大規(guī)模儲能系統(tǒng)的智能電網兼容性分析研究

1、基于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的智能電網兼容性研究 基于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的智能電網兼容性研究 廖懷慶 1 , 劉 東1 ,2 , 黃玉輝 1 , 陳 羽1 , 柳勁松 1 (1. 上海交通大學電氣工程系 , 上海市 200240 。 2. 國家能源智能電網 (上 海 研發(fā)中心 , 上海市 200240 摘要: 有效協(xié)調小容量分布式發(fā)電 ( dist ributed generation ,DG 和集中式 可再生能源發(fā)電 (collected renewable generation ,CRG 是中國未來智能 電網發(fā)展的重要特征。分散儲能系統(tǒng) (dist ributed energy storage syst

2、em , DESS 和集中儲能系統(tǒng) (mass energy storage system ,MESS 將在大容 量 CRG 和小容量 DG 的安全、穩(wěn)定接入大電網中發(fā)揮重大作用。文中在 對智能電網兼容性問題進行深入分析的基礎上 ,探討了考慮電網供蓄特性 的協(xié)同調度 ,提出了涵蓋輸配電網 CRG2MESS 供蓄配置以及微網 DG2D ESS 供蓄配置的智能電網兼容性解決方案。 關鍵詞: 智能電網。 兼容性。 可再生能源發(fā)電。 分布式發(fā)電。 儲能系 統(tǒng)。 統(tǒng)一控制 收稿日期 : 2009209203 。 修回日期 : 2009211209 。 0 引言 在能源短缺、環(huán)境保護和氣候變化等問題日益突

3、出的背景下 ,開發(fā)清 潔能源 ,發(fā)展低碳經濟 ,實現(xiàn)能源優(yōu)化配置 ,成為了世界各國的共同選擇。水 力、風力、太陽能、生物質能等可再生能源發(fā)電將被大規(guī)模開發(fā)利用,根 據(jù)其接入電網的方式可分為分布式發(fā)電 ( dist ributed generation ,DG 和 集中式可再生能源發(fā)電 (collected renewable generation ,CRG 。 為順應新能源時代 ,中國正在建設以特高壓電網為骨干網架 ,各級電 網協(xié)調發(fā)展 ,以數(shù)字化、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領先的 堅強智能電網 122 。智能電網將以現(xiàn)代信息、通信、電力電子、儲能、 控制、管理和計量等先進技術形成覆

4、蓋電力生產、傳輸、消費全過程、全 業(yè)務的信息網絡 ,實現(xiàn)電力流、資金流、信息流高度整合與協(xié)同運作 ,構建 具有 “自愈、兼容、優(yōu)化、互動、集成 ”五大特性的柔性電力網絡系統(tǒng)。特 別是通過新型儲能系統(tǒng) ( energystorage system , ESS 的優(yōu)化配置及控 制324 ,支持 大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤?,有效兼容間歇性的集中與分散式發(fā)電 ,成為智能 電網適應未來經濟社會發(fā)展和新能源革命的一個先決條件 526 。 目前,為了保證電網的安全 , IEEE 1547 標準針對分布式能源的并網規(guī) 定:當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時 ,DG 必須馬上退出運行。這大大限制了分布式 能源效能的充分發(fā)揮 7

5、 。大力開發(fā) DG/ CRG 是促進能源結構調整和發(fā) 展低碳經濟的必由之路 ,需要尋找一種安全高效且能協(xié)調大電網與DG/ CR G 之間的矛盾 ,充分挖掘其為電網、用戶帶來 “共贏 ”價值和效益的解決方 案。 大規(guī)模 ESS 接入對于平抑和消納 DG 及 CRG 的并網沖擊的作用越來越被業(yè)界所廣泛認同 ,成為 智能電網兼容性研究的一個重要內容和技術關鍵。 1 智能電網兼容性問題的提出 1.1 DG 接入給傳統(tǒng)電網帶來的主要問題 DG 一般接入配電網 ,它的接入使得配電網各支路潮流不再是單方向流 動,將對電網帶來較大影響 : 1DG 直接接入配電網后 ,會引入各種擾動 ,從而引起系統(tǒng)電壓和頻率

6、的偏差、電壓波動和閃變等電能質量問題。 2 當配電網發(fā)生故障時 ,并網的 DG 可能會與線路電容發(fā)生鐵磁諧振 而造成過電壓 ,損壞變壓器等電氣設備 ,擴大停電事故 ,降低系統(tǒng)安全可靠 性。 3DG 發(fā)電量的高度不確定性使得 DG 的直接并網會增大負荷預測和 調度運行管理的難度 ,降低系統(tǒng)可靠性。如果僅將 DG 作為備用電源 ,則將 會造成資源浪費 ,影響電網效益。 1.2 CRG 接入給傳統(tǒng)電網帶來的主要問題 CRG 一般通過特 （超 高壓、遠距離、大容量輸電通道接入負荷中心 （即大型受端電網。CRG的大規(guī)模接入將對節(jié)能減排、能源結構優(yōu)化起 到重要而積極的作用 ,但在實際并網過程中 ,以下影響

7、不容忽視 : 1 風力和太陽能發(fā)電的間歇性將會使發(fā)電容量預測變動區(qū)間增大,且 電源與負荷分屬不同區(qū)域 ,很 難協(xié)調調度，因此,CRG接入會使大電網的安全穩(wěn)定運行、統(tǒng)一調度控制以 及受端電網低谷調峰 （甚至出現(xiàn)負調峰 面臨嚴峻考驗。 2 CRG 采用大量的電力電子型電源 ,直接接入極易引起諧振 ,并造成 諧波污染。 3 相比于傳統(tǒng)電源 ,CRG 故障概率與檢修頻率會比較高。因此 ,受端 電網應具備應對短時間缺失大容量輸入電源的能力。 2 大規(guī)模 ESS 接入及其配置原則 集中式大型儲能系統(tǒng) （ mass energy storagesystem ,MESS 可以稱 之為大規(guī)模 ESS , 小容量

8、分散式儲能系統(tǒng) （ dist ributed energy storage sys tem ,DESS 雖然單體容量小 ,但是由于其在配電網中大量分布 ,同樣也是 一種大規(guī)模ESS。 相較于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池等小容量儲能裝置，當前開發(fā)的新型ESS包 括鈉硫、鎳氫、液流電池以及超導磁能儲存器、超級電容器等，存儲容量 更大，充放電速度更快，與電網和用戶的配合更好。 與抽水蓄能電廠相比，DESS/ MESS對建造環(huán)境要求低，可就地布置， 適用于城網儲能，同時，存儲容量范圍大，響應速度快，且有瞬間數(shù)倍存儲釋 放能力，可貫穿應用于整個用電系統(tǒng)（如圖1所示。 額定功率 1 000 MW 100 MW (0M

9、W L0 MW 容量范圍大從幾十千瓦到幾百兆瓦 發(fā)電側 應用蕩嗣廣；貫穿發(fā)、輸，變、配、 頻率控制旋轉備用 用電系統(tǒng) 負荷均窗出力優(yōu)牝 輸電側 系統(tǒng)穩(wěn)定無功支攥 負荷均衡可靠供電 電能質凰 削峰填谷無功支捋 1電能質量可靠供電 用戶側 電能質吊可靠供電 穩(wěn)定電壓1 2 ms0,2 s15 min5 h 赭能裝置 放電時何 v J軸為不對稱軸 圖1 ESS的能級與應用 Fig-1 ESS levels mid its applicatiou 目前,10 kW級液硫電池示范工程和鎳氫電池示范工程已在國內試點 投入運行,兆瓦級鈉硫電池的城網ESS的應用研究也在積極開展之中。 2.1 大規(guī)模ESS對提

10、高智能電網兼容性的分析 大規(guī)模ESS接入電網，并實現(xiàn)DG/ CRG有效協(xié)調，將會給整個電網帶 來深刻的影響，可提高智能電網的兼容性。 1對電網的緊急支援作用。當大容量區(qū)外受電通道 （包括遠距離CR G和大容量本地機組突然中斷時，安裝于發(fā)電側或受端側的電能量型 ME SS可迅速響應，釋放數(shù)倍的電力。例如，在未來的MESS設計中,100 MW 級的鈉硫城網ESS可瞬間釋放500 MW的電力。這樣可極大地減輕受電 通道或本地機組突然中斷對系統(tǒng)造成的沖擊，甚至可以短時間支撐系統(tǒng)繼 續(xù)運行。同樣，當配電網因某種故障或臺風等自然災害造成大量DG中斷 時,DESS可迅速發(fā)揮重要的電源支撐作用。 2對系統(tǒng)的穩(wěn)

11、定作用。通過 DESS/ MESS的能量存儲和緩沖輸出, 可使DG/ CRG即使在負荷波動較快和較大的情況（系統(tǒng)達到峰荷時 下， 仍能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。 3對可再生能源發(fā)電的補充作用。適量儲能可以在DG/ CRG單元 不能正常運行（新能源無法發(fā)電或波動較大 的情況下起到過渡作用。例 如,利用太陽能發(fā)電的夜間、風力發(fā)電在無風的情況下、其他類型的DG/ CRG單元處于維修期間，這時系統(tǒng)儲能可起到過渡和緩沖作用。 4對可再生能源發(fā)電的協(xié)調控制作用。新型儲能與可再生能源發(fā)電 一一對應布置，使得不可調度的DG/ CRG發(fā)電單元能夠作為可調度機組單 元運行，實現(xiàn)與大電網的并網運行，必要時提供削峰

12、填谷、緊急功率支持等 服務。 5對電網運營商與自備DG用戶的有效協(xié)調作用。當負荷低峰或配 電網故障需要DG退出運行時，用戶可將電能儲存在儲能裝置中。當負荷 高峰或故障排除后，用戶可將電能從儲能裝置中釋放，實現(xiàn)電網運營商向自 備DESS用戶儲能電力的征用或自備 DG用戶向電網運營商的逆向售 電。 2.2 ESS兼容可再生能源發(fā)電的配置原則 根據(jù)總裝機容量和當?shù)仉娋W的實際情況選擇合適的接入電壓等級，DG 接入電壓等級參見表1。 表1 DG接入電壓等級 Table 1 Voltage levels for DGcomiecting 總裝機容量G區(qū)段 電壓等級 G200 kW 400 V 200 kW

13、 G 400 kW 400 V 或 10 kV 400 kW G 3 MW 10 kv 3 MW G10 MW 35 kV 或 110 kV CRG 一般離負荷中心比較遠，將通過遠距離、大容量的交直流輸電通 道接入受端電網 ,其接入的電壓等級一般為特高壓 （800 kV 及以上 和超高 壓（500 kV/ 220 kV 等級。與 CRG 配合的 MESS 的接入電壓等級應為 2 20 kV 及以上。 DG 和 DESS 接入電壓等級較低 ,如果傳輸距離遠 ,會導致線損率過大 , 因此,在進行 DG/ DESS 布點規(guī)劃時 ,應該盡量使區(qū)域發(fā)電量小于區(qū)域負荷 量,滿足就地平衡的原則。 與 DG

14、相比 ,CRG 接入電壓等級高 ,提供的容量也很大 ,但是相對傳統(tǒng) 發(fā)電廠 ,發(fā)電量波動范圍大 ,只有與 MESS 配合后,才具備大規(guī)模接入的條 件。氣象的多變決定了 CRG 和 MESS 的調度與控制應具備實時性。傳統(tǒng) 調度應轉向調度加實時控制的模式 ,實現(xiàn)調度控制一體化。 接入特高壓等級的 CRG, 原則上可由國家級或區(qū)域級調度進行調度控 制。 接入超高壓等級的 CRG, 原則上可由區(qū)域級或省 （自治區(qū)、直轄市 級調度部門進行調度控制。 10 MW 及以上的 DG 可由所屬地區(qū)的地調管 轄。10 MW 以下的 DG 可由所屬縣調管轄。 隨著可再生能源發(fā)電和儲能技術的飛速發(fā)展 ,DG/ DE

15、SS 將在用戶側 廣泛應用。因此 ,考慮智能電網配置原則 ,還要兼顧電廠、電網和用戶 ,使得 三者有效兼容。 3 智能電網兼容性解決方案 DESS/ MESS與DG/ CRG接入電網，在電壓和容量匹配以及優(yōu)化配 置的基礎上 ,將改變智能電網的網架結構、運行方式 ,同時要求智能電網的 調度控制模式也應根據(jù)電壓和容量等級進行統(tǒng)一調度和分級管理,以實現(xiàn) 智能電網協(xié)調兼容性與安全經濟性的統(tǒng)一 ,提高電網供蓄能力。 3.1 基于 CRG2MESS 的智能電網主網供蓄配置方案 以典型的受端電網為例 ,如圖 2 所示,設計一種基于 CRG2MESS 的未 來智能電網主網供蓄配置方案。 1 在特（超 高壓、遠

16、距離、大容量受電通道兩側配置一定容量的M ESS , 該受電通道輸送 CRG 或坑口火電廠的發(fā)電電力。 2 在本地電網大容量發(fā)電機組接入的升壓側配置 MESS 。 3在220 kV及以上樞紐變電站內配置 MESS。與CRG配套建設的 MESS , 可以保證 CRG 持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出 ,在容量設計時 ,要考慮到 CR G 高檢修頻率、輸出功率波動大的特點。 相鄰電網區(qū)外變電站區(qū)外電廠 MESS MESS 區(qū)內電廠 MESS 變電站） :變電血2 變電站3 1 t mess MESS 1 MESS | 區(qū)內電廠 Q |mi ss J 變電站4冃 |MESS| Jt網分誡7 變電站7樸亦SS| M

17、F：SS 城網分區(qū) 城網分區(qū)5 MESS |w i.ssl A變電站6 相鄰電網匚Rfss爐 I 變電站5 圖2主網不間斷供電大容呈ESS接入方案 Fig- 2 High a oltage leel connection for MESS 區(qū)內外電廠配置MESS主要作為備用容量以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的備用機組，實 現(xiàn)正常情況下的調峰作用和故障下的備用功能。 位于城網分區(qū)與變電站間的 MESS ,在容量設計時，要注重短時間大功 率的輸出特性，在故障發(fā)生后，能夠短時間內支撐電網運行，防止連鎖反應導 致故障擴大,造成大規(guī)模停電。 在主網的區(qū)外受電通道、大容量發(fā)電機組和樞紐變電站內配置MESS ,主要是通過?。ㄗ?/p>

18、治區(qū)、直轄市 級及以上調度部門的統(tǒng)一調度控制，并有 效發(fā)揮MESS及其功率調節(jié)系統(tǒng)的快速響應能力，實現(xiàn)主網不間斷供電功 能,有效減弱或消除大擾動對大電網造成的影響，確保電網安全穩(wěn)定運行。 3.2 基于DG2DESS的智能電網微網供蓄配置方案 未來智能配電網結構中，低壓配電網將吸納分布廣泛、單機容量跨度 大、總體數(shù)量多的用戶側 DG,需要對DESS進行優(yōu)化配置以增強配電網 的供蓄能力，其基礎通信設施應支持用戶側與供電側間的互動協(xié)調。 將集中的配電負荷、DG構成微網是國內外近幾年的研究熱點。文獻 8211描述了微網的幾個主要特征：在電氣結構上，微網通過關鍵斷路器接 入電網。微網依靠智能控制器作為核

19、心智能控制器。智能控制器可以從供 電可靠性、經濟性和環(huán)保的角度協(xié)調微網間和微網與大電網間的能量管 理。 如圖3所示,大量DESS接入配電網后,在用戶終端的DG和DESS 上,均配備可記錄雙向潮流的智能表計。智能控制器可通過光纖或電力載 波實現(xiàn)與配電終端用戶、DG、DESS間的通信。 配電網DG相對于主網CRG,容量較小，但是方式更靈活，容量設置遵 循接地平衡”的原則,可有效提高能源利用效率，拓展配電網運行方式，是未 來智能配電網結構中不可或缺的一環(huán)。分散布點于微網末端的大量用戶自 備DG,在與DESS相結合后,將會使未來智能配電網單元 一微網的能源結 構發(fā)生根本性變革。 圖3微網內部組成以及與

20、外網接口 Fig. 3 Architecture and interface of microgrid 在正常運行狀況下,介于DG與電網間的DESS能夠大大緩解DG對 電網造成的沖擊，發(fā)揮緩沖器作用。智能控制器可以根據(jù)微網系統(tǒng)自身的 狀況,決定儲能裝置處于充電負荷還是放電電源的狀態(tài)，并記錄潮流流向，為 計價系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。例如，在用電高峰期，自備DG用戶可以選擇自備DE SS作為電源。這樣對用戶來說，節(jié)約了用電成本。對供電公司來說，實現(xiàn) 了削峰填谷的目標，發(fā)揮了類似抽水蓄能的作用。 當微網內部處于故障狀態(tài)時，智能控制器可以自動切除故障，DG停止 運行。智能控制器控制關鍵斷路器斷開 ,將微網從電網

21、中隔離 ,在不違反規(guī) 定的基礎上 ,根據(jù)實際運行狀況 ,采用 DESS 作為電源或維持遠離故障點的 DG 繼續(xù)為用戶提供滿足電能質量要求的電力供應 ,實現(xiàn)微網不間斷供電功 能。 3.3 基于供蓄特性的智能電網調度策略 目前 ,中國電網運行調度計劃并未考慮計及 ESS 并網后的調度運行方 式。但隨著 DG/ CRG 和 DESS/ MESS 的技術發(fā)展及應用 ,一套兼容、合 理、經濟的調度方案也必須建立。 未來智能電網的調度應該考慮儲能裝置并網供蓄特性的充放電調度、 在故障或檢修狀態(tài)下的緊急調度以及正常狀態(tài)下的經濟調度幾個方面。運 行方式應該考慮儲能裝置的備用容量。 在智能電網中 ,由于風能和太

22、陽能分布不規(guī)律 ,因此在傳統(tǒng)負荷預測的 基礎上,還應增加 DG/ CRG 發(fā)電量的實時預測系統(tǒng)。在未來信息系統(tǒng)高度 集成的智能電網中 ,調度中心在負荷預測基礎上 ,還應該根據(jù)當日的氣象條 件,完成 DG/ CRG 發(fā)電量預測 ,實時決定儲能裝置是處于充電還是放電運 行方式以及充放電時間 ,以達到削峰填谷的目的。 MESS 的接入將大大提高受端電網應對故障和大電網沖擊的能力。 但在故障發(fā)生、 MESS 提供大容量支撐的時間范圍內 ,調度中心通過輸配 電協(xié)同調度策略啟用發(fā)電機組備用容量 , 利用電廠側 MESS 以及啟用微網 內 DESS 放電模式 , 將大大降低故障影響。 隨著儲能技術的發(fā)展、

23、DESS/ MESS 成本的降低 ,考慮電網供蓄特性 的經濟調度計劃將成為可能。目前 ,機組參與自動發(fā)電控制 (A GC 服務產 生的主要費用包括 12 : 1 參與 A GC 市場容量引起在電能市場損失的機會成本。 2當市場價格較低，低于參與A GC機組邊際成本時，因A GC下調需 求使機組發(fā)電導致的上抬成本。 3 根據(jù)負荷波動和計劃出力的差額實時調節(jié)機組、不斷磨損產生的 調節(jié)成本。 CRG 與 MESS 相結合,提升了新能源的利用前景 ,會大大降低排污成 本,從而使得機會成本相對于傳統(tǒng)大機組小得多。結合DESS 的 DG 一般 安裝在負荷中心 ,將會極大地降低系統(tǒng)損耗費用。 另外,DG/

24、CRG與DESS/ MESS相結合,構成輔助備用電源,提供了一 種在電網故障情況下 ,由 DESS/ MESS 獨立向一部分電力系統(tǒng)負荷供電的 全新運行方式 孤島運行模式。孤島運行模式通過合理設計網架結構 可大大降低電力用戶的購電費用和負荷中斷賠償費用 ,起到類似備用電源 的輔助服務作用。 隨著 DG/ CRG 和 DESS/ MESS 制造成本的降低及控制性能的改進 , 將具備參與A GC服務的技術能力，使DG/ CRG與智能電網有效協(xié)調,并 確保電網安全經濟運行。 4 結語 中國能源布局決定了大容量 CRG 和小容量 DG 將在較長時間內相結 合并協(xié)調發(fā)展。如何配置、調控大規(guī)模 DESS/

25、 MESS , 以提高對 DG/ CR G 的兼容性能 ,決定了智能電網的實用性、擴展性乃至發(fā)展方向。 大規(guī)模 DESS/ MESS 接入電網后 ,不僅可以實現(xiàn)電網削峰填谷 ,降耗 增收,減少和緩解輸電、變電、配電設施的投入 ,還可以有效兼容 DG/ CRG 等間歇性電源對電網的沖擊 ,提高電網的安全穩(wěn)定性和需求側用戶電力可 靠性。 發(fā)展具備兼容各類可再生能源發(fā)電接入能力、考慮電網供蓄特性的統(tǒng) 一協(xié)同調度的智能電網 ,是實現(xiàn)電網科學發(fā)展的關鍵技術手段。 參考文獻 1 劉振亞. 大力發(fā)展特高壓技術 推動能源利用方式創(chuàng)新與變革 EB/ O L . 2009205222 . http :/ / ww

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