1分布式電能存儲技術的特點及發(fā)展情況

分布式電能存儲設備的功率從幾千瓦至幾兆瓦不等, 儲能容量一般小于10 MW˙h, 多接入中低壓配電網或用戶側。從能量儲存形式看, 分布式電能存儲技術可分為機械儲能、電磁儲能、化學儲能等。若按照能量存儲和釋放的外部特征劃分, 又可分為功率型和能量型2種。前者適用于短時間內對功率需求較高的場合, 如改善電能質量、提供快速功率支撐等; 后者適用于對能量需求較高的場合, 需要儲能設備提供較長時間的電能支撐。功率型儲能響應迅速、功率密度較大, 包括超級電容、飛輪儲能、超導儲能等。能量型儲能具有較高的能量存儲密度, 充放電時間較長, 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。各種分布式電能存儲技術的發(fā)展水平不同, 成本也有明顯差異, 在效率、壽命、功率/能量密度等方面具有不同特點。采用混合儲能形式, 將不同性能的儲能系統(tǒng)進行組合, 可充分發(fā)揮不同儲能技術的優(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的發(fā)展和應用的趨勢之一。

2分布式電能存儲系統(tǒng)的應用場景

分布式電能存儲系統(tǒng)(DESS)的應用涉及配用電系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié), 與大規(guī)模、集中式的儲能電站相比, 分布式電能存儲系統(tǒng)對接入位置的環(huán)境條件限制較少, 接入電網的方式更加靈活, 在配電網、微電網、分布式電源側, 以及用戶側都可以發(fā)揮獨特的作用。

2.1在配電系統(tǒng)中的應用

參與系統(tǒng)調峰。利用分布式電能存儲系統(tǒng)在高峰負荷時放電, 在低谷負荷時充電, 可有效實現負荷的削峰填谷。其效果可體現在如下3個方面: ①緩解電網功率阻塞; ②延緩配電網升級改造; ③降低網絡能量損耗。

參與系統(tǒng)頻率調節(jié)。分布式電能存儲系統(tǒng)具有響應速度快、輸出功率控制精度高等特點, 十分符合電網調頻的需求。與傳統(tǒng)調頻電源相比, 分布式電能存儲系統(tǒng)具有較為明顯的技術優(yōu)勢。隨著分布式電能存儲系統(tǒng)成本的下降, 在調頻服務中也將逐漸顯現出其經濟性。

參與系統(tǒng)或饋線級調壓。大量分布式電源在配電系統(tǒng)中接入, 將直接改變配電網中功率的流動規(guī)律, 造成一些節(jié)點電壓的升高。利用分布式電能存儲系統(tǒng)有功功率的調節(jié)能力, 可以有效緩解分布式電源接入后的節(jié)點電壓升高問題, 提高配電網對分布式電源接納能力。

2.2在改善分布式電源運行特性方面的應用

平滑分布式電源的功率波動。將分布式電能存儲系統(tǒng)與光伏發(fā)電、風電等波動性分布式電源緊密配合, 利用儲能的快速充放電特性平抑這些電源的快速波動, 可在一定時間尺度上(分鐘至小時級)實現輸出功率的平滑, 顯著提高這些電源的功率輸出品質, 降低其對系統(tǒng)的影響。

實現分布式電源端節(jié)點電壓控制。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現有效控制, 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)點電壓升高問題。該方案不會隨分布式電源的接入改變系統(tǒng)運行或控制策略, 能夠實現“即插即用”。

增強分布式電源的功率可調度性。將分布式電能存儲系統(tǒng)與風電和光伏發(fā)電等分布式電源有效加以集成, 對電網而言形成一個統(tǒng)一的單元, 實現在一定時間尺度(分鐘至小時級)上輸出總功率的調節(jié), 進而使其具備一定程度的可調度性。

2.3在微電網中的應用

實現聯(lián)絡線功率控制。微電網聯(lián)網運行時, 微電網與配電網間聯(lián)絡線功率的波動可能對配電網產生較大的影響。通過對微電網中分布式電能存儲系統(tǒng)的控制, 能將聯(lián)絡線功率的波動控制在一定范圍之內。聯(lián)網運行時, 對配電網而言, 微電網將成為一個可調度的電源(或負荷), 可以利用微電網實現一些電網輔助服務功能, 進而更多地發(fā)揮出微電網的技術優(yōu)勢。

支撐系統(tǒng)電壓與頻率。微電網孤島運行模式時, 分布式電能存儲系統(tǒng)可作為微電網的主電源提供電壓和頻率支持, 發(fā)揮快速響應的特點, 實時平衡微電網中的功率波動, 維持電壓和頻率穩(wěn)定。此外, 分布式電能存儲系統(tǒng)還可以在微電網運行模式切換時提供暫態(tài)功率支撐, 盡可能減小對用戶負荷的沖擊。

2.4在用戶側的應用

發(fā)揮不間斷電源作用。分布式電能存儲系統(tǒng)由于具有快速響應能力, 可以作為不間斷電源(UPS), 在停電時確保重要負荷供電, 提高供電可靠性, 這一模式已經獲得廣泛應用。

實現需求側響應。安裝在用戶側的分布式電能存儲系統(tǒng), 可用于參與需求側響應, 幫助用戶在不改變用電習慣的情況下進行錯峰用電, 降低購電費用。對于電網而言, 錯峰用電將會顯著提高電網的資產利用率, 延緩系統(tǒng)改擴建, 具有多方面的經濟性。

改善電能質量。間歇性的分布式電源和大量電力電子設備的應用可能會造成高次諧波、電壓閃變、電壓跌落等電能質量問題。在用戶側接入分布式電能存儲系統(tǒng), 能快速響應系統(tǒng)中各種擾動, 有效控制波形畸變率在較小的范圍內, 提高用戶電能質量。

3分布式電能存儲及成套新技術

3.1分布式電能存儲新技術

提高性能和降低成本是分布式電能存儲系統(tǒng)未來研發(fā)的主要方向, 包括現有儲能技術的改進和新型儲能技術的研發(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, 其中多種可應用于分布式電能存儲系統(tǒng), 如表1所示。

3.2分布式電能存儲系統(tǒng)成套技術

分布式電能存儲系統(tǒng)均由多個環(huán)節(jié)構成, 除儲能設備、電力電子并網裝置外, 還可能包括儲能管理系統(tǒng), 而后者是電能存儲成套技術的關鍵。儲能管理系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測儲能設備運行狀態(tài), 避免使用不當對儲能設備造成損害。目前, 國內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品。但是, 不同類型儲能的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、壽命等與自身特性密切相關, 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的發(fā)展, 需要適應性更強、更加精確的荷電狀態(tài)等參數的估算方法。

4分布式電能存儲系統(tǒng)協(xié)調控制與優(yōu)化運行

4.1分布式電能存儲系統(tǒng)協(xié)調控制

分布式電能存儲系統(tǒng)在很多應用場景下需要與其他分布式電源協(xié)調運行, 多種分布式電能存儲系統(tǒng)間也需要協(xié)調運行, 共同實現既定的控制目標。分布式電能存儲系統(tǒng)的協(xié)調控制可以劃分為3個層次, 如圖1所示。

1)設備級協(xié)調控制。一般為混合儲能系統(tǒng)間或儲能與分布式電源間的協(xié)調控制。

2)微電網級協(xié)調控制。微電網中多個分布式電能存儲系統(tǒng)間的協(xié)調控制主要采用分層控制的方式, 通過微電網中央控制器(MGCC)對各儲能控制器下達控制指令, 協(xié)調各分布式電能存儲系統(tǒng)的運行。

3)廣域協(xié)調控制。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模式進行管理和控制, 需通過配網調度或者虛擬電廠(VPP)技術。此時的協(xié)調控制需涵蓋多個微電網以及微電網覆蓋范圍以外的分布式電能存儲系統(tǒng), 進而實現廣域協(xié)調控制。

4.2分布式電能存儲系統(tǒng)優(yōu)化運行

分布式電能存儲系統(tǒng)的優(yōu)化運行往往不能單獨考慮, 需要將其置于一個系統(tǒng)中, 綜合考慮整個系統(tǒng)的能量管理策略, 同時兼顧儲能容量、放電深度、循環(huán)壽命等限制。按照分布式電能存儲系統(tǒng)的應用場合不同, 可分為以下幾個層次: ①家庭能量管理; ②分布式發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調度; ③微電網能量管理; ④配電網能量管理。

目前, 相關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用對其進行調度。如何統(tǒng)籌考慮不同能量管理層次中分布式電能存儲系統(tǒng)的應用, 發(fā)揮儲能系統(tǒng)的應用潛能, 仍有待進一步研究。

5分布式電能存儲系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃設計

針對不同的應用場景, 分布式電能存儲系統(tǒng)的規(guī)劃設計可能會偏重于不同的方面, 采用的目標函數各異。多數研究以分布式電能存儲系統(tǒng)為運營商和用戶帶來的經濟收益最大、節(jié)省成本最多為目標函數, 在不同應用場景的規(guī)劃設計中, 約束條件基本大同小異。特別值得指出的是, 以下兩點需要在規(guī)劃設計時綜合加以考慮。

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)相關規(guī)劃設計研究多針對某種或某幾種具體的應用場景, 以主要的利益為目標進行規(guī)劃。如何全面考慮分布式電能存儲系統(tǒng)的經濟價值、社會效益, 有待進一步研究。

2)大量分布式電能存儲系統(tǒng)接入后對電價的影響。當系統(tǒng)中大量接入分布式電能存儲系統(tǒng), 并使之參與需求側響應時, 可能會對峰谷電價產生較大的影響。在考慮分布式電能存儲系統(tǒng)規(guī)劃設計方案的同時也應加強電網中儲能系統(tǒng)規(guī)模的全局性規(guī)劃研究。

6市場與政策對分布式電能存儲系統(tǒng)應用的影響

6.1電力市場

分布式電能存儲系統(tǒng)的應用前景雖然廣闊, 但尚未真正形成成熟的商業(yè)模式。分布式電能存儲系統(tǒng)在電網各環(huán)節(jié)的應用都具備潛在的盈利機會, 但其能否完全商業(yè)化運營, 還取決于電力市場的發(fā)展水平和完善程度。在歐美等電力市場發(fā)展較早的國家, 峰谷分時電價機制, 以及輔助服務市場的存在, 使得儲能系統(tǒng)為其所有者帶來收益成為可能。一旦經濟性獲得保障, 分布式電能存儲技術有望獲得極大的商業(yè)化推廣。在國內, 電力市場尚未全面實行, 在現行的電價機制下, 儲能系統(tǒng)的獲利空間收到了很大的約束。

6.2政策

國家政策的扶植是促進儲能技術成熟, 推動儲能產業(yè)發(fā)展最有效、最實際的方式。美國作為儲能技術發(fā)展較早, 水平最高的國家之一, 其儲能技術的快速發(fā)展與政府政策的支持密不可分。美國的儲能政策主要涵蓋了5個方面, 包括: 儲能技術產業(yè)發(fā)展規(guī)劃、儲能技術示范項目財政支持、儲能系統(tǒng)電價支持、儲能系統(tǒng)安裝稅收減免和儲能系統(tǒng)配置比例要求等, 從技術、應用、市場等角度給予了儲能技術發(fā)展的多方面支持。中國專門針對儲能技術的政策和規(guī)劃尚不多見, 但在“十二五”期間頒布的一系列有關可再生能源并網、智能電網、分布式發(fā)電與微電網、電動汽車等領域的政策, 將間接對儲能技術發(fā)展提供重要的支持。

7結語

目前, 分布式電能存儲系統(tǒng)的發(fā)展仍處于起步階段, 目前限制分布式電能存儲系統(tǒng)推廣的最大瓶頸還是其高昂的成本, 如何發(fā)揮分布式電能存儲系統(tǒng)的最大效益仍是未來需要重點研究的問題, 需要從多個層面進行考慮。

分布式電能存儲技術的發(fā)展不僅要從儲能技術本身出發(fā), 不斷提高性能、降低成本, 還要從其成套技術、協(xié)調控制、優(yōu)化運行、規(guī)劃設計等角度開展深入細致的工作, 以提高分布式電能存儲系統(tǒng)的利用效率, 充分發(fā)揮其應用價值。同時, 也要從市場和政策的層面引導和扶持儲能產業(yè)的發(fā)展。