2 面向电网的应用模式
随着新能源和城市负荷的快速发展,电网运行在调峰调频和新能源消纳方面的压力越来越大,需求侧各种资源参与电网优化运行是必然趋势。
2.1 储能参与配电网优化运行
储能系统凭借其快速功率调节以及兼具供蓄能力的特征,在平滑间歇式能源功率波动、削峰填谷、改善电压质量以及提供备用电源等方面都发挥了较大作用,是配电网实现对广泛接入的分布式能源灵活调节以及网络优化运行的关键所在。当大量可再生能源接入配电网时,其出力的波动性会对配电网的电压质量带来不利影响,甚至会使电压越限,使用储能装置可以对接入节点的可再生能源及负荷进行削峰填谷,从而抑制了功率波动,减小了电压越限风险,提升了配电网对新能源的接纳能力[16-18];同时,储能系统的接入也可以改善配电网潮流、降低网损,优化配电网的运行[18-19]。此外,将多个子储能系统并联在微网中可提高储能系统的容量,利用储能系统的快速功率调节能力,可为整个孤网系统提供稳定的电压频率支撑,维持微网系统运行的稳定[20]。
2.2 储能参与系统辅助服务
储能系统可通过参与系统辅助服务,对电网起到支撑作用,应用模式主要包括调频和调峰。
不同于传统火电机组,可再生能源发电系统属于低惯量系统,虽然可以通过虚拟同步或虚拟惯量控制策略获取一定的阻尼特性,但是作用有限。大量光伏电站或风电场并网会降低电力系统的惯量,弱化电网对频率的调节能力,影响其安全稳定运行[21-24]。利用储能系统,可以进行削峰填谷的工作,减小有功功率的波动;也可以提升可再生电源对频率调节的响应能力,改善低惯量系统的一次调频特性。当光伏电站或风电场不足以响应系统的频率调节时,储能系统可以通过放出或吸收功率,完成新能源电站对电网频率变化的响应。
目前研究多集中在大容量集中式储能电站对大电网的支撑作用上。文献[25]建立了考虑电池容量、电压及电流等因素的用于削峰填谷的电池模型。文献[26]在负荷预测的基础上,从储能电站充放电量均衡的角度,提出以一个边际负荷值来确定电站充放电运行状态的控制方案。针对实时负荷与预测负荷存在偏差的问题,提出了结合储能电量预测值对电站实时运行控制进行调整的方法。文献[27]提出一种基于动态规划的实时修正优化控制策略,可在优化模型中引入充放电次数限制和放电深度限制等非连续约束条件,并通过将电池电量离散化等方法解决含有非连续约束的优化问题,该控制算法已成功应用于南方电网兆瓦级锂离子电池储能示范工程。文献[28]提出了一种分布式电池储能系统的新型协调控制算法。主控制中心分组和控制模拟系统中相邻电池储能系统,向每个电池储能系统发送充电或放电运行信号,从而应用于电网削峰填谷。
总体而言,已有研究大多针对集中式大容量的储能系统,而对于分布式储能参与电网辅助服务的协同控制技术研究还较少。如何构建规模化分布式储能汇聚效应的动态仿真模型,协调控制多点布局的分布式储能以及柔性负荷,亟需开展相关内容的深入研究与应用。文献[29-30]定义了负荷聚合商概念,因此进一步可以扩展到储能参与需求响应和提供辅助服务中,将会出现“资源聚合商”,未来资源聚合商将汇聚若干分布式用户储能参与电力市场交易,基本框架如图2所示。
图2 分布式储能汇聚(资源聚合商)参与电网调度交易示意图
3 储能关键装备研制
随着智能电网的发展和分布式电源的不断增多,对于研制分布式储能关键装备的需求也更加迫切。关键装备主要包括高效率、即插即用变流器,支持广域调控的就地监控设备和协调控制设备等。
3.1 高效率、即插即用储能变流设备
在一些特殊的场合下,分布式储能设备需要有并网和离网运行2种工作模式,这2种工作模式之间的切换需要尽可能平滑,减小对用户或电网的冲击和影响,使分布式储能设备能够柔性接入和退出的控制技术是实现分布式储能设备即插即用的基础。通过并网切换孤岛过程补偿算法与孤岛切换并网过程预同步方法[31]可以实现2种工况的无缝切换,具体控制策略见图3和图4,图中变量定义参见文献[31]。
图3 并网切换孤岛控制策略
图4 孤岛切换并网控制策略
对于提高分布式储能系统的效率而言,基于新型中点钳位(A-NPC)拓扑结构的三电平变流器可以提高输出电压波形质量,有利于降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)耐压,以减小开关器件成本、IGBT损耗和电感损耗,来提高系统整体效率,因此具有广泛的应用前景。文献[32]基于A-NPC三电平拓扑结构,设计了电池储能变流器主电路,开发了变流器系统控制器软硬件,研究了变流器中点电压控制机理。
目前对于单台储能变流设备无缝切换控制策略研究较多,但是如何实现设备即插即用的电气/通讯接口技术以及设备并网运行时的柔性接入/退出,减小对系统冲击方面和不同应用模式下平滑切换控制技术方面研究较少,亟需开展相关内容的深入研究。
3.2 储能系统就地监控设备
电池储能系统一般由储能电池、电池管理系统、双向变流器和监控系统等几个主要部分组成,并通过升压变压器接入10 kV及以上电压等级。储能监控系统与电池管理系统、双向变流器、上级调度系统通过高速的通信协议以及通信网络实现信息交互与传输,从而实现对储能系统的监测、运行控制以及能量管理。针对分布式储能系统的不同应用场景以及需求,储能监控系统基于储能系统中电池、双向变流器等配套设备的运行状态,实时控制各储能变流器的充放电功率并优化管理储能电池系统充放电能量,不仅实现电池储能系统在各种场景下的应用目标,并可实现电池系统的优化调度管理,有效减缓电池劣化,实现储能系统高效、安全、可靠、经济运行。储能监控系统的设计需要遵循IEC 61850标准,能够完成实时监控和高效控制的功能,提高储能系统运行的稳定性,主要环节包括信息采集、状态监测、远程控制、人机交互等[33-35]。储能监控系统拓扑结构见图5。
图5 储能监控系统拓扑结构
由于国情不同、电网的生产运营方式不同以及高昂的价格,国外的监控系统很难在国内推广应用。考虑到今后储能监控技术与需求的发展,实现先进的优化控制调度,开发具有自主知识产权适用于多点布局中小规模分布式工程的低成本储能监控系统势在必行。
3.3 多点布局储能系统协调控制设备
多源协调控制根据分布式电源、负载类型以及配电网不同的工作模式,通过主从控制、对等控制以及其他相关控制策略,抑制因各节点电压差产生的环流和控制直流母线电压的稳定,实现配电网中的各供电电源的协调控制。常用的控制技术包括多代理系统的直流电压稳定控制策略、电压分层协调控制策略、基于动态虚拟惯量的分布式电源控制等。对于离网运行的工况而言,多台储能逆变器并联运行时,需要为整个微网系统提供稳定的电压频率支撑,但逆变器等效输出阻抗和线路阻抗的差异会造成功率分配不均以及环流过大等问题,从而导致整个微网系统的不稳定。P-U、Q-f下垂控制策略可以解决功率在多台储能逆变器之间的分配问题。针对逆变器间的环流,可以增加虚拟阻抗技术,使变流器等效输出阻抗呈现阻性,从而抑制环流;对于不同电池系统,其荷电状态不同,可以施加功率控制外环,根据电池系统的荷电状态合理分配功率,从而实现多台逆变器离网状态下的协调控制[20,36-37]。下垂控制适用于本地多逆变器离网的并联控制,对于配电网中分布式储能而言,往往是并网运行,且分布在不同节点上。对于广域布局分布式储能系统的协调控制设备的研制,需要遵循IEC 61850通信标准建立储能系统的扩展信息模型,实现不同节点储能系统的通信与数据共享,并以最优电能质量指标或最大经济效益为目标编写控制软件,实现广域布局分布式储能系统的协调控制[38-39]。除了分布式储能系统之外,文献[40]在分析电动汽车动力电池特性的基础上提出了电动汽车分布式储能的概念。在满足电池约束、电网约束和车主约束的基础上提出了电动汽车分布式储能的控制策略。
目前,国际上的分布式储能协调控制设备研发也处在刚刚起步的过程,如德国能源供应公司SENEC.IES,目前有2000个用户参与到他们的‘Economic Grid’计划中,家庭用户安装“双向能源管理系统”(简称BEMI),每15 min储存用户用电数据,记录用户用电习惯,当电价发生变动时,BEMI通过控制分布式储能系统来调控用电时间和用电量。目前国内尚没有分布式储能相关产品,主要是借用微网控制器实现类似功能,然而微网控制器多用于本地控制,很少涉及到广域多点调度相关功能,同时微网控制器缺乏对电池储能系统在线检测、充放电优化控制和保护的相关功能,难以实现对于分布式储能系统的全面控制和优化。
