǎn)。從電網(wǎng)調(diào)度角度而言,目前缺乏有效的調(diào)度手段,如任其自發(fā)運(yùn)行,相當(dāng)于接入一大批隨機(jī)性的擾動電源,它們的無序運(yùn)行無助于電網(wǎng)頻率、電壓和電能質(zhì)量的改善,也造成了儲能資源的較大浪費(fèi)。在配電網(wǎng)中合理地規(guī)劃分布式儲能,并調(diào)控其與分布式電源和負(fù)荷協(xié)同運(yùn)行,不但可以通過削峰填谷起到降低配電網(wǎng)容量的作用,還可以彌補(bǔ)分布式出力隨機(jī)性對電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的負(fù)面影響。進(jìn)一步,通過多點(diǎn)分布式儲能形成規(guī)?；瘏R聚效應(yīng),積極有效地面向電網(wǎng)應(yīng)用,參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等輔助服務(wù),將有效提高電網(wǎng)安全水平和運(yùn)行效率[4]。
在此背景下,本文對分布式儲能的規(guī)劃技術(shù)、參與輔助服務(wù)的應(yīng)用模式、關(guān)鍵裝備研發(fā)及商業(yè)運(yùn)營模式等規(guī)?；瘧?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理與探討,為后續(xù)開展更為深入的研究提供借鑒與參考。
1 儲能規(guī)劃技術(shù)
目前,分布式儲能的應(yīng)用場景主要包含用戶側(cè)、分布式電源側(cè)和配網(wǎng)側(cè)3個方面,其投資主體包括用戶、分布式電源投資商和電網(wǎng)公司,多以分布式電源、用戶側(cè)或微電網(wǎng)為背景引入,電動汽車也是其中的一種重要組成。在配網(wǎng)中,關(guān)于分布式儲能規(guī)劃技術(shù)的研究主要涉及容量優(yōu)化配置及選點(diǎn)布局2個方面,并且當(dāng)需要同時開展容量和選點(diǎn)研究時,鑒于二者間存在的強(qiáng)耦合關(guān)系,在目前國內(nèi)外開展的研究中,往往將之作為一體化問題處理,多通過將分布式儲能規(guī)劃描述為一個優(yōu)化問題,優(yōu)化目標(biāo)和約束條件隨應(yīng)用場景和應(yīng)用目標(biāo)而變。優(yōu)化目標(biāo)主要包括技術(shù)性目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)兩類,約束條件一般包含儲能設(shè)備布局總點(diǎn)數(shù)、儲能本身和系統(tǒng)運(yùn)行方面的約束條件。
文獻(xiàn)[5-9]均為針對分布式儲能容量優(yōu)化配置開展的研究,涉及的場景包含促進(jìn)分布式電源消納、配電饋線削峰、參與配電網(wǎng)需求響應(yīng)等。文獻(xiàn)[8]以參與配電網(wǎng)需求響應(yīng)為場景,建立了儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和基于電價變化的需求響應(yīng)模型,以節(jié)省電費(fèi)、最大化業(yè)主收益為目標(biāo)開展儲能容量配置研究。文獻(xiàn)[10]以配網(wǎng)饋線擴(kuò)展規(guī)劃為場景研究分布式儲能的容量配置和選點(diǎn)布局,以儲能安裝成本、新電路的擴(kuò)展成本、儲能運(yùn)行成本和切斷可中斷負(fù)荷的罰金總和最小為目標(biāo),約束條件包括系統(tǒng)潮流、儲能容量和充放電功率約束、發(fā)電機(jī)運(yùn)行邊界和爬坡率等。文獻(xiàn)[11]以系統(tǒng)功率平衡和參與電網(wǎng)輔助服務(wù)為場景探討儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)內(nèi)的規(guī)劃技術(shù)研究,提出了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性綜合規(guī)劃目標(biāo),以一段時間內(nèi)配電網(wǎng)各母線電壓波動、網(wǎng)損和與外電網(wǎng)交互的總能量成本的加權(quán)和最小為目標(biāo),目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示。
文獻(xiàn)[12]給出了在配網(wǎng)側(cè)規(guī)劃儲能系統(tǒng)時,儲容配置和選點(diǎn)布局的一般步驟：
1)確定研究對象,電網(wǎng)和儲能應(yīng)用場景(約束條件、負(fù)荷曲線、時間跨度等)。
2)確定電網(wǎng)內(nèi)可用于安裝儲能設(shè)備的節(jié)點(diǎn)數(shù)。
3)確定分布式儲能系統(tǒng)的總?cè)萘俊?
4)確定儲能系統(tǒng)的控制策略。
5)確定分布式儲能系統(tǒng)的容量劃分方式。
6)在選定的應(yīng)用場景中,模擬分布式儲能的分配效果。
7)重復(fù)步驟5)和6),迭代次數(shù)取決于布局點(diǎn)數(shù)和計算精度要求。
算法流程圖見圖1。
圖1 采用遺傳算法的求解流程圖
綜合目前國內(nèi)外開展的分布式儲能系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃方面的研究,大多建立以技術(shù)性或經(jīng)濟(jì)性或技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性綜合目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),在儲能本身和系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件下開展尋優(yōu)求解,目標(biāo)函數(shù)一般可綜合為單目標(biāo)優(yōu)化,約束條件包含等式約束和不等式約束,針對該優(yōu)化求解問題也開展了較多研究,多采用智能求解算法進(jìn)行求解,比如遺傳算法。
此外,在用戶側(cè)規(guī)劃儲能設(shè)備,不存在布點(diǎn)問題;并且因?yàn)槲覈壳皩?shí)行分時電價和針對工商業(yè)用戶的兩部制電價政策,所以用戶側(cè)分布式儲能的引入多從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),以減少電費(fèi)或最大化收益為目標(biāo)開展儲能配置研究[13-15]。江蘇2017年用戶側(cè)分布式儲能規(guī)劃建設(shè)情況如表1所示。從表1可以看出,當(dāng)前用戶儲能的建設(shè)目標(biāo)還是以需求響應(yīng)(價差套利)和提高供電可靠性為主,對電網(wǎng)的支撐作用主要是削峰填谷。
表1 江蘇省2017年用戶側(cè)儲能規(guī)劃建設(shè)情況(容量1 MW以上)
分布式儲能應(yīng)用于不同場景下的目標(biāo)函數(shù)及約束條件如表2所示。
表2 不同應(yīng)用場景下的目標(biāo)函數(shù)與約束條件
(表2中：m為儲能系統(tǒng)的年投運(yùn)次數(shù);n為劃 ">)
總體而言,國內(nèi)外在分布式儲能規(guī)劃方面已有較多研究,但目前的研究均是在確定的應(yīng)用場景下開展常規(guī)性的規(guī)劃研究,在我國配網(wǎng)分布式儲能蓬勃發(fā)展的背景下,為提高分布式儲能系統(tǒng)的利用效率和充分調(diào)動電網(wǎng)資源,有必要面向電網(wǎng)應(yīng)用,開展基于配網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有儲能資源的補(bǔ)充性規(guī)劃技術(shù)研究,即針對電網(wǎng)需求,首先評估電網(wǎng)內(nèi)已有的可匯聚儲能資源,在此基礎(chǔ)上,開展差額配置和布點(diǎn)研究。
2 面向電網(wǎng)的應(yīng)用模式
隨著新能源和城市負(fù)荷的快速發(fā)展,電網(wǎng)運(yùn)行在調(diào)峰調(diào)頻和新能源消納方面的壓力越來越大,需求側(cè)各種資源參與電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行是必然趨勢。
2.1 儲能參與配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行
儲能系統(tǒng)憑借其快速功率調(diào)節(jié)以及兼具供蓄能力的特征,在平滑間歇式能源功率波動、削峰填谷、改善電壓質(zhì)量以及提供備用電源等方面都發(fā)揮了較大作用,是配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對廣泛接入的分布式能源靈活調(diào)節(jié)以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵所在。當(dāng)大量可再生能源接入配電網(wǎng)時,其出力的波動性會對配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來不利影響,甚至?xí)闺妷涸较?使用儲能裝置可以對接入節(jié)點(diǎn)的可再生能源及負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷,從而抑制了功率波動,減小了電壓越限風(fēng)險,提升了配電網(wǎng)對新能源的接納能力[16-18];同時,儲能系統(tǒng)的接入也可以改善配電網(wǎng)潮流、降低網(wǎng)損,優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行[18-19]。此外,將多個子儲能系統(tǒng)并聯(lián)在微網(wǎng)中可提高儲能系統(tǒng)的容量,利用儲能系統(tǒng)的快速功率調(diào)節(jié)能力,可為整個孤網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓頻率支撐,維持微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定[20]。
2.2 儲能參與系統(tǒng)輔助服務(wù)
儲能系統(tǒng)可通過參與系統(tǒng)輔助服務(wù),對電網(wǎng)起到支撐作用,應(yīng)用模式主要包括調(diào)頻和調(diào)峰。
不同于傳統(tǒng)火電機(jī)組,可再生能源發(fā)電系統(tǒng)屬于低慣量系統(tǒng),雖然可以通過虛擬同步或虛擬慣量控制策略獲取一定的阻尼特性,但是作用有限。大量光伏電站或風(fēng)電場并網(wǎng)會降低電力系統(tǒng)的慣量,弱化電網(wǎng)對頻率的調(diào)節(jié)能力,影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行[21-24]。利用儲能系統(tǒng),可以進(jìn)行削峰填谷的工作,減小有功功率的波動;也可以提升可再生電源對頻率調(diào)節(jié)的響應(yīng)能力,改善低慣量系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性。當(dāng)光伏電站或風(fēng)電場不足以響應(yīng)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)時,儲能系統(tǒng)可以通過放出或吸收功率,完成新能源電站對電網(wǎng)頻率變化的響應(yīng)。
目前研究多集中在大容量集中式儲能電站對大電網(wǎng)的支撐作用上。文獻(xiàn)[25]建立了考慮電池容量、電壓及電流等因素的用于削峰填谷的電池模型。文獻(xiàn)[26]在負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上,從儲能電站充放電量均衡的角度,提出以一個邊際負(fù)荷值來確定電站充放電運(yùn)行狀態(tài)的控制方案。針對實(shí)時負(fù)荷與預(yù)測負(fù)荷存在偏差的問題,提出了結(jié)合儲能電量預(yù)測值對電站實(shí)時運(yùn)行控制進(jìn)行調(diào)整的方法。文獻(xiàn)[27]提出一種基于動態(tài)規(guī)劃的實(shí)時修正優(yōu)化控制策略,可在優(yōu)化模型中引入充放電次數(shù)限制和放電深度限制等非連續(xù)約束條件,并通過將電池電量離散化等方法解決含有非連續(xù)約束的優(yōu)化問題,該控制算法已成功應(yīng)用于南方電網(wǎng)兆瓦級鋰離子電池儲能示范工程。文獻(xiàn)[28]提出了一種分布式電池儲能系統(tǒng)的新型協(xié)調(diào)控制算法。主控制中心分組和控制模擬系統(tǒng)中相鄰電池儲能系統(tǒng),向每個電池儲能系統(tǒng)發(fā)送充電或放電運(yùn)行信號,從而應(yīng)用于電網(wǎng)削峰填谷。
總體而言,已有研究大多針對集中式大容量的儲能系統(tǒng),而對于分布式儲能參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的協(xié)同控制技術(shù)研究還較少。如何構(gòu)建規(guī)?；植际絻δ軈R聚效應(yīng)的動態(tài)仿真模型,協(xié)調(diào)控制多點(diǎn)布局的分布式儲能以及柔性負(fù)荷,亟需開展相關(guān)內(nèi)容的深入研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[29-30]定義了負(fù)荷聚合商概念,因此進(jìn)一步可以擴(kuò)展到儲能參與需求響應(yīng)和提供輔助服務(wù)中,將會出現(xiàn)“資源聚合商”,未來資源聚合商將匯聚若干分布式用戶儲能參與電力市場交易,基本框架如圖2所示。
圖2 分布式儲能匯聚(資源聚合商)參與電網(wǎng)調(diào)度交易示意圖
3 儲能關(guān)鍵裝備研制
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和分布式電源的不斷增多,對于研制分布式儲能關(guān)鍵裝備的需求也更加迫切。關(guān)鍵裝備主要包括高效率、即插即用變流器,支持廣域調(diào)控的就地監(jiān)控設(shè)備和協(xié)調(diào)控制設(shè)備等。
3.1 高效率、即插即用儲能變流設(shè)備
在一些特殊的場合下,分布式儲能設(shè)備需要有并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行2種工作模式,這2種工作模式之間的切換需要盡可能平滑,減小對用戶或電網(wǎng)的沖擊和影響,使分布式儲能設(shè)備能夠柔性接入和退出的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式儲能設(shè)備即插即用的基礎(chǔ)。通過并網(wǎng)切換孤島過程補(bǔ)償算法與孤島切換并網(wǎng)過程預(yù)同步方法[31]可以實(shí)現(xiàn)2種工況的無縫切換,具體控制策略見圖3和圖4,圖中變量定義參見文獻(xiàn)[31]。
圖3 并網(wǎng)切換孤島控制策略
圖4 孤島切換并網(wǎng)控制策略
對于提高分布式儲能系統(tǒng)的效率而言,基于新型中點(diǎn)鉗位(A-NPC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三電平變流器可以提高輸出電壓波形質(zhì)量,有利于降低絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)耐壓,以減小開關(guān)器件成本、IGBT損耗和電感損耗,來提高系統(tǒng)整體效率,因此具有廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[32]基于A-NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計了電池儲能變流器主電路,開發(fā)了變流器系統(tǒng)控制器軟硬件,研究了變流器中點(diǎn)電壓控制機(jī)理。
目前對于單臺儲能變流設(shè)備無縫切換控制策略研究較多,但是如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備即插即用的電氣/通訊接口技術(shù)以及設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行時的柔性接入/退出,減小對系統(tǒng)沖擊方面和不同應(yīng)用模式下平滑切換控制技術(shù)方面研究較少,亟需開展相關(guān)內(nèi)容的深入研究。
3.2 儲能系統(tǒng)就地監(jiān)控設(shè)備
電池儲能系統(tǒng)一般由儲能電池、電池管理系統(tǒng)、雙向變流器和監(jiān)控系統(tǒng)等幾個主要部分組成,并通過升壓變壓器接入10 kV及以上電壓等級。儲能監(jiān)控系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)、雙向變流器、上級調(diào)度系統(tǒng)通過高速的通信協(xié)議以及通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互與傳輸,從而實(shí)現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的監(jiān)測、運(yùn)行控制以及能量管理。針對分布式儲能系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景以及需求,儲能監(jiān)控系統(tǒng)基于儲能系統(tǒng)中電池、雙向變流器等配套設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時控制各儲能變流器的充放電功率并優(yōu)化管理儲能電池系統(tǒng)充放電能量,不僅實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)在各種場景下的應(yīng)用目標(biāo),并可實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度管理,有效減緩電池劣化,實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)高效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。儲能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計需要遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),能夠完成實(shí)時監(jiān)控和高效控制的功能,提高儲能系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,主要環(huán)節(jié)包括信息采集、狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、人機(jī)交互等[33-35]。儲能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。
圖5 儲能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
由于國情不同、電網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)營方式不同以及高昂的價格,國外的監(jiān)控系統(tǒng)很難在國內(nèi)推廣應(yīng)用?？紤]到今后儲能監(jiān)控技術(shù)與需求的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的優(yōu)化控制調(diào)度,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)適用于多點(diǎn)布局中小規(guī)模分布式工程的低成本儲能監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。
3.3 多點(diǎn)布局儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制設(shè)備
多源協(xié)調(diào)控制根據(jù)分布式電源、負(fù)載類型以及配電網(wǎng)不同的工作模式,通過主從控制、對等控制以及其他相關(guān)控制策略,抑制因各節(jié)點(diǎn)電壓差產(chǎn)生的環(huán)流和控制直流母線電壓的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中的各供電電源的協(xié)調(diào)控制。常用的控制技術(shù)包括多代理系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定控制策略、電壓分層協(xié)調(diào)控制策略、基于動態(tài)虛擬慣量的分布式電源控制等。對于離網(wǎng)運(yùn)行的工況而言,多臺儲能逆變器并聯(lián)運(yùn)行時,需要為整個微網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓頻率支撐,但逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗的差異會造成功率分配不均以及環(huán)流過大等問題,從而導(dǎo)致整個微網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。P-U、Q-f下垂控制策略可以解決功率在多臺儲能逆變器之間的分配問題。針對逆變器間的環(huán)流,可以增加虛擬阻抗技術(shù),使變流器等效輸出阻抗呈現(xiàn)阻性,從而抑制環(huán)流;對于不同電池系統(tǒng),其荷電狀態(tài)不同,可以施加功率控制外環(huán),根據(jù)電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)合理分配功率,從而實(shí)現(xiàn)多臺逆變器離網(wǎng)狀態(tài)下的協(xié)調(diào)控制[20,36-37]。下垂控制適用于本地多逆變器離網(wǎng)的并聯(lián)控制,對于配電網(wǎng)中分布式儲能而言,往往是并網(wǎng)運(yùn)行,且分布在不同節(jié)點(diǎn)上。對于廣域布局分布式儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制設(shè)備的研制,需要遵循IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)建立儲能系統(tǒng)的擴(kuò)展信息模型,實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)儲能系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)共享,并以最優(yōu)電能質(zhì)量指標(biāo)或最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)編寫控制軟件,實(shí)現(xiàn)廣域布局分布式儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[38-39]。除了分布式儲能系統(tǒng)之外,文獻(xiàn)[40]在分析電動汽車動力電池特性的基礎(chǔ)上提出了電動汽車分布式儲能的概念。在滿足電池約束、電網(wǎng)約束和車主約束的基礎(chǔ)上提出了電動汽車分布式儲能的控制策略。
目前,國際上的分布式儲能協(xié)調(diào)控制設(shè)備研發(fā)也處在剛剛起步的過程,如德國能源供應(yīng)公司SENEC.IES,目前有2000個用戶參與到他們的‘Economic Grid’計劃中,家庭用戶安裝“雙向能源管理系統(tǒng)”(簡稱BEMI),每15 min儲存用戶用電數(shù)據(jù),記錄用戶用電習(xí)慣,當(dāng)電價發(fā)生變動時,BEMI通過控制分布式儲能系統(tǒng)來調(diào)控用電時間和用電量。目前國內(nèi)尚沒有分布式儲能相關(guān)產(chǎn)品,主要是借用微網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)類似功能,然而微網(wǎng)控制器多用于本地控制,很少涉及到廣域多點(diǎn)調(diào)度相關(guān)功能,同時微網(wǎng)控制器缺乏對電池儲能系統(tǒng)在線檢測、充放電優(yōu)化控制和保護(hù)的相關(guān)功能,難以實(shí)現(xiàn)對于分布式儲能系統(tǒng)的全面控制和優(yōu)化。
伴隨配網(wǎng)側(cè)分布式儲能的快速發(fā)展,面向電網(wǎng)的儲能資源匯聚應(yīng)用將包含電池儲能設(shè)備、通過V2G并網(wǎng)的電動汽車、儲熱鍋爐、冰蓄冷中央空調(diào)等分布式儲能設(shè)備,通過多設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制,參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等應(yīng)用,如圖6所示。在這個過程中,儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制設(shè)備在上層調(diào)度和各分散的分布式儲能資源間起到調(diào)度指令分解、儲能設(shè)備協(xié)調(diào)控制、儲能監(jiān)控與保護(hù)、多應(yīng)用功能切換等功能。
圖6 面向電網(wǎng)應(yīng)用的分布式儲能協(xié)調(diào)控制框圖
4 儲能商業(yè)模式評估
4.1 商業(yè)模式
作為分布式可再生能源發(fā)電和智能微電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù),分布式儲能在分布式發(fā)電和微電網(wǎng)系統(tǒng)中除了參與系統(tǒng)運(yùn)行控制,還可以產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益,如在分時電價機(jī)制下,可以通過低儲高發(fā)實(shí)現(xiàn)套利,在工商業(yè)用戶兩部制電價下,通過降低基本電價為用戶節(jié)省電費(fèi),或通過提供用戶需求響應(yīng)能力,幫助用戶降低高峰負(fù)荷的用電量,賺取需求響應(yīng)服務(wù)費(fèi)等。2016年國家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場)機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》特別強(qiáng)調(diào)了鼓勵電儲能參與電網(wǎng)的調(diào)峰,并針對用戶側(cè)電儲能調(diào)峰進(jìn)行了說明,用戶側(cè)建設(shè)的電儲能設(shè)施,充電電量既可執(zhí)行目錄電價,也可參與電力直接交易自行購買低谷充電電量,放電電量既可自用,也可視為分布式電源就近向電力用戶出售電量;用戶側(cè)建設(shè)的一定規(guī)模的電儲能設(shè)施,可作為獨(dú)立市場主體或與發(fā)電企業(yè)聯(lián)合參與調(diào)頻、深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰等輔助服務(wù)。該通知明確了電儲能參與系統(tǒng)輔助服務(wù)的身份,在目前的電力市場環(huán)境下通過低儲高發(fā)獲取收益是可行的途徑。
從目前的市場環(huán)境來看,儲能設(shè)備獲利是具有政策支持的,目前的研究也多基于此展開,文獻(xiàn)[41]提出一種雙層調(diào)度策略模型,該模型的主要目標(biāo)是通過最優(yōu)地控制儲能充放電曲線來使售電公司的利潤最大化。文獻(xiàn)[42]在綜合考慮了電、水、氣高級量測,微電網(wǎng)分布式能源管理和電動汽車充電及相關(guān)節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)智能小區(qū)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,對智能小區(qū)商業(yè)模式從投資分?jǐn)傤愋?、盈利模式和效益測算分析3個方面進(jìn)行了探討,并詳細(xì)分析了各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
目前,與分布式光伏組合形成的分布式光儲系統(tǒng)在國外已有較多的商業(yè)應(yīng)用,在不同的國家,分布式光儲發(fā)電的應(yīng)用重點(diǎn)各不相同,美國加州在工商業(yè)領(lǐng)域的分布式項(xiàng)目居多,澳大利亞和德國市場的重點(diǎn)在戶用儲能領(lǐng)域。以德國SENEC.IES公司為例,該公司將用戶側(cè)儲能聚集起來開展“免費(fèi)午餐”模式,享有對電池的主要控制權(quán),當(dāng)電網(wǎng)“零電價”時控制電池從電網(wǎng)充電。用戶主要通過最大化地自我消納屋頂光伏所發(fā)的電力、使用SENEC.IES 提供給用戶的“免費(fèi)儲存的電力”,實(shí)現(xiàn)更低的電費(fèi)賬單,進(jìn)而獲益。SENEC.IES的商業(yè)模式見圖7。
圖7 SENEC.IES的商業(yè)模式
Fenecon/Ampard開展的虛擬電廠模式,將Ampard的能源管理模塊與Pro Hybrid儲能系統(tǒng)集成起來,使其可以在用戶側(cè)被用作虛擬電廠。
用戶為了增加自發(fā)自用而購買儲能系統(tǒng),Ampard利用他們的能源管理系統(tǒng)(Ampard Energy Manager)將這些系統(tǒng)管理起來,為這些儲能系統(tǒng)增加虛擬電廠的功能提供一次調(diào)頻控制和備用等服務(wù)。Fenecon/Ampard的商業(yè)模式見圖8。
圖8 Fenecon/Ampard的商業(yè)模式
從目前分布式儲能應(yīng)用現(xiàn)狀來看,分布式儲能系統(tǒng)具有通過匯聚將“點(diǎn)”資源凝聚起來,通過前面定義的資源聚合商概念,實(shí)現(xiàn)分布式儲能資源的匯聚商業(yè)運(yùn)營的可能,國外在該方面的應(yīng)用已經(jīng)初具雛形。國內(nèi)對于分布式儲能運(yùn)營商業(yè)模式研究還處于起步階段,相關(guān)的探討和分析仍比較局限。隨著政策引導(dǎo)和市場需求的增強(qiáng),預(yù)期將發(fā)展形成一大批從事各類型儲能技術(shù)研發(fā)、制造、建設(shè)、運(yùn)營的相關(guān)企業(yè),分布式儲能將在電網(wǎng)中得到更廣泛的應(yīng)用,關(guān)于商業(yè)模式的研究有待進(jìn)一步深入。
4.2 經(jīng)濟(jì)性評估
在自由競爭的電力市場中,相關(guān)的評估研究大多針對運(yùn)營商的收益,如低儲高發(fā)套利、調(diào)頻收益、備用收益等,根據(jù)電價預(yù)測,計及運(yùn)維成本,建立優(yōu)化調(diào)度模型,在日前市場中合理安排儲能系統(tǒng)的調(diào)頻容量、備用容量和充/放電策略,使運(yùn)營商獲取最大的效益,從而對儲能系統(tǒng)應(yīng)用的效益進(jìn)行評估。
對分布式儲能的經(jīng)濟(jì)評價,需要量化儲能的投資運(yùn)行費(fèi)用、政策的補(bǔ)貼、工作模式如削峰填谷和配合新能源接入等帶來的收益以及節(jié)能減排等其它收益。由于新能源出力的不確定性,可以使用典型日提取、信息決策理論等方法對儲能帶來的收益進(jìn)行量化評估[43-45],建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),評估儲能投資的可行性。文獻(xiàn)[46]提出一種評估儲能支撐分布式光伏接入價值的方法,分別針對有儲能和無儲能接入2種情況,以適應(yīng)大規(guī)模分布式光伏接入所采取的技術(shù)措施總成本最優(yōu)為目標(biāo),利用年度潮流計算和智能優(yōu)化方法,優(yōu)化確定2種情況下的最優(yōu)技術(shù)措施組合及其相應(yīng)的成本,通過對比技術(shù)措施成本的構(gòu)成進(jìn)而進(jìn)行儲能價值評估。文獻(xiàn)[47]提出一種評估高光伏滲透率的配電網(wǎng)中投資儲能的綜合方法?？紤]經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制,將儲能靈活應(yīng)用于削峰填谷和延緩配電網(wǎng)投資升級。儲能系統(tǒng)的選址定容和使用方式?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)的可行性。文獻(xiàn)[48]提出了一種包括儲能單位運(yùn)行成本、維護(hù)成本、環(huán)境效益、風(fēng)電輸出功率減小補(bǔ)償收益和能量損耗成本的綜合經(jīng)濟(jì)評估框架。文獻(xiàn)[49]對儲能系統(tǒng)用于配電網(wǎng)削峰填谷,具有復(fù)合濾波結(jié)構(gòu)的風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評估。
分布式儲能參與系統(tǒng)調(diào)峰,目前在美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營,針對這一應(yīng)用模式就目前中美兩國的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行比較,如表3所示。
表3 中美分布式電儲能參與調(diào)峰輔助服務(wù)現(xiàn)狀對比
表4 美國加州某區(qū)電價
表5 上海地區(qū)電力市場相關(guān)數(shù)據(jù)
通過表3的對比情況可看出,目前在我國通過儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)并不具備經(jīng)濟(jì)性,作為優(yōu)質(zhì)的輔助服務(wù)資源,應(yīng)盡快出臺量化儲能價值的政策法規(guī),通過政策導(dǎo)向激勵儲能產(chǎn)業(yè),以產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展帶動成本下降,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲能產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。
5 探討與展望
隨著分布式電源的大規(guī)模接入電網(wǎng)以及城鄉(xiāng)配電網(wǎng)固有的一些問題逐漸嚴(yán)重,分布式儲能技術(shù)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來,國內(nèi)外在分布式儲能的優(yōu)化配置、參與輔助服務(wù)、關(guān)鍵設(shè)備研制以及商業(yè)模式等方面已有一定研究。在此基礎(chǔ)上,未來在以下方面進(jìn)行深入探討。
1)補(bǔ)充性規(guī)劃技術(shù)。面向參與電網(wǎng)輔助服務(wù)或優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行等應(yīng)用,基于對局域電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有分布式儲能資源的評估,開展補(bǔ)充性規(guī)劃技術(shù)研究,通過在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置少量儲能,起到以小博大的作用,充分整合已有的儲能資源。
2)針對大電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和緊急事故響應(yīng)需求、配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)、清潔能源滿額消納和源網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等需求,開展分布式儲能、柔性負(fù)荷等響應(yīng)資源的協(xié)同調(diào)控策略研究。
3)在分布式儲能關(guān)鍵設(shè)備方面,有必要根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及所設(shè)定系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)對不同功率等級的分布式儲能設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,提高設(shè)備運(yùn)行效率,降低運(yùn)維成本,實(shí)現(xiàn)分布式儲能系統(tǒng)在不同應(yīng)用模式下平滑切換。此外,針對廣域多點(diǎn)調(diào)度需求的分布式儲能監(jiān)控設(shè)備、規(guī)?；植际絻δ軈f(xié)調(diào)調(diào)控設(shè)備的研制工作亟待開展。
4)在促進(jìn)分布式儲能的商業(yè)運(yùn)營發(fā)展方面,應(yīng)認(rèn)可儲能作用,給予儲能參與電力市場的同等身份。鑒于目前我國儲能技術(shù)發(fā)展主要是依托于可再生能源,通過出臺補(bǔ)貼政策推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可行性不大,建議放開輔助服務(wù)市場,使儲能設(shè)備獲得與其他資源同等的身份,通過分布式儲能匯聚參與電網(wǎng)輔助服務(wù)實(shí)現(xiàn)市場化運(yùn)營。
5)在時間粒度和位置粒度上細(xì)化儲能系統(tǒng)的計量計費(fèi)辦法,量化儲能的時間價值和位置價值,并研發(fā)支撐細(xì)化辦法的計量設(shè)備。
6 結(jié)論
隨著清潔能源大量分散化接入和“源-網(wǎng)-荷”友好互動要求,儲能系統(tǒng)已從單一化應(yīng)用背景向多點(diǎn)匯聚、能源互聯(lián)過渡。以儲能作為核心承載技術(shù)的多能互補(bǔ)、互動一體化工程應(yīng)用將全方位勾勒第三次工業(yè)革命的發(fā)展愿景,未來勢必將構(gòu)建出“源-網(wǎng)-荷-儲-控”的新型智能電網(wǎng)形態(tài)。
(作者：李建林、馬會萌、袁曉冬、王展、葛樂)
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原標(biāo)題:規(guī)模化分布式儲能的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究綜述
