分布式電能存儲技術(shù)應(yīng)用研究

分布式電能存儲技術(shù)應(yīng)用研究

0分布式電能存儲技術(shù)是智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)發(fā)展的重要內(nèi)容之一分布能源可以充分利用清潔能源和可支配能源，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要措施，也是中央能源的有效補(bǔ)充。當(dāng)分布式電源大量接入中低壓配電網(wǎng)時(shí),風(fēng)電、光伏等可再生分布式電源的間歇性和隨機(jī)性將加劇配電網(wǎng)中電壓、頻率的波動(dòng),對配電網(wǎng)的功率平衡與安全運(yùn)行、用戶的供電可靠性以及電能質(zhì)量具有較大影響。此外,隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級,電網(wǎng)中現(xiàn)有配變電設(shè)備容量將可能無法滿足日益增加的高峰負(fù)荷的需求,而越來越多的高科技、數(shù)字化企業(yè)也對供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求。在電網(wǎng)中接入分布式電能存儲設(shè)備是解決上述問題的有效途徑之一。利用分布式電能存儲技術(shù)能提升電網(wǎng)對分布式電源的接納能力,改進(jìn)系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量,還能優(yōu)化電網(wǎng)資源配置,提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率。近年來,分布式電能存儲技術(shù)的研究和應(yīng)用受到世界各國的高度重視,取得了較快的發(fā)展。美國、日本、德國等國家均制定了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,并出臺了一系列促進(jìn)和支持儲能技術(shù)發(fā)展的政策。在中國,分布式電能存儲技術(shù)也被視為未來智能配電網(wǎng)、分布式發(fā)電和微電網(wǎng)發(fā)展必不可少的支撐技術(shù)。例如:在2012年8月由國家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出:到2015年,中國將建成30個(gè)以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲能技術(shù)為支撐的新能源微電網(wǎng)示范工程。這將極大地促進(jìn)國內(nèi)分布式電能存儲技術(shù)的發(fā)展。目前,分布式電能存儲技術(shù)的總裝機(jī)容量在電網(wǎng)中的比例依然很小,尚處于發(fā)展起步階段。隨著其技術(shù)日益成熟、成本不斷降低,以及未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展,分布式電能存儲技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了當(dāng)前分布式電能存儲技術(shù)的發(fā)展情況,歸納了分布式電能存儲技術(shù)的應(yīng)用場景,并對未來智能配電網(wǎng)中分布式電能存儲技術(shù)的相關(guān)研究方向進(jìn)行了探討。1混合儲能技術(shù)分布式電能存儲設(shè)備的功率從幾千瓦至幾兆瓦不等,儲能容量一般小于10MW·h,多接入中低壓配電網(wǎng)或用戶側(cè)。從能量儲存形式角度分析,分布式電能存儲技術(shù)與大規(guī)模集中式儲能技術(shù)相類似,可分為機(jī)械儲能、電磁儲能、化學(xué)儲能等。若按照能量存儲和釋放的外部特征劃分,分布式電能存儲又可分為功率型和能量型2種。前者適用于短時(shí)間內(nèi)對功率需求較高的場合,如改善電能質(zhì)量、提供快速功率支撐等;后者適用于對能量需求較高的場合,需要儲能設(shè)備提供較長時(shí)間的電能支撐。功率型儲能響應(yīng)迅速、功率密度較大,包括超級電容、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能等。能量型儲能具有較高的能量存儲密度,充放電時(shí)間較長,包括壓縮空氣儲能、鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池等。目前,各種分布式電能存儲技術(shù)的發(fā)展水平不同,成本也有明顯差異,在額定功率、持續(xù)放電時(shí)間、效率及壽命、功率/能量密度等方面具有不同的特點(diǎn),如表1所示。在能量型儲能技術(shù)中,當(dāng)前技術(shù)最成熟的為鉛酸電池,憑借其價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。鋰電池、液流電池、鈉硫電池等化學(xué)儲能技術(shù)也發(fā)展迅速,技術(shù)正走向成熟,國際上已經(jīng)建成了大量的示范工程。這類電池具有較好的功率和能量特性,其不足之處是目前成本仍然較高。功率型的儲能系統(tǒng),例如超級電容器、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能等,近年來也受到較大關(guān)注。超級電容器儲能技術(shù)相對較為成熟,其應(yīng)用日益廣泛;超導(dǎo)儲能技術(shù)尚處于試驗(yàn)或小范圍的示范工程階段,離廣泛應(yīng)用還有較大的差距;飛輪儲能技術(shù)在國外發(fā)展較快,作為不間斷電源得以廣泛應(yīng)用。此外,還有很多其他處于研制階段的儲能技術(shù),例如小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)。目前,分布式電能存儲技術(shù)普遍存在成本較高的問題。同時(shí),系統(tǒng)的安全性、充放電效率、使用壽命、功率和能量密度等指標(biāo)尚有待提高。各種分布式電能存儲技術(shù)除功率和能量的差異外,效率、壽命、經(jīng)濟(jì)成本等指標(biāo)也在很大程度上影響著其應(yīng)用場合。如鋰電池雖然能量密度較大,但其單位能量的成本較高,適用于對能量需求較大但是空間有限的場合;釩液流電池雖然能量密度較低,但其循環(huán)壽命較高,可用于對占地面積和空間要求不高,對能量需求較大且充放電較為頻繁的場合。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展,對分布式電能存儲技術(shù)的需求也會(huì)更加多樣化。任何儲能技術(shù)都很難完全兼顧安全可靠、高功率/能量密度、高效率、長壽命、低成本等多個(gè)方面。因此,采用混合儲能形式,將不同性能的儲能系統(tǒng)進(jìn)行組合,可充分發(fā)揮不同儲能技術(shù)的優(yōu)勢,以滿足功率和能量等多方面的需求,這將是未來分布式電能存儲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢?；旌蟽δ芟到y(tǒng)通常將響應(yīng)速度快、循環(huán)周期壽命長的功率型儲能技術(shù)和具有較大容量的能量型儲能系統(tǒng)聯(lián)合使用,通過協(xié)調(diào)控制,在滿足應(yīng)用需求的同時(shí),提高儲能系統(tǒng)的壽命或效率。最為常見的混合儲能系統(tǒng)為蓄電池(鉛酸電池、鋰電池等)與超級電容器等功率型儲能設(shè)備組成的混合儲能系統(tǒng),可利用功率型儲能設(shè)備優(yōu)化蓄電池充放電過程,降低其充放電次數(shù),從而延長其使用壽命。另一種典型方式是利用小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)與飛輪或超級電容組成混合儲能系統(tǒng),能夠提高儲能系統(tǒng)對擾動(dòng)的響應(yīng)速度,并適當(dāng)提高系統(tǒng)的電能儲存量。2智能配電網(wǎng)中提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的必要性分布式電能存儲系統(tǒng)的應(yīng)用涉及配用電系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié),具有廣泛的應(yīng)用前景。充分發(fā)揮分布式電能存儲設(shè)備的作用能夠有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量,提高配電網(wǎng)中可再生能源的接入能力,增加電網(wǎng)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益,為智能配電網(wǎng)的發(fā)展提供有力支撐。與大規(guī)模、集中式的儲能電站相比,分布式電能存儲設(shè)備對接入位置的環(huán)境、自然條件限制較少,接入電網(wǎng)的方式更加靈活,在配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、分布式電源側(cè),以及用戶側(cè)都可以發(fā)揮獨(dú)特的作用。2.1分布能源存儲系統(tǒng)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用分布式電能存儲技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)中,可以有效發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)功能。2.1.1配電網(wǎng)升級改造利用分布式電能存儲設(shè)備在高峰負(fù)荷時(shí)放電,在低谷負(fù)荷時(shí)充電,可有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷,其原理如圖1所示。圖中:DESS表示分布式電能存儲系統(tǒng)。其效果可體現(xiàn)在如下3個(gè)方面。①緩解電網(wǎng)功率阻塞。避免阻塞導(dǎo)致線路過載,在電力市場條件下引發(fā)電價(jià)大幅升高。②延緩配電網(wǎng)升級改造。在變電站出口處或饋線中接入分布式電能存儲設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移,可以減緩甚至避免配電網(wǎng)的升級,同時(shí)可以有效提升配電線路和變壓器的負(fù)載水平,提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率?？紤]到負(fù)荷發(fā)展的不確定性,相比配電網(wǎng)的升級改造,采用成本相對較低的分布式電能存儲設(shè)備能夠降低投資的風(fēng)險(xiǎn)。③降低網(wǎng)絡(luò)能量損耗。研究表明,負(fù)荷高峰時(shí)放電所減少的網(wǎng)損明顯大于負(fù)荷低谷時(shí)充電增加的網(wǎng)損,通過分布式電能存儲設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移可有效降低配電網(wǎng)損耗?？紤]到負(fù)荷高峰時(shí)的電價(jià)較高,該時(shí)段單位網(wǎng)損的成本也更高,降低網(wǎng)損更具經(jīng)濟(jì)性。例如,南方電網(wǎng)建立的寶清兆瓦級鋰電池儲能電站于2011年1月投運(yùn),現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明該儲能示范電站能有效降低主變峰谷差約10%,能夠?yàn)殡娋W(wǎng)帶來多方面的收益。2.1.2用電存儲技術(shù)當(dāng)配電網(wǎng)中可再生分布式電源比例較高時(shí),將引起配電網(wǎng)中頻率的波動(dòng)。電能存儲系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、輸出功率控制精度高等特點(diǎn),十分符合電網(wǎng)調(diào)頻的需求,基本原理如圖2所示。與傳統(tǒng)調(diào)頻電源相比,電能存儲技術(shù)具有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢。研究表明,電能存儲系統(tǒng)的調(diào)頻效果平均是水電機(jī)組的1.7倍,是燃?xì)鈾C(jī)組的2.5倍,是燃煤機(jī)組的20倍以上。采用水電或火電機(jī)組調(diào)頻時(shí),由于爬坡率的限制,機(jī)組容量往往大于調(diào)頻功率的需求。以爬坡率為4%/min的燃?xì)鈾C(jī)組為例,假設(shè)電網(wǎng)在10min內(nèi)有10MW的功率需求,需要燃?xì)鈾C(jī)組的容量為25MW,而需要儲能的容量為10MW,而且系統(tǒng)的調(diào)頻需求越緊迫,電能存儲技術(shù)的優(yōu)勢越明顯。隨著電能存儲系統(tǒng)成本的下降,在調(diào)頻服務(wù)中也將逐漸顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性。目前,在美國已建成多座采用飛輪、鋰電池等電能存儲系統(tǒng)參與系統(tǒng)調(diào)頻的示范工程,取得了良好的運(yùn)行效果。2.1.3提高分布式電源研發(fā)的能力,提高網(wǎng)絡(luò)接大量分布式電源在配電系統(tǒng)中的接入,將直接改變配電網(wǎng)中功率的流動(dòng)規(guī)律,其直接后果就是會(huì)造成配電網(wǎng)中一些節(jié)點(diǎn)電壓的升高,這是影響配電系統(tǒng)接納分布式電源能力的一個(gè)主要因素。利用分布式電能存儲系統(tǒng)有功功率的調(diào)節(jié)能力,可以有效緩解分布式電源接入后的節(jié)點(diǎn)電壓升高問題,將是提高配電網(wǎng)對分布式電源接納能力的有效手段。另一方面,分布式電能存儲系統(tǒng)大多通過電力電子變換裝置并網(wǎng),可以在其充電、放電的同時(shí)吸收或發(fā)出無功功率,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率的調(diào)節(jié),這有助于提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量,同時(shí)可以減少電網(wǎng)中的無功補(bǔ)償設(shè)備的投資。2.2接入電網(wǎng)容量受限風(fēng)電、光伏等分布式能源的輸出具有間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性等特點(diǎn),接入配電網(wǎng)后帶來的諸多影響限制了其接入電網(wǎng)的容量。將分布式電能存儲系統(tǒng)與分布式電源相結(jié)合,可顯著改善這些分布式電源的運(yùn)行特性,抑制其功率波動(dòng)并增強(qiáng)其可調(diào)度性。2.2.1儲能功率特性分析將分布式電能存儲系統(tǒng)與光伏、風(fēng)電等波動(dòng)性分布式電源緊密配合,利用儲能系統(tǒng)的快速充放電特性平抑這些電源的快速波動(dòng)性,可顯著提高這些電源的功率輸出品質(zhì),改善電能質(zhì)量,降低其對系統(tǒng)的影響。將儲能與分布式電源加以有效集成形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng),可以在一定的時(shí)間尺度上(分鐘—小時(shí)級)實(shí)現(xiàn)輸出功率的平滑,這將從根本上改變光伏、風(fēng)電這類分布式電源的功率輸出特征,為電網(wǎng)中高比例分布式電源的接入創(chuàng)造條件。對可再生能源輸出功率進(jìn)行頻譜分析,針對需要儲能補(bǔ)償?shù)奶囟l段,考慮儲能效率、荷電狀態(tài)(SOC)等約束,可確定所需儲能的最小容量。采用不同的電能存儲設(shè)備組成混合儲能系統(tǒng),針對光伏、風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的不同頻段進(jìn)行補(bǔ)償,并采用儲能SOC限值管理等控制方法,可有效提高平滑效果,并提高電能存儲設(shè)備的使用壽命,該混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.2.2饋線節(jié)點(diǎn)的電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)分布式電源接入配電系統(tǒng)時(shí),導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓升高的關(guān)鍵是分布式電源改變了饋線中有功功率的流動(dòng)方向。這個(gè)問題可以從系統(tǒng)層面,通過在配電饋線的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處集中接入分布式電源加以解決。另一方面,更為有效的手段是將分布式電源直接與儲能系統(tǒng)相配合,對分布式電源的端電壓實(shí)現(xiàn)有效控制,在饋線中一定比例的分布式電源上采用這樣的手段,完全可以克服饋線節(jié)點(diǎn)電壓升高問題,且更易于電壓調(diào)節(jié)問題的解決。同系統(tǒng)級或饋線級的解決方案不同,這樣的解決方案不會(huì)隨分布式電源的接入改變系統(tǒng)運(yùn)行或控制策略,屬于一種分散型“即插即用”式解決方案。文獻(xiàn)分析了澳大利亞一處低壓配電網(wǎng)中,高滲透率接入屋頂光伏后,導(dǎo)致的系統(tǒng)電壓抬升問題。通過在多個(gè)光伏并網(wǎng)點(diǎn)接入蓄電池,并采用基于SOC反饋的充放電策略,能有效緩解光伏對配電網(wǎng)電壓的影響,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。2.2.3布式電能存儲系統(tǒng)對于風(fēng)電和光伏類的分布式電源,常常需要采用最大功率跟蹤算法,以便盡可能充分地利用風(fēng)能或太陽能。這將導(dǎo)致這類分布式電源的功率輸出僅取決于自然條件(風(fēng)力、光照強(qiáng)度),而不具備可調(diào)度性。將分布式電能存儲系統(tǒng)與這類電源有效加以集成,對電網(wǎng)而言形成一個(gè)統(tǒng)一的單元,在充分利用可再生能源的同時(shí),利用儲能系統(tǒng)的充放電特性,實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間尺度(分鐘—小時(shí))上輸出總功率的調(diào)節(jié),進(jìn)而使其具備一定程度的可調(diào)度性。當(dāng)大量的分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí),這一點(diǎn)將變得十分重要。這將有助于對大量此類分布式電源的有效管理,在保證可再生能源充分利用的同時(shí),從配電系統(tǒng)層面提高系統(tǒng)運(yùn)行效率,增大系統(tǒng)的可控性。文獻(xiàn)介紹了日本Futamata風(fēng)電場與兆瓦級鈉硫電池儲能電站的運(yùn)行情況,該儲能電站除平滑風(fēng)電場輸出的波動(dòng)外,還能夠使整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令輸出功率,參與區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度。2.3能量管理功能微電網(wǎng)是一個(gè)分布式電源與負(fù)荷的集成系統(tǒng),具備較強(qiáng)的能量管理功能,既能并網(wǎng)運(yùn)行也能孤島運(yùn)行,可有效提高分布式能源供電的效率和可靠性。在微電網(wǎng)中,儲能系統(tǒng)是重要的功率調(diào)節(jié)設(shè)備,是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)各種運(yùn)行目標(biāo)的關(guān)鍵。2.3.1分布式電能存儲系統(tǒng)當(dāng)微電網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí),微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源與負(fù)荷的變化,將導(dǎo)致微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng),進(jìn)而會(huì)對配電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。通過對微電網(wǎng)中分布式電能存儲系統(tǒng)進(jìn)行合理的控制,能夠?qū)⒙?lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)水平控制在一定范圍之內(nèi)。此外,在這種運(yùn)行模式下,通過給定微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線功率,可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的輸出(或輸入)功率調(diào)度,對配電網(wǎng)而言,微電網(wǎng)將成為一個(gè)可調(diào)度的電源(或負(fù)荷),可以利用微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一些電網(wǎng)輔助服務(wù)功能,進(jìn)而更多地發(fā)揮出微電網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢。2.3.2儲能系統(tǒng)快速響應(yīng)當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí),分布式電能存儲系統(tǒng)可作為微電網(wǎng)的主電源提供電壓和頻率支持,充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)快速響應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn),實(shí)時(shí)平衡微電網(wǎng)中的功率波動(dòng),保證電壓和頻率在允許的運(yùn)行范圍內(nèi)。另一方面,電能存儲系統(tǒng)還可以在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)提供暫態(tài)功率支撐,確保微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式與孤島模式間切換時(shí)給用戶負(fù)荷帶來盡可能小的沖擊,甚至完全消除暫態(tài)沖擊影響,實(shí)現(xiàn)無縫切換。2.4分布能源存儲系統(tǒng)與用戶相關(guān)2.4.1作為間斷電源分布式電能存儲系統(tǒng)由于具有快速響應(yīng)能力,可以作為不間斷電源(UPS),在停電時(shí)確保重要負(fù)荷供電,提高供電可靠性,這一模式已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。2.4.2儲能系統(tǒng)錯(cuò)峰用電的經(jīng)濟(jì)性安裝在社區(qū)、家庭及工商業(yè)用戶側(cè)的分布式電能存儲系統(tǒng),可用于參與需求側(cè)響應(yīng)。通過在電價(jià)低時(shí)充電,電價(jià)高時(shí)放電,幫助用戶在不改變用電習(xí)慣的情況下進(jìn)行錯(cuò)峰用電,從而降低購電費(fèi)用。對于電網(wǎng)而言,這種錯(cuò)峰用電將會(huì)顯著提高電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率,延緩系統(tǒng)改擴(kuò)建,降低系統(tǒng)損耗,因而具有多方面的經(jīng)濟(jì)性。由于目前大多數(shù)電能儲存系統(tǒng)還比較昂貴,儲能系統(tǒng)的這一應(yīng)用還需要各種政策的支持,以體現(xiàn)出其多方面的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)提出一種基于需求側(cè)響應(yīng)的家用電池儲能系統(tǒng)的調(diào)度策略,能夠根據(jù)電價(jià)及配電網(wǎng)狀態(tài)的變化,最大化用戶與配電網(wǎng)運(yùn)營商的收益,該策略在英國兩處實(shí)際的低壓配電網(wǎng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。2.4.3分布式電源間歇性的分布式電源和大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用可能會(huì)給造成用戶的電能質(zhì)量問題,導(dǎo)致高次諧波、電壓閃變、電壓跌落等問題的出現(xiàn)。單相分布式電源也增加了配電網(wǎng)中三相功率的不平衡水平。在用戶側(cè)接入分布式電能存儲設(shè)備,能快速響應(yīng)系統(tǒng)中各種擾動(dòng),有效地維持電壓幅值的變化,控制波形畸變率在較小的范圍內(nèi),從而提高用戶電能質(zhì)量。文獻(xiàn)提出了一種電池儲能系統(tǒng)的多功能控制策略,能夠在保持微電網(wǎng)功率平衡的同時(shí),有效地治理非線性負(fù)荷注入的諧波電流和配電網(wǎng)側(cè)滲透的諧波電壓。3發(fā)展式電能存儲技術(shù)的展望大量的研究工作和示范工程表明,分布式電能存儲技術(shù)在未來的智能配電網(wǎng)發(fā)展中將擁有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前,分布式電能存儲技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段,要在實(shí)際應(yīng)用中大規(guī)模推廣還有很長的路要走?，F(xiàn)階段,限制分布式電能存儲技術(shù)推廣的最大瓶頸還是其高昂的成本,如何發(fā)揮分布式電能存儲的最大效益仍是未來需要重點(diǎn)研究的問題,需要從分布式電能存儲設(shè)備自身性能和成本、成套技術(shù)、協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計(jì),以及電力市場和政策等多個(gè)層面進(jìn)行考慮。3.1能源分布和集成新技術(shù)3.1.1現(xiàn)有儲能技術(shù)的改進(jìn)與新型儲能技術(shù)的研發(fā)提高性能和降低成本是分布式電能存儲技術(shù)未來研發(fā)的主要方向,包括現(xiàn)有儲能技術(shù)的改進(jìn)和新型儲能技術(shù)的研發(fā)。美國能源部發(fā)布的《2013儲能手冊》中介紹了多種正在研發(fā)和測試階段的新型儲能技術(shù),其中多種可應(yīng)用于分布式電能存儲,如表2所示。3.1.2儲能管理系統(tǒng)運(yùn)行控制和優(yōu)化調(diào)度分布式電能存儲系統(tǒng)均由多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,除儲能設(shè)備、電力電子并網(wǎng)裝置外,還可能包括儲能管理系統(tǒng),而后者是電能存儲成套技術(shù)的關(guān)鍵。鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池、超級電容等儲能設(shè)備在應(yīng)用中往往由數(shù)十甚至成百上千個(gè)單體經(jīng)串并聯(lián)組成,在運(yùn)行過程中需要保證所有的單體工作于安全狀態(tài),并且維持各單體的差異在一定范圍之內(nèi)。儲能管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測儲能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),避免使用不當(dāng)對儲能設(shè)備造成損害。同時(shí)能對其SOC、健康狀態(tài)(SOH)、剩余壽命等進(jìn)行實(shí)時(shí)評估,為儲能系統(tǒng)的運(yùn)行控制和優(yōu)化調(diào)度提供判據(jù)。目前,國內(nèi)外針對電池類儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)已有許多較為成熟的產(chǎn)品。但是,不同類型儲能的SOC、壽命、SOH等與儲能自身特性密切相關(guān),各種算法適用的儲能類型不盡相同,精度水平參差不齊。隨著各種新型儲能技術(shù)的發(fā)展,需要適應(yīng)性更強(qiáng)、更加精確的SOC等參數(shù)的估算方法。3.2能源分布系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運(yùn)營3.2.1儲能與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制分布式電能存儲系統(tǒng)在很多應(yīng)用場景下需要與其他分布式電源協(xié)調(diào)運(yùn)行,多種分布式電能存儲系統(tǒng)間也需要協(xié)調(diào)運(yùn)行,共同實(shí)現(xiàn)既定的控制目標(biāo)。分布式電能存儲系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制可以劃分為3個(gè)層次,如圖5所示。1)設(shè)備級協(xié)調(diào)控制。一般為混合儲能系統(tǒng)間或儲能與分布式電源間的協(xié)調(diào)控制。各設(shè)備通過直流母線耦合,或接入同一交流母線,通過協(xié)調(diào)控制能夠在實(shí)現(xiàn)某具體控制目標(biāo)的同時(shí),充分考慮儲能系統(tǒng)的壽命和效率等因素。2)微電網(wǎng)級協(xié)調(diào)控制。微電網(wǎng)中多個(gè)分布式電能存儲系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制主要采用分層控制的方式,通過微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)對各儲能控制器下達(dá)控制指令,協(xié)調(diào)各分布式電能存儲系統(tǒng)的運(yùn)行。3)廣域協(xié)調(diào)控制。對于在地理位置上分布較廣的分布式電能存儲系統(tǒng),無法直接采用微電網(wǎng)模式進(jìn)行管理和控制,需通過配電網(wǎng)調(diào)度或者虛擬電廠(VPP)技術(shù)。此時(shí)的協(xié)調(diào)控制需涵蓋多個(gè)微電網(wǎng)以及微電網(wǎng)覆蓋范圍以外的分布式電能存儲系統(tǒng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣域協(xié)調(diào)控制。3.2.2能量管理層次分布式電能存儲系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行往往不能單獨(dú)考慮,需要將其置于一個(gè)系統(tǒng)中,綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量管理策略,同時(shí)兼顧儲能容量、放電深度、循環(huán)壽命等限制。按照分布式電能存儲系統(tǒng)的應(yīng)用場合不同,可分為以下幾個(gè)層次:①家庭能量管理;②分布式發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度;③微電網(wǎng)能量管理;④配電網(wǎng)能量管理。各級的能量管理系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)信息、負(fù)荷需求、分布式電源出力預(yù)測、市場信息和運(yùn)行約束等條件做出決策,通過對分布式電能存儲系統(tǒng)、分布式電源和負(fù)荷的靈活調(diào)度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。目前,相關(guān)研究大多只考慮某一層次的能量管理,針對儲能在特定場景的應(yīng)用對其進(jìn)行調(diào)度。分布式電能存儲系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中,若用途單一可能有較多時(shí)間處于待機(jī)或浮充狀態(tài),若容量較小可能只能用于較少用途。統(tǒng)籌考慮不同能量管理層次中分布式電能存儲系統(tǒng)的應(yīng)用,盡可能實(shí)現(xiàn)多用途化,對較為分散的小容量儲能系統(tǒng)盡可能統(tǒng)一調(diào)度,將有助于發(fā)揮儲能系統(tǒng)的應(yīng)用潛能,提高其利用效率和經(jīng)濟(jì)性。這些問題仍有待進(jìn)一步研究。3.3儲能容量的目標(biāo)目標(biāo)有關(guān)分布式電能存儲系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究,大多針對具體應(yīng)用場合,通過建立不同的儲能系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)模型,采用優(yōu)化算法計(jì)算得到分布式電能存儲系統(tǒng)的類型、功率、容量,以及儲能系統(tǒng)的成套方案(包括電力電子變換裝置和配套設(shè)備的容量、選型等)。針對不同的應(yīng)用場景,分布式電能存儲系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)可能會(huì)偏重于不同的方面,采用的目標(biāo)函數(shù)各異。在配電網(wǎng)中,主要考慮分布式電能存儲系統(tǒng)接入后通過延緩電網(wǎng)升級、減少電網(wǎng)阻塞、提供輔助服務(wù),以及低發(fā)高儲套利等帶來的經(jīng)濟(jì)收益;在微電網(wǎng)與配合可再生能源發(fā)電時(shí),多從平滑系統(tǒng)功率輸出、控制聯(lián)絡(luò)線功率,以及減少“棄風(fēng)棄光”等方面考慮,儲能容量的優(yōu)化配置與可再生能源出力曲線密切相關(guān);在用戶側(cè)主要考慮節(jié)省電費(fèi)、需求側(cè)相應(yīng)、用戶缺電成本等方面?？傮w來說,多數(shù)研究以分布式電能存儲系統(tǒng)為運(yùn)營商和用戶帶來的經(jīng)濟(jì)收益最大、節(jié)省成本最多為目標(biāo)函數(shù)。實(shí)際上,還應(yīng)該以分布式電能存儲系統(tǒng)的應(yīng)用帶來的社會(huì)效益最大為目標(biāo),如碳排放最低、環(huán)境污染最小、接入可再生能源比例最高、提高供電可靠性的能力最大等。在不同應(yīng)用場景的規(guī)劃設(shè)計(jì)中,約束條件基本大同小異,主要包括功率平衡約束、電池充/放電功率和電量約束、可靠性指標(biāo)約束等。特別值得指出的是,以下兩點(diǎn)需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)綜合加以考慮。1)全面評估分布式電能存儲系統(tǒng)的效益。分布式電能存儲系統(tǒng)能夠同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)場景,產(chǎn)生的效益也是多方面的。相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究多針對某種或某幾種具體的應(yīng)用場景,以主要的利益為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。這樣雖然能夠簡化規(guī)劃設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜程度,突出主要問題,卻容易忽略在其他應(yīng)用場景下的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,不能充分挖掘儲能系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性,不利于分布式電能存儲技術(shù)的推廣應(yīng)用。如何全面考慮分布