分布式儲(chǔ)能可以從根本上解決分布式電源接入和負(fù)荷快速增長(zhǎng)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃帶來(lái)的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。從分布式儲(chǔ)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(yíng)模式4個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外分布式儲(chǔ)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(yíng)模式進(jìn)行了評(píng)述,并給出了進(jìn)一步的研究方向建議。最后,結(jié)合中國(guó)未來(lái)智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃,對(duì)分布式儲(chǔ)能的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
0 引言
近年來(lái),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(yíng)帶來(lái)了新的問(wèn)題。與此同時(shí),隨著負(fù)荷快速增長(zhǎng),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(wèn)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(wèn)題,但是要從根本上解決,需要引入儲(chǔ)能技術(shù)[1-3]。
隨著儲(chǔ)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(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì),也是突破傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)營(yíng)方式的重要途徑。2015年3月中共中央國(guó)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(jiàn)》明確提到鼓勵(lì)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用來(lái)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(chǔ)能電站、能源儲(chǔ)備設(shè)施,重點(diǎn)提出要加快推進(jìn)儲(chǔ)能等技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。各企業(yè)單位也在積極開(kāi)展儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)并探索儲(chǔ)能商業(yè)化運(yùn)營(yíng)模式,國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司規(guī)劃到2020年江蘇省內(nèi)儲(chǔ)能累計(jì)容量達(dá)到1000 MW。
分布式儲(chǔ)能安裝地點(diǎn)靈活,與集中式儲(chǔ)能比較,減少了集中儲(chǔ)能電站的線路損耗和投資壓力,但相對(duì)于大電網(wǎng)的傳統(tǒng)運(yùn)行模式,目前的分布式儲(chǔ)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(dòng)電源,它們的無(wú)序運(yùn)行無(wú)助于電網(wǎng)頻率、電壓和電能質(zhì)量的改善,也造成了儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)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(duì)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(guò)多點(diǎn)分布式儲(chǔ)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(duì)分布式儲(chǔ)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(yíng)模式等規(guī)模化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理與探討,為后續(xù)開(kāi)展更為深入的研究提供借鑒與參考。
1 儲(chǔ)能規(guī)劃技術(shù)
目前,分布式儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景主要包含用戶側(cè)、分布式電源側(cè)和配網(wǎng)側(cè)3個(gè)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(dòng)汽車(chē)也是其中的一種重要組成。在配網(wǎng)中,關(guān)于分布式儲(chǔ)能規(guī)劃技術(shù)的研究主要涉及容量?jī)?yōu)化配置及選點(diǎn)布局2個(gè)方面,并且當(dāng)需要同時(shí)開(kāi)展容量和選點(diǎn)研究時(shí),鑒于二者間存在的強(qiáng)耦合關(guān)系,在目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的研究中,往往將之作為一體化問(wèn)題處理,多通過(guò)將分布式儲(chǔ)能規(guī)劃描述為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,優(yōu)化目標(biāo)和約束條件隨應(yīng)用場(chǎng)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(lèi),約束條件一般包含儲(chǔ)能設(shè)備布局總點(diǎn)數(shù)、儲(chǔ)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(duì)分布式儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置開(kāi)展的研究,涉及的場(chǎng)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(chǎng)景,建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和基于電價(jià)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(kāi)展儲(chǔ)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(chǎng)景研究分布式儲(chǔ)能的容量配置和選點(diǎn)布局,以儲(chǔ)能安裝成本、新電路的擴(kuò)展成本、儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)景探討儲(chǔ)能系統(tǒng)在主動(dòng)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(shí)間內(nèi)配電網(wǎng)各母線電壓波動(dòng)、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(chǔ)能系統(tǒng)時(shí),儲(chǔ)容配置和選點(diǎn)布局的一般步驟：
1)確定研究對(duì)象,電網(wǎng)和儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景(約束條件、負(fù)荷曲線、時(shí)間跨度等)。
2)確定電網(wǎng)內(nèi)可用于安裝儲(chǔ)能設(shè)備的節(jié)點(diǎn)數(shù)。
3)確定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的總?cè)萘俊?
4)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略。
5)確定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量劃分方式。
6)在選定的應(yīng)用場(chǎng)景中,模擬分布式儲(chǔ)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(jì)算精度要求。
算法流程圖見(jiàn)圖1。
圖1 采用遺傳算法的求解流程圖
綜合目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的分布式儲(chǔ)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(chǔ)能本身和系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件下開(kāi)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(duì)該優(yōu)化求解問(wèn)題也開(kāi)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(chǔ)能設(shè)備,不存在布點(diǎn)問(wèn)題;并且因?yàn)槲覈?guó)目前實(shí)行分時(shí)電價(jià)和針對(duì)工商業(yè)用戶的兩部制電價(jià)政策,所以用戶側(cè)分布式儲(chǔ)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(kāi)展儲(chǔ)能配置研究[13-15]。江蘇2017年用戶側(cè)分布式儲(chǔ)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(chǔ)能的建設(shè)目標(biāo)還是以需求響應(yīng)(價(jià)差套利)和提高供電可靠性為主,對(duì)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(chǔ)能規(guī)劃建設(shè)情況(容量1 MW以上)
分布式儲(chǔ)能應(yīng)用于不同場(chǎng)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(chǎng)景下的目標(biāo)函數(shù)與約束條件
(表2中：m為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年投運(yùn)次數(shù);n為劃 ">)
總體而言,國(guó)內(nèi)外在分布式儲(chǔ)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(chǎng)景下開(kāi)展常規(guī)性的規(guī)劃研究,在我國(guó)配網(wǎng)分布式儲(chǔ)能蓬勃發(fā)展的背景下,為提高分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率和充分調(diào)動(dòng)電網(wǎng)資源,有必要面向電網(wǎng)應(yīng)用,開(kāi)展基于配網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有儲(chǔ)能資源的補(bǔ)充性規(guī)劃技術(shù)研究,即針對(duì)電網(wǎng)需求,首先評(píng)估電網(wǎng)內(nèi)已有的可匯聚儲(chǔ)能資源,在此基礎(chǔ)上,開(kāi)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(lái)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(shì)。
2.1 儲(chǔ)能參與配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行
儲(chǔ)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(dòng)、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(duì)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(shí),其出力的波動(dòng)性會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來(lái)不利影響,甚至?xí)闺妷涸较?使用儲(chǔ)能裝置可以對(duì)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(dòng),減小了電壓越限風(fēng)險(xiǎn),提升了配電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力[16-18];同時(shí),儲(chǔ)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(gè)子儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在微網(wǎng)中可提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速功率調(diào)節(jié)能力,可為整個(gè)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(chǔ)能參與系統(tǒng)輔助服務(wù)
儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過(guò)參與系統(tǒng)輔助服務(wù),對(duì)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(guò)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(chǎng)并網(wǎng)會(huì)降低電力系統(tǒng)的慣量,弱化電網(wǎng)對(duì)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(chǔ)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(dòng);也可以提升可再生電源對(duì)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(chǎng)不足以響應(yīng)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)放出或吸收功率,完成新能源電站對(duì)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(chǔ)能電站對(duì)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(cè)的基礎(chǔ)上,從儲(chǔ)能電站充放電量均衡的角度,提出以一個(gè)邊際負(fù)荷值來(lái)確定電站充放電運(yùn)行狀態(tài)的控制方案。針對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)荷與預(yù)測(cè)負(fù)荷存在偏差的問(wèn)題,提出了結(jié)合儲(chǔ)能電量預(yù)測(cè)值對(duì)電站實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)規(guī)劃的實(shí)時(shí)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(guò)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(wèn)題,該控制算法已成功應(yīng)用于南方電網(wǎng)兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能示范工程。文獻(xiàn)[28]提出了一種分布式電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng),向每個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)送充電或放電運(yùn)行信號(hào),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(duì)集中式大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng),而對(duì)于分布式儲(chǔ)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?chǔ)能匯聚效應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真模型,協(xié)調(diào)控制多點(diǎn)布局的分布式儲(chǔ)能以及柔性負(fù)荷,亟需開(kāi)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(chǔ)能參與需求響應(yīng)和提供輔助服務(wù)中,將會(huì)出現(xiàn)“資源聚合商”,未來(lái)資源聚合商將匯聚若干分布式用戶儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易,基本框架如圖2所示。
圖2 分布式儲(chǔ)能匯聚(資源聚合商)參與電網(wǎng)調(diào)度交易示意圖
3 儲(chǔ)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(duì)于研制分布式儲(chǔ)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(chǔ)能變流設(shè)備
在一些特殊的場(chǎng)合下,分布式儲(chǔ)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(duì)用戶或電網(wǎng)的沖擊和影響,使分布式儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備即插即用的基礎(chǔ)。通過(guò)并網(wǎng)切換孤島過(guò)程補(bǔ)償算法與孤島切換并網(wǎng)過(guò)程預(yù)同步方法[31]可以實(shí)現(xiàn)2種工況的無(wú)縫切換,具體控制策略見(jiàn)圖3和圖4,圖中變量定義參見(jiàn)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(duì)于提高分布式儲(chǔ)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(kāi)關(guān)器件成本、IGBT損耗和電感損耗,來(lái)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(jì)了電池儲(chǔ)能變流器主電路,開(kāi)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(duì)于單臺(tái)儲(chǔ)能變流設(shè)備無(wú)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(shí)的柔性接入/退出,減小對(duì)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(kāi)展相關(guān)內(nèi)容的深入研究。
3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)就地監(jiān)控設(shè)備
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由儲(chǔ)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(gè)主要部分組成,并通過(guò)升壓變壓器接入10 kV及以上電壓等級(jí)。儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)、雙向變流器、上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、運(yùn)行控制以及能量管理。針對(duì)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同應(yīng)用場(chǎng)景以及需求,儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)基于儲(chǔ)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(shí)控制各儲(chǔ)能變流器的充放電功率并優(yōu)化管理儲(chǔ)能電池系統(tǒng)充放電能量,不僅實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在各種場(chǎng)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(chǔ)能系統(tǒng)高效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),能夠完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效控制的功能,提高儲(chǔ)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(cè)、遠(yuǎn)程控制、人機(jī)交互等[33-35]。儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。
圖5 儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
由于國(guó)情不同、電網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式不同以及高昂的價(jià)格,國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)很難在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用?？紤]到今后儲(chǔ)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(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)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(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。
3.3 多點(diǎn)布局儲(chǔ)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(lèi)型以及配電網(wǎng)不同的工作模式,通過(guò)主從控制、對(duì)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(dòng)態(tài)虛擬慣量的分布式電源控制等。對(duì)于離網(wǎng)運(yùn)行的工況而言,多臺(tái)儲(chǔ)能逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),需要為整個(gè)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(huì)造成功率分配不均以及環(huán)流過(guò)大等問(wèn)題,從而導(dǎo)致整個(gè)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(tái)儲(chǔ)能逆變器之間的分配問(wèn)題。針對(duì)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(duì)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(tái)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(duì)于配電網(wǎng)中分布式儲(chǔ)能而言,往往是并網(wǎng)運(yùn)行,且分布在不同節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于廣域布局分布式儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的擴(kuò)展信息模型,實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)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(xiě)控制軟件,實(shí)現(xiàn)廣域布局分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[38-39]。除了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)之外,文獻(xiàn)[40]在分析電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池特性的基礎(chǔ)上提出了電動(dòng)汽車(chē)分布式儲(chǔ)能的概念。在滿足電池約束、電網(wǎng)約束和車(chē)主約束的基礎(chǔ)上提出了電動(dòng)汽車(chē)分布式儲(chǔ)能的控制策略。
目前,國(guó)際上的分布式儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制設(shè)備研發(fā)也處在剛剛起步的過(guò)程,如德國(guó)能源供應(yīng)公司SENEC.IES,目前有2000個(gè)用戶參與到他們的‘Economic Grid’計(jì)劃中,家庭用戶安裝“雙向能源管理系統(tǒng)”(簡(jiǎn)稱BEMI),每15 min儲(chǔ)存用戶用電數(shù)據(jù),記錄用戶用電習(xí)慣,當(dāng)電價(jià)發(fā)生變動(dòng)時(shí),BEMI通過(guò)控制分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)調(diào)控用電時(shí)間和用電量。目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有分布式儲(chǔ)能相關(guān)產(chǎn)品,主要是借用微網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(shí)微網(wǎng)控制器缺乏對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在線檢測(cè)、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(duì)于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的全面控制和優(yōu)化。
伴隨配網(wǎng)側(cè)分布式儲(chǔ)能的快速發(fā)展,面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能資源匯聚應(yīng)用將包含電池儲(chǔ)能設(shè)備、通過(guò)V2G并網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)熱鍋爐、冰蓄冷中央空調(diào)等分布式儲(chǔ)能設(shè)備,通過(guò)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(gè)過(guò)程中,儲(chǔ)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(chǔ)能資源間起到調(diào)度指令分解、儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)調(diào)控制、儲(chǔ)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(chǔ)能協(xié)調(diào)控制框圖
4 儲(chǔ)能商業(yè)模式評(píng)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(chǔ)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(shí)電價(jià)機(jī)制下,可以通過(guò)低儲(chǔ)高發(fā)實(shí)現(xiàn)套利,在工商業(yè)用戶兩部制電價(jià)下,通過(guò)降低基本電價(jià)為用戶節(jié)省電費(fèi),或通過(guò)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(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場(chǎng))機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》特別強(qiáng)調(diào)了鼓勵(lì)電儲(chǔ)能參與電網(wǎng)的調(diào)峰,并針對(duì)用戶側(cè)電儲(chǔ)能調(diào)峰進(jìn)行了說(shuō)明,用戶側(cè)建設(shè)的電儲(chǔ)能設(shè)施,充電電量既可執(zhí)行目錄電價(jià),也可參與電力直接交易自行購(gòu)買(mǎi)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(chǔ)能設(shè)施,可作為獨(dú)立市場(chǎng)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(chǔ)能參與系統(tǒng)輔助服務(wù)的身份,在目前的電力市場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)低儲(chǔ)高發(fā)獲取收益是可行的途徑。
從目前的市場(chǎng)環(huán)境來(lái)看,儲(chǔ)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(kāi),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(guò)最優(yōu)地控制儲(chǔ)能充放電曲線來(lái)使售電公司的利潤(rùn)最大化。文獻(xiàn)[42]在綜合考慮了電、水、氣高級(jí)量測(cè),微電網(wǎng)分布式能源管理和電動(dòng)汽車(chē)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(duì)智能小區(qū)商業(yè)模式從投資分?jǐn)傤?lèi)型、盈利模式和效益測(cè)算分析3個(gè)方面進(jìn)行了探討,并詳細(xì)分析了各個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)在國(guó)外已有較多的商業(yè)應(yīng)用,在不同的國(guó)家,分布式光儲(chǔ)發(fā)電的應(yīng)用重點(diǎn)各不相同,美國(guó)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(guó)市場(chǎng)的重點(diǎn)在戶用儲(chǔ)能領(lǐng)域。以德國(guó)SENEC.IES公司為例,該公司將用戶側(cè)儲(chǔ)能聚集起來(lái)開(kāi)展“免費(fèi)午餐”模式,享有對(duì)電池的主要控制權(quán),當(dāng)電網(wǎng)“零電價(jià)”時(shí)控制電池從電網(wǎng)充電。用戶主要通過(guò)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(chǔ)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(jiàn)圖7。
圖7 SENEC.IES的商業(yè)模式
Fenecon/Ampard開(kāi)展的虛擬電廠模式,將Ampard的能源管理模塊與Pro Hybrid儲(chǔ)能系統(tǒng)集成起來(lái),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(gòu)買(mǎi)儲(chǔ)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(lái),為這些儲(chǔ)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(jiàn)圖8。
圖8 Fenecon/Ampard的商業(yè)模式
從目前分布式儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)具有通過(guò)匯聚將“點(diǎn)”資源凝聚起來(lái),通過(guò)前面定義的資源聚合商概念,實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能資源的匯聚商業(yè)運(yùn)營(yíng)的可能,國(guó)外在該方面的應(yīng)用已經(jīng)初具雛形。國(guó)內(nèi)對(duì)于分布式儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)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(chǎng)需求的增強(qiáng),預(yù)期將發(fā)展形成一大批從事各類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)、制造、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的相關(guān)企業(yè),分布式儲(chǔ)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(píng)估
在自由競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)中,相關(guān)的評(píng)估研究大多針對(duì)運(yùn)營(yíng)商的收益,如低儲(chǔ)高發(fā)套利、調(diào)頻收益、備用收益等,根據(jù)電價(jià)預(yù)測(cè),計(jì)及運(yùn)維成本,建立優(yōu)化調(diào)度模型,在日前市場(chǎng)中合理安排儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻容量、備用容量和充/放電策略,使運(yùn)營(yíng)商獲取最大的效益,從而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的效益進(jìn)行評(píng)估。
對(duì)分布式儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),需要量化儲(chǔ)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(lái)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(duì)儲(chǔ)能帶來(lái)的收益進(jìn)行量化評(píng)估[43-45],建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),評(píng)估儲(chǔ)能投資的可行性。文獻(xiàn)[46]提出一種評(píng)估儲(chǔ)能支撐分布式光伏接入價(jià)值的方法,分別針對(duì)有儲(chǔ)能和無(wú)儲(chǔ)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(jì)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(guò)對(duì)比技術(shù)措施成本的構(gòu)成進(jìn)而進(jìn)行儲(chǔ)能價(jià)值評(píng)估。文獻(xiàn)[47]提出一種評(píng)估高光伏滲透率的配電網(wǎng)中投資儲(chǔ)能的綜合方法?？紤]經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制,將儲(chǔ)能靈活應(yīng)用于削峰填谷和延緩配電網(wǎng)投資升級(jí)。儲(chǔ)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(chǔ)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(píng)估框架。文獻(xiàn)[49]對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。
分布式儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)峰,目前在美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng),針對(duì)這一應(yīng)用模式就目前中美兩國(guó)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(chǔ)能參與調(diào)峰輔助服務(wù)現(xiàn)狀對(duì)比
表4 美國(guó)加州某區(qū)電價(jià)
表5 上海地區(qū)電力市場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)
通過(guò)表3的對(duì)比情況可看出,目前在我國(guó)通過(guò)儲(chǔ)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(tái)量化儲(chǔ)能價(jià)值的政策法規(guī),通過(guò)政策導(dǎo)向激勵(lì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè),以產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展帶動(dòng)成本下降,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(wèn)題逐漸嚴(yán)重,分布式儲(chǔ)能技術(shù)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外在分布式儲(chǔ)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(lái)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(duì)局域電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有分布式儲(chǔ)能資源的評(píng)估,開(kāi)展補(bǔ)充性規(guī)劃技術(shù)研究,通過(guò)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置少量?jī)?chǔ)能,起到以小博大的作用,充分整合已有的儲(chǔ)能資源。
2)針對(duì)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(kāi)展分布式儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)對(duì)不同功率等級(jí)的分布式儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),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(chǔ)能系統(tǒng)在不同應(yīng)用模式下平滑切換。此外,針對(duì)廣域多點(diǎn)調(diào)度需求的分布式儲(chǔ)能監(jiān)控設(shè)備、規(guī)?；植际絻?chǔ)能協(xié)調(diào)調(diào)控設(shè)備的研制工作亟待開(kāi)展。
4)在促進(jìn)分布式儲(chǔ)能的商業(yè)運(yùn)營(yíng)發(fā)展方面,應(yīng)認(rèn)可儲(chǔ)能作用,給予儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)的同等身份。鑒于目前我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展主要是依托于可再生能源,通過(guò)出臺(tái)補(bǔ)貼政策推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可行性不大,建議放開(kāi)輔助服務(wù)市場(chǎng),使儲(chǔ)能設(shè)備獲得與其他資源同等的身份,通過(guò)分布式儲(chǔ)能匯聚參與電網(wǎng)輔助服務(wù)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)。
5)在時(shí)間粒度和位置粒度上細(xì)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)量計(jì)費(fèi)辦法,量化儲(chǔ)能的時(shí)間價(jià)值和位置價(jià)值,并研發(fā)支撐細(xì)化辦法的計(jì)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(dòng)要求,儲(chǔ)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(guò)渡。以儲(chǔ)能作為核心承載技術(shù)的多能互補(bǔ)、互動(dòng)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(lái)勢(shì)必將構(gòu)建出“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-控”的新型智能電網(wǎng)形態(tài)。
(作者：李建林、馬會(huì)萌、袁曉冬、王展、葛樂(lè))
參考文獻(xiàn)
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原標(biāo)題:規(guī)?；植际絻?chǔ)能的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究綜述
