儲能技術(shù)在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

王玥嬌，張興友，郭俊山

（山東電力研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

長期的化石燃料使用逐漸引起了能源安全、溫室效應(yīng)和環(huán)境惡化等問題，對全球生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅［1］。以風能、太陽能為代表的新能源具有分布廣泛、可持續(xù)和清潔環(huán)保等優(yōu)勢，因此，大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為人類應(yīng)對能源危機和氣候問題的重大戰(zhàn)略方向之一［2］。

在能源革命的驅(qū)動下，世界各國都在加速推進清潔能源轉(zhuǎn)型。巴拉圭、冰島、挪威等國家已經(jīng)實現(xiàn)或接近100%可再生能源電力系統(tǒng)［3］。中國可再生能源發(fā)展相關(guān)政策提出了到2030 年非化石能源占一次能源消費比重達到20%，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭達到50%的目標［4］。數(shù)據(jù)表明，2010 年后，中國可再生能源發(fā)電占比提升迅速，尤其是風電、光伏、水電占比迅速提高，如圖1 所示［5］。截至2019 年底，中國可再生能源發(fā)電裝機約占全部電力裝機的39.5%，同比上升1.1%；可再生能源發(fā)電裝機容量達到794 GW，同比增長9%；水電、風電和光伏裝機容量分別為356 GW、210 GW 和205 GW，同比增長1.1%、14%和17.3%［6］。可再生能源高比例接入電網(wǎng)已經(jīng)成為中國電力系統(tǒng)的重要特征［7］。

圖1 2000—2018年中國發(fā)電量變化

然而，可再生能源在迅猛發(fā)展的同時，也為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來挑戰(zhàn)。如圖2［5］所示，在2018年裝機容量占比中，風電光伏共占19%份額。一方面，以風電、光伏為代表的新能源出力具有波動性、間歇性和反調(diào)峰特性，難以參與電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度，導致電力系統(tǒng)中出現(xiàn)功率不平衡、頻率波動和電壓穩(wěn)定性等問題［8-9］。另一方面，由于我國風、光資源高度集中，而電網(wǎng)接納能力不足，棄風棄光問題逐漸凸顯，嚴重制約大規(guī)模風、光能源的發(fā)展［10-11］。

圖2 2018年中國各類電源裝機容量占比

近年來，儲能技術(shù)不斷發(fā)展與完善。儲能系統(tǒng)具有雙向的功率調(diào)節(jié)能力，利用儲能元件靈活地存儲和釋放電能，可以保證電力系統(tǒng)內(nèi)的實時功率平衡，改善頻率特性，解決電壓波動問題，提升可再生能源接納能力［12-13］。因此，儲能技術(shù)在發(fā)電、輸電、配用、用電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［14-16］。首先總結(jié)了當前儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢，然后分別介紹輔助風電、光伏消納的儲能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，最后闡述了儲能參與電力系統(tǒng)頻率和電壓調(diào)整的配置方法和控制策略。

1 儲能技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)勢

儲能技術(shù)按能量轉(zhuǎn)換方式可分為電儲能、熱儲能、機械儲能、電化學儲能和化學儲能等。

1.1 電儲能

電儲能又稱電磁儲能，現(xiàn)階段較為常見的包括超級電容器和超導磁儲能。超級電容器通過電磁場來存儲能量，具有充放電效率高、循環(huán)壽命長、功率密度大、適用工作溫度范圍大等優(yōu)點，但其能量密度較低，因此在微電網(wǎng)中一般與蓄電池配合使用［17］。超導磁儲能系統(tǒng)利用超導線圈及變流器等快速存儲電磁能，能量密度大，但造價昂貴、維護成本高。

1.2 熱儲能

熱儲能通常被進一步分為顯熱儲熱、潛熱（相變）儲熱和熱化學儲熱三種形式。顯熱儲熱是以改變材料溫度的方式實現(xiàn)熱能的存儲與釋放，具有成本低和技術(shù)成熟的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力調(diào)峰調(diào)度、火電廠余熱回收和可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域［14］。潛熱儲熱是利用材料在相變時的吸熱和放熱過程進行儲能，其儲能密度高、溫度變化小，是目前熱儲能領(lǐng)域的研究重點。熱化學儲熱通過可逆熱化學反應(yīng)的方式實現(xiàn)熱能存儲，是目前儲熱密度最大的儲熱方式，目前仍處于技術(shù)研發(fā)階段［18］。

1.3 機械儲能

機械儲能是通過機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量的存儲與釋放，主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等技術(shù)。抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展較為成熟，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中可以起到削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、提供備用容量等作用，但其局限性在于受地理和氣候條件的限制［19］。壓縮空氣儲能一般應(yīng)用于燃氣輪機，利用空氣壓縮機實現(xiàn)能量存儲，壓縮空氣膨脹做功驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。飛輪儲能將電能與旋轉(zhuǎn)體的動能進行相互轉(zhuǎn)換，具有功率密度高、使用壽命長的優(yōu)點。

1.4 電化學儲能

電化學儲能利用電池實現(xiàn)電能的存儲與釋放，本質(zhì)上是可逆的氧化還原反應(yīng)，具有安裝方便、響應(yīng)速度快和技術(shù)成熟的優(yōu)勢，主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等。其中，鋰離子電池體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)使用壽命長，主要應(yīng)用于電動汽車。電化學儲能還廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、新能源消納和電力輔助服務(wù)等領(lǐng)域，能夠有效提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，提升電能質(zhì)量［20］。

1.5 化學儲能

化學儲能是通過電能驅(qū)動化學反應(yīng)，進而實現(xiàn)能量存儲的過程，常見的載體有氫和天然氣。氫儲能的基本原理是電解水，涉及制氫、儲氫、輸氫、用氫4個環(huán)節(jié)，具有能量密度大、維護成本低、綠色無污染等優(yōu)點。氫儲能缺點在于電解水的過程中釋放了大量的熱能，導致其能量轉(zhuǎn)換率一般僅能達到30%～50%，而且使用時還需要考慮氫氣存儲的安全性問題。由于氫儲能對風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的不確定性具有很強的適應(yīng)性，因此可以應(yīng)用于風電領(lǐng)域，輔助大規(guī)模風電機組進行安全并網(wǎng)［21］。

綜上所述，各種儲能方式特點的總結(jié)如表1所示。

表1 儲能技術(shù)及其特點

2 可再生能源消納

2.1 風能

中國“三北”地區(qū)是棄風最為嚴重的地區(qū)，其重要原因是“三北”地區(qū)以熱電機組為主，在冬季供熱期機組采用“以熱定電”的運行方式，系統(tǒng)調(diào)峰能力下降，靈活性差，風電出力高時被迫棄風以保證電能供需平衡［22］。此外，風電的反調(diào)峰特性使棄風現(xiàn)象進一步凸顯。儲能裝置的引入可以平抑風電并網(wǎng)后系統(tǒng)負荷的波動性，減少調(diào)節(jié)壓力，增加系統(tǒng)靈活性和彈性［23］。

在熱電機組中最常見的方式是在電網(wǎng)末端加裝蓄熱式電鍋爐，其基本原理是利用棄風電力在負荷低谷時儲熱，負荷高峰時放熱，促進電負荷向熱負荷轉(zhuǎn)換［24］。文獻［22］考慮風電消納量和系統(tǒng)運行成本建立了雙層多目標優(yōu)化模型，并利用多目標非支配粒子群算法進行求解，在吉林某示范工程驗證了該方法提高風電消納能力的有效性。文獻［25］提出風電、蓄熱式電鍋爐供暖調(diào)度優(yōu)化模型，并引入魯棒隨機優(yōu)化理論描述風電出力的不確定性，以北方某實際項目進行仿真，驗證了方法的合理性。然而，快速、頻繁地調(diào)節(jié)蓄熱式電鍋爐電極易損害電鍋爐的使用壽命，降低系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此，文獻［24］將具有快速、靈活功率調(diào)節(jié)能力的電化學儲能引入蓄熱式電鍋爐消納風電系統(tǒng)中，將電鍋爐擋位調(diào)節(jié)次數(shù)加入目標函數(shù)，提出一種基于儲能融合蓄熱式電鍋爐的風電消納多目標優(yōu)化控制方法，在提升風電接納能力的同時，有效降低了電鍋爐電極調(diào)節(jié)次數(shù)。文獻［26］進一步引入包含超級電容器的混合儲能系統(tǒng)，并考慮儲能系統(tǒng)的使用壽命，搭建了協(xié)同風電和電鍋爐擋位調(diào)節(jié)次數(shù)等多目標優(yōu)化運行的儲能系統(tǒng)控制模型，提升了儲能系統(tǒng)的整體壽命。

加裝儲熱裝置同樣是提升風電消納量的有效方法。其基本原理是在非棄風時段，機組向儲熱裝置蓄熱；在棄風時段，系統(tǒng)處于低負荷狀態(tài)，此時由儲熱裝置補充供熱，以降低發(fā)電機組出力，從而為風電提供更大的上網(wǎng)空間［27］。文獻［28］通過不同運行方式的對比驗證了啟停電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱能夠進一步提高風電消納能力。文獻［29］考慮棄風成本及常規(guī)機組的污染排放，提出了易于發(fā)揮儲熱式電鍋爐優(yōu)勢的儲熱控制策略，兼顧風電消納和對環(huán)境的保護。在儲熱電混合儲能系統(tǒng)容量配置方面，文獻［30］提出了一種儲熱電混合儲能系統(tǒng)雙層優(yōu)化模型，實現(xiàn)了最優(yōu)的系統(tǒng)經(jīng)濟效益和功率優(yōu)化分配。在源荷調(diào)度方面，文獻［27］利用價格型和激勵型需求響應(yīng)資源，提出了熱電系統(tǒng)日前、日內(nèi)兩階段調(diào)度方法，最大化系統(tǒng)的風電消納水平。文獻［31］建立了源荷電熱日前經(jīng)濟調(diào)度模型，以綜合能源服務(wù)商形式聚合多類型供能設(shè)備和綜合柔性負荷，實現(xiàn)風電消納。文獻［32］構(gòu)建了綜合考慮價格型需求響應(yīng)與風電出力不確定性的電熱聯(lián)合調(diào)度模型，提升了風電并網(wǎng)的消納量。

抽水蓄能水電站在地理條件允許的情況下，是解決大規(guī)模風電消納的有效途徑。文獻［33］綜合考慮抽水蓄能機組實現(xiàn)削峰填谷的能力，建立了抽水蓄能電站與風電的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，驗證了其提升風電消納的有效性。文獻［34］提出一種含抽蓄機組的魯棒機組組合優(yōu)化方法，并定量評估了抽水蓄能機組對電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行及電網(wǎng)風電消納能力的影響。

此外，從原理上及控制策略來看，氫儲能［35］、電池儲能［36］、絕緣壓縮空氣儲能［37］等也有望在風電消納問題中發(fā)揮積極作用。儲能裝置雖是促進風電消納的關(guān)鍵技術(shù)，但目前的研究還存在諸多薄弱之處。已有儲能裝置在成本與儲存/釋放能量速度之間存在明顯矛盾。響應(yīng)速度快的儲能裝置（例如蓄電池、超級電容等）單位容量成本較高，限制了其應(yīng)用范圍。已有研究多是從優(yōu)化調(diào)度角度進行分析，未來的研究將圍繞降低風電機組的儲能配置成本，充分發(fā)揮不同類型能源的互補特性，研究儲能對機組動態(tài)特性機理性影響等展開。

2.2 光伏

光伏發(fā)電因其清潔、無噪聲、安全可靠等優(yōu)勢，在低壓配電網(wǎng)和微電網(wǎng)中得到迅速發(fā)展。分布式光伏大量接入配電網(wǎng)，極易造成配電網(wǎng)局部潮流波動，甚至電壓越限，嚴重制約了配電網(wǎng)中的光伏接納能力［38］。在電網(wǎng)側(cè)配置儲能裝置是改善配電網(wǎng)分布式光伏消納能力的有效手段［39］。文獻［40］提出了基于源-網(wǎng)-荷協(xié)同優(yōu)化的配電網(wǎng)光儲聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃方法，相較傳統(tǒng)僅考慮需求響應(yīng)或電壓調(diào)節(jié)等單一管理措施的光儲聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃方法，進一步提升了光伏就地消納能力。為了優(yōu)化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，文獻［38］利用實時的分布式光伏發(fā)電輸出功率和負荷需求的預(yù)測值對集中式儲能電站進行實時調(diào)度，從而不斷更新儲能電站站內(nèi)的功率分配，降低了儲能電站的總運行成本。面對高度分散的光伏，合理規(guī)劃通信網(wǎng)絡(luò)有助于提高系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性。文獻［41］研究了低壓配電網(wǎng)中信息通信網(wǎng)絡(luò)與儲能系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃問題，避免了因儲能過度分散配置導則的通信投資增加的問題。

利用儲能提升光伏接納能力對促進光伏微網(wǎng)的商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。隨著電力市場的逐漸成熟，考慮具體需求響應(yīng)策略，如峰谷分時電價，對儲能系統(tǒng)容量進行優(yōu)化配置，有助于提升光伏微網(wǎng)的商業(yè)投資潛力［42］。在光伏微網(wǎng)的商業(yè)運營方面，文獻［43］總結(jié)了工業(yè)型用戶側(cè)微網(wǎng)中投資主體的投資目的與儲能運行方式的關(guān)系，并提出各投資主體的收益分配方法，為微網(wǎng)大規(guī)模接入背景下微電網(wǎng)的運營及管理模式提供參考依據(jù)。光伏微網(wǎng)還需保證離網(wǎng)運行時的可靠性，文獻［44］提出了一種儲能系統(tǒng)充放電策略，同時兼顧系統(tǒng)的光伏就地消納能力與重要負荷的穩(wěn)定運行。文獻［45］提出社區(qū)分布式光伏與儲能系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法，利用儲能調(diào)整社區(qū)內(nèi)電能的流動方向，有效提升光伏的就地消納量，并降低居民用電總費用。文獻［46］將研究對象縮小至樓宇，利用儲能裝置提升了樓宇的光伏消納能力。

3 電力系統(tǒng)的頻率和電壓調(diào)整

3.1 頻率調(diào)整

在風電大規(guī)模并網(wǎng)的環(huán)境下，電網(wǎng)同步發(fā)電機組裝機容量逐步下降，系統(tǒng)逐漸向低阻尼、低慣量的方向發(fā)展，減弱了系統(tǒng)的調(diào)頻能力［47］。同時，風能、光伏等很難為系統(tǒng)提供可靠的頻率支撐，使電力系統(tǒng)面臨嚴峻的調(diào)頻壓力［48］。

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)方式分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。電池儲能因具有高效的雙向調(diào)節(jié)能力，在一次調(diào)頻輔助服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。電池儲能電站的一次調(diào)頻由儲能變流器直接參與，其基本控制策略有下垂控制和虛擬慣性控制，前者的基本原理是機組的下垂特性曲線，可以有效減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差；后者即虛擬同步發(fā)電機控制（Virtual Synchronous Generator，VSG），將同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程及電氣方程的控制結(jié)構(gòu)引入儲能電站并網(wǎng)逆變器中，以模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)，能夠有效抑制最大頻率偏差變化率，但無法降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差［49-50］。單獨兩種控制策略均無法滿足全部運行場景下的調(diào)頻需求，因此，文獻［51］在分析兩種控制策略對頻率特性的基礎(chǔ)上提出兩種策略按比例混合參與調(diào)頻的控制方法，文獻［50］將常規(guī)虛擬慣性控制與負虛擬慣性控制相結(jié)合，提出正/負虛擬慣性控制及下垂控制相結(jié)合的自適應(yīng)綜合控制策略，實現(xiàn)了更好的調(diào)頻效果。文獻［48］則對VSG 控制中的無功調(diào)壓環(huán)節(jié)進行改進，提出同步機三階模型的主動支撐控制策略，提高了儲能電站并網(wǎng)調(diào)頻、穩(wěn)壓能力。除了系統(tǒng)的調(diào)頻效果，還需要考慮整體運行的經(jīng)濟性。儲能單元的配置不僅直接增加可再生能源電站建設(shè)的成本，在頻繁充放電的過程中還會產(chǎn)生老化損耗，增加運維成本。因此，文獻［47］進一步研究了電網(wǎng)側(cè)頻率波動時VSG 的出力變化，提出一種以元件參數(shù)和控制參數(shù)為基礎(chǔ)的儲能單元配置方法，兼顧VSG的性能的綜合成本。

與一次調(diào)頻不同，二次調(diào)頻在電網(wǎng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control，AGC）的調(diào)度下完成［52］。二次調(diào)頻信號通常指區(qū)域控制誤差（Area Control Error，ACE）和區(qū)域控制需求（Area Regulation Requirement，ARR）信號，儲能系統(tǒng)可以基于兩類信號參與調(diào)頻。其中，ACE 信號模式有助于降低調(diào)頻前期的頻率偏差，ARR 信號模式可以減少調(diào)頻中后期的頻率恢復(fù)時間［53］。文獻［54］基于復(fù)頻域分析進一步確定了儲能參與ACE 和ARR 信號模式的切換時機，充分發(fā)揮兩種信號模式的優(yōu)勢。在電池儲能電站的經(jīng)濟運行方面，文獻［52］了提出電池儲能電站整體效率最大化的電池儲能單元群功率分配策略，提高儲能系統(tǒng)的運行效率，有助于延緩電池的壽命衰減。除電池儲能方式外，在燃煤機組中加裝飛輪儲能能夠極大地提高調(diào)頻質(zhì)量，降低汽輪機輸出功率波動和鍋爐主蒸汽壓力波動，在輔助調(diào)頻的同時延長機組壽命［55］。

3.2 電壓調(diào)整

可再生能源間歇性、周期性出力特征帶來了電壓波動加劇的問題。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的調(diào)壓設(shè)備一般包括有載調(diào)壓變壓器及投切電容器組，但這兩種設(shè)備的響應(yīng)和電壓調(diào)節(jié)速度較慢，難以對分布式電源帶來的電壓劇烈波動進行精確調(diào)整［56］。利用儲能裝置快速的功率吞吐能力輔助電網(wǎng)的電壓控制，能夠有效提升系統(tǒng)的調(diào)壓質(zhì)量［57］。為了發(fā)揮傳統(tǒng)調(diào)壓方法和儲能裝置的優(yōu)勢，文獻［57-58］提出有載調(diào)壓變壓器分解頭與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略；文獻［56］提出兩階段的電壓協(xié)調(diào)控制策略，在第二階段利用儲能裝置對頻繁波動的關(guān)鍵節(jié)點電壓進行精細化調(diào)整；文獻［59］利用儲能承擔直流配電網(wǎng)的后備調(diào)壓，并利用多模式調(diào)壓策略實現(xiàn)直流電壓的分散自律控制，避免了蓄電池過度充放電。

在電壓控制策略方面，文獻［60］提出適用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的自適應(yīng)下垂控制策略，該策略能夠結(jié)合下垂控制與虛擬慣性控制的優(yōu)勢，增強系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)壓能力和電壓調(diào)節(jié)質(zhì)量。文獻［61］提出基于模型預(yù)測控制的主動配電網(wǎng)電壓控制策略，采用多步滾動優(yōu)化，使得電壓控制過程更為靈活平滑，充分利用了主動配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)和有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓能力。文獻［62］將深度學習算法引入含儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)領(lǐng)域，克服了傳統(tǒng)方法中不確定性建模復(fù)雜、求解和收斂困難的問題，得到趨于最優(yōu)調(diào)壓策略的儲能控制方法，具有高效的計算效率。

綜上所述，在儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓控制策略方面目前已有充分研究，但仍存在欠缺之處。例如，已有研究對儲能經(jīng)濟性考慮過于簡化，未能考慮電力市場環(huán)境下儲能投資分配、管理維護、電價政策、成本分攤等問題。此外，除傳統(tǒng)儲能方式外，隨著電動汽車的發(fā)展普及，用戶側(cè)的廣義儲能也是研究的重要對象。在利用用戶側(cè)儲能資源方面，考慮到電動汽車充電的隨機性及用戶需求的復(fù)雜性，分析預(yù)測不同時空環(huán)境下的儲能可調(diào)控容量、統(tǒng)籌安排大規(guī)模電動汽車充放電計劃、制定用戶參與調(diào)控的激勵機制、協(xié)調(diào)優(yōu)化電動汽車等廣義儲能與傳統(tǒng)儲能資源的控制策略，是未來儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓問題的研究重點。

4 結(jié)語

伴隨著可再生能源的迅速發(fā)展，儲能技術(shù)的應(yīng)用對于電力系統(tǒng)的運行起到了不可替代的作用，極大地提升了系統(tǒng)運行的可靠性。就儲能技術(shù)在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了綜述，分析了儲能技術(shù)在促進新能源消納，輔助電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓方面發(fā)揮的重要作用。同時，還分析了儲能技術(shù)研究中存在的問題及未來主要研究方向，主要可歸結(jié)為3個方面。

1）解決儲能大范圍應(yīng)用的根本在于研發(fā)新的儲能技術(shù)，在降低配置成本的同時盡可能提高儲能容量及響應(yīng)速度。

2）在促進新能源消納方面，應(yīng)研究多種能源形式互補配置，在此基礎(chǔ)上結(jié)合儲能進行消納的聯(lián)合優(yōu)化配置方案。同時，還應(yīng)研究含儲能風電、光伏機組的動態(tài)特性。

3）應(yīng)充分利用包括電動汽車在內(nèi)的用戶側(cè)廣義儲能資源，通過完善儲能的商業(yè)化運營模式和市場機制，實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的雙向互動。