1分布式電能存儲(chǔ)技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展情況

分布式電能存儲(chǔ)設(shè)備的功率從幾千瓦至幾兆瓦不等, 儲(chǔ)能容量一般小于10 MW˙h, 多接入中低壓配電網(wǎng)或用戶側(cè)。從能量?jī)?chǔ)存形式看, 分布式電能存儲(chǔ)技術(shù)可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等。若按照能量存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)對(duì)功率需求較高的場(chǎng)合, 如改善電能質(zhì)量、提供快速功率支撐等; 后者適用于對(duì)能量需求較高的場(chǎng)合, 需要儲(chǔ)能設(shè)備提供較長(zhǎng)時(shí)間的電能支撐。功率型儲(chǔ)能響應(yīng)迅速、功率密度較大, 包括超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。能量型儲(chǔ)能具有較高的能量存儲(chǔ)密度, 充放電時(shí)間較長(zhǎng), 包括壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)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(diǎn)。采用混合儲(chǔ)能形式, 將不同性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行組合, 可充分發(fā)揮不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 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(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的趨勢(shì)之一。

2分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(DESS)的應(yīng)用涉及配用電系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié), 與大規(guī)模、集中式的儲(chǔ)能電站相比, 分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)接入位置的環(huán)境條件限制較少, 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在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

參與系統(tǒng)調(diào)峰。利用分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)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。其效果可體現(xiàn)在如下3個(gè)方面: ①緩解電網(wǎng)功率阻塞; ②延緩配電網(wǎng)升級(jí)改造; ③降低網(wǎng)絡(luò)能量損耗。

參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。分布式電能存儲(chǔ)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。與傳統(tǒng)調(diào)頻電源相比, 分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)具有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著分布式電能存儲(chǔ)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。

參與系統(tǒng)或饋線級(jí)調(diào)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(wǎng)中功率的流動(dòng)規(guī)律, 造成一些節(jié)點(diǎn)電壓的升高。利用分布式電能存儲(chǔ)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, 提高配電網(wǎng)對(duì)分布式電源接納能力。

2.2在改善分布式電源運(yùn)行特性方面的應(yīng)用

平滑分布式電源的功率波動(dòng)。將分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)與光伏發(fā)電、風(fēng)電等波動(dòng)性分布式電源緊密配合, 利用儲(chǔ)能的快速充放電特性平抑這些電源的快速波動(dòng), 可在一定時(shí)間尺度上(分鐘至小時(shí)級(jí))實(shí)現(xiàn)輸出功率的平滑, 顯著提高這些電源的功率輸出品質(zhì), 降低其對(duì)系統(tǒng)的影響。

實(shí)現(xiàn)分布式電源端節(jié)點(diǎn)電壓控制。將分布式電源直接與儲(chǔ)能系統(tǒng)相配合, 對(duì)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。該方案不會(huì)隨分布式電源的接入改變系統(tǒng)運(yùn)行或控制策略, 能夠?qū)崿F(xiàn)“即插即用”。

增強(qiáng)分布式電源的功率可調(diào)度性。將分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)與風(fēng)電和光伏發(fā)電等分布式電源有效加以集成, 對(duì)電網(wǎng)而言形成一個(gè)統(tǒng)一的單元, 實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間尺度(分鐘至小時(shí)級(jí))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。

2.3在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功率控制。微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)可能對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。通過對(duì)微電網(wǎng)中分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制, 能將聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)控制在一定范圍之內(nèi)。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 對(duì)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(shì)。

支撐系統(tǒng)電壓與頻率。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式時(shí), 分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)可作為微電網(wǎng)的主電源提供電壓和頻率支持, 發(fā)揮快速響應(yīng)的特點(diǎn), 實(shí)時(shí)平衡微電網(wǎng)中的功率波動(dòng), 維持電壓和頻率穩(wěn)定。此外, 分布式電能存儲(chǔ)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, 盡可能減小對(duì)用戶負(fù)荷的沖擊。

2.4在用戶側(cè)的應(yīng)用

發(fā)揮不間斷電源作用。分布式電能存儲(chǔ)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。

實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。安裝在用戶側(cè)的分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng), 可用于參與需求側(cè)響應(yīng), 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, 降低購(gòu)電費(fèi)用。對(duì)于電網(wǎng)而言, 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, 具有多方面的經(jīng)濟(jì)性。

改善電能質(zhì)量。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)造成高次諧波、電壓閃變、電壓跌落等電能質(zhì)量問題。在用戶側(cè)接入分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng), 能快速響應(yīng)系統(tǒng)中各種擾動(dòng), 有效控制波形畸變率在較小的范圍內(nèi), 提高用戶電能質(zhì)量。

3分布式電能存儲(chǔ)及成套新技術(shù)

3.1分布式電能存儲(chǔ)新技術(shù)

提高性能和降低成本是分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)未來研發(fā)的主要方向, 包括現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)和新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)能源部發(fā)布的《2013儲(chǔ)能手冊(cè)》中介紹了多種正在研發(fā)和測(cè)試階段的新型儲(chǔ)能技術(shù), 其中多種可應(yīng)用于分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng), 如表1所示。

3.2分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)成套技術(shù)

分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)均由多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成, 除儲(chǔ)能設(shè)備、電力電子并網(wǎng)裝置外, 還可能包括儲(chǔ)能管理系統(tǒng), 而后者是電能存儲(chǔ)成套技術(shù)的關(guān)鍵。儲(chǔ)能管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài), 避免使用不當(dāng)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備造成損害。目前, 國(guó)內(nèi)外針對(duì)電池類儲(chǔ)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(chǔ)能的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、壽命等與自身特性密切相關(guān), 各種算法適用的儲(chǔ)能類型不盡相同, 精度水平參差不齊。隨著各種新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展, 需要適應(yīng)性更強(qiáng)、更加精確的荷電狀態(tài)等參數(shù)的估算方法。

4分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化運(yùn)行

4.1分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)在很多應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制可以劃分為3個(gè)層次, 如圖1所示。

1)設(shè)備級(jí)協(xié)調(diào)控制。一般為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)間或儲(chǔ)能與分布式電源間的協(xié)調(diào)控制。

2)微電網(wǎng)級(jí)協(xié)調(diào)控制。微電網(wǎng)中多個(gè)分布式電能存儲(chǔ)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(duì)各儲(chǔ)能控制器下達(dá)控制指令, 協(xié)調(diào)各分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行。

3)廣域協(xié)調(diào)控制。對(duì)于在地理位置上分布較廣的分布式電能存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣域協(xié)調(diào)控制。

4.2分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

分布式電能存儲(chǔ)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(chǔ)能容量、放電深度、循環(huán)壽命等限制。按照分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)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。

目前, 相關(guān)研究大多只考慮某一層次的能量管理, 針對(duì)儲(chǔ)能在特定場(chǎng)景的應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行調(diào)度。如何統(tǒng)籌考慮不同能量管理層次中分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用, 發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用潛能, 仍有待進(jìn)一步研究。

5分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景, 分布式電能存儲(chǔ)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。多數(shù)研究以分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)為運(yùn)營(yíng)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), 在不同應(yīng)用場(chǎng)景的規(guī)劃設(shè)計(jì)中, 約束條件基本大同小異。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(píng)估分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的效益。分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究多針對(duì)某種或某幾種具體的應(yīng)用場(chǎng)景, 以主要的利益為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。如何全面考慮分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)效益, 有待進(jìn)一步研究。

2)大量分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)接入后對(duì)電價(jià)的影響。當(dāng)系統(tǒng)中大量接入分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng), 并使之參與需求側(cè)響應(yīng)時(shí), 可能會(huì)對(duì)峰谷電價(jià)產(chǎn)生較大的影響。在考慮分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模的全局性規(guī)劃研究。

6市場(chǎng)與政策對(duì)分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用的影響

6.1電力市場(chǎng)

分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)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(chǔ)系統(tǒng)在電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用都具備潛在的盈利機(jī)會(huì), 但其能否完全商業(yè)化運(yùn)營(yíng), 還取決于電力市場(chǎng)的發(fā)展水平和完善程度。在歐美等電力市場(chǎng)發(fā)展較早的國(guó)家, 峰谷分時(shí)電價(jià)機(jī)制, 以及輔助服務(wù)市場(chǎng)的存在, 使得儲(chǔ)能系統(tǒng)為其所有者帶來收益成為可能。一旦經(jīng)濟(jì)性獲得保障, 分布式電能存儲(chǔ)技術(shù)有望獲得極大的商業(yè)化推廣。在國(guó)內(nèi), 電力市場(chǎng)尚未全面實(shí)行, 在現(xiàn)行的電價(jià)機(jī)制下, 儲(chǔ)能系統(tǒng)的獲利空間收到了很大的約束。

6.2政策

國(guó)家政策的扶植是促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)成熟, 推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展最有效、最實(shí)際的方式。美國(guó)作為儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展較早, 水平最高的國(guó)家之一, 其儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展與政府政策的支持密不可分。美國(guó)的儲(chǔ)能政策主要涵蓋了5個(gè)方面, 包括: 儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、儲(chǔ)能技術(shù)示范項(xiàng)目財(cái)政支持、儲(chǔ)能系統(tǒng)電價(jià)支持、儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝稅收減免和儲(chǔ)能系統(tǒng)配置比例要求等, 從技術(shù)、應(yīng)用、市場(chǎng)等角度給予了儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的多方面支持。中國(guó)專門針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)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(guān)可再生能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的政策, 將間接對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供重要的支持。

7結(jié)語(yǔ)

目前, 分布式電能存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)的最大效益仍是未來需要重點(diǎn)研究的問題, 需要從多個(gè)層面進(jìn)行考慮。

分布式電能存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展不僅要從儲(chǔ)能技術(shù)本身出發(fā), 不斷提高性能、降低成本, 還要從其成套技術(shù)、協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計(jì)等角度開展深入細(xì)致的工作, 以提高分布式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用效率, 充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。同時(shí), 也要從市場(chǎng)和政策的層面引導(dǎo)和扶持儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。