● 湖南大學電氣與信息工程學院 李欣然

風電和太陽能光伏發(fā)電等具有間歇性和隨機波動性的清潔可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，導致電網(wǎng)面臨諸如調(diào)峰和調(diào)頻壓力增大、電壓波動頻繁、日常調(diào)度計劃管理困難等一些列問題，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，也由于旋轉(zhuǎn)備用增大等原因影響電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。在某些運行方式下，電網(wǎng)為保證其安全穩(wěn)定運行，不得不限制風電場和光伏電站的出力，造成棄風、棄光，嚴重制約了風電、光伏發(fā)電的消納能力。

具有快速、精準調(diào)節(jié)能力的電池儲能相對其他類型的儲能擁有能量密度高、選址限制因素少、功率吞吐靈活、能量損耗小等優(yōu)點，不僅能有效提高電網(wǎng)消納風光發(fā)電并網(wǎng)的能力，而且可以成為電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)的輔助服務(wù)資源。近年來，隨著電化學儲能技術(shù)的發(fā)展與成本降低以及新能源裝機容量的快速增長，電池儲能技術(shù)開始在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用等各環(huán)節(jié)中逐漸推廣應(yīng)用。

1 電池儲能的主要技術(shù)特點

電池儲能是利用電化學反應(yīng)實現(xiàn)電能與化學能之間相互轉(zhuǎn)換的儲能技術(shù)，也是目前發(fā)展最迅猛的儲能技術(shù)。電池儲能主要包含鋰離子、鉛酸、鈉硫、液流電池儲能等，它們具有高效率、應(yīng)用靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，逐漸在電力儲能市場占有越來越重要的地位?？偟膩碚f，電池儲能技術(shù)比較成熟，是目前大規(guī)模儲能領(lǐng)域的主要研究和應(yīng)用方向。各類主要電池儲能的主要技術(shù)指標比較如表 1。

表1 各類主要電池儲能技術(shù)對比

2 規(guī)模化電池儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場景

將電池儲能配置在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用等各個環(huán)節(jié)，在不同的應(yīng)用場景下可以發(fā)揮不同的作用。

2.1 在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用

（1）平抑風光等新能源出力波動。將儲能系統(tǒng)與光伏、風電等波動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。

（2）增強可再生能源的可調(diào)度性。將儲能系統(tǒng)與可再生能源有效加以集成，對電網(wǎng)而言形成一個統(tǒng)一的單元，在充分利用可再生能源的同時，利用儲能系統(tǒng)的充放電特性，實現(xiàn)在一定時間上輸出總功率的調(diào)節(jié)，進而使其具備一定程度的可調(diào)度性。

2.2 在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用

（1）應(yīng)用于調(diào)峰和削峰填谷。利用規(guī)?；姵貎δ茈娬竟β?能量的時空搬運能力，參與調(diào)峰與削峰填谷，可以有效降低電網(wǎng)峰谷差，由此將產(chǎn)生多重效益；可以有效緩解負荷高峰期電網(wǎng)供電能力不足的問題；可以緩解或替代輸電通道與變電站的增容擴容建設(shè)；可以有效優(yōu)化全網(wǎng)負荷特性，提高設(shè)備利用率；能夠緩解和降低傳統(tǒng)機組的調(diào)峰壓力，降低機組調(diào)峰成本。

（2）應(yīng)用于輔助暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平。電池儲能電站是一種優(yōu)質(zhì)的暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制資源，能顯著提高電網(wǎng)暫態(tài)安全穩(wěn)定水平。當配置于電網(wǎng)受端（負荷中心），可以在嚴重大擾動時提供緊急動態(tài)無功支持，以快速恢復受端電壓從而提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；或提供緊急有功支援以緩解受端機組減速、減少切負荷量，提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性。當配置于主力電廠/機組附近，可以在嚴重大擾動時快速吸收剩余功率/能量，起到電氣制動作用，緩解機組加速，提高暫態(tài)同步穩(wěn)定性。

（3）應(yīng)用于提高電網(wǎng)清潔能源發(fā)電并網(wǎng)的消納能力。對于小水電和風電富集地區(qū)，清潔能源發(fā)電通常在中、低壓配網(wǎng)以分散分布的方式并網(wǎng)（包括中、低壓并網(wǎng)的徑流式小水電和迅猛增長的風電和光伏發(fā)電）且間歇性波動特征顯著，出力波動大且尖峰出力持續(xù)時間短。由于10～110kV中、高壓配網(wǎng)網(wǎng)架薄弱，尖峰出力情況下送出困難，分散的分布式清潔能源發(fā)電的棄電現(xiàn)象嚴重。盡管可以通過加強10～110kV中、高壓送出通道建設(shè)解決棄電問題，但設(shè)備利用率低、投資效益差。通過配置電池儲能電站，既可以有效解決棄電問題，提高分散分布式清潔能源發(fā)電并網(wǎng)的消納能力，也可以緩解甚至替代中、高壓送出通道建設(shè)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，提高設(shè)備利用率，還可以有效平抑并網(wǎng)點功率波動，有效減小變電站的電壓調(diào)節(jié)壓力和變電容量配置，提高110kV及220kV變電設(shè)備利用率。

（4）應(yīng)用于調(diào)頻調(diào)壓等輔助服務(wù)。由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素導致的負荷特性變化以及由于風光發(fā)電并網(wǎng)迅速增長導致的電源結(jié)構(gòu)變化，電網(wǎng)等效負荷呈現(xiàn)短期變動加劇的趨勢，電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓能力已難滿足源、荷結(jié)構(gòu)急劇變化的要求。電池儲能電站作為一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻、調(diào)壓資源，可以有效輔助電網(wǎng)的快速調(diào)頻、調(diào)壓，顯著提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和運行的靈活性。研究表明，電池儲能輔助一次調(diào)頻的額定容量（功率）需求僅為水/火電機組一次調(diào)頻備用容量的1/10～1/30，且對負荷變化的跟蹤速度可達秒級；輔助二次調(diào)頻（AGC）的所需容量只有水/火電機組的1/2～1/20。由此可見，電池儲能輔助電網(wǎng)調(diào)頻可以顯著減小調(diào)頻備用，提高機組利用效率；可以減少常規(guī)機組由于頻繁調(diào)頻帶來的損耗，提高機組壽命，降低運行維護成本；可以顯著改善暫態(tài)頻率質(zhì)量，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。電池儲能電站應(yīng)用于輔助調(diào)壓更具有可觀的潛在效益——無論應(yīng)用于正常調(diào)壓還是動態(tài)無功支撐，理論上只占有PCS容量而不消耗電池的儲存能量（SOC），因此當電網(wǎng)呈現(xiàn)出以電壓問題為主導性的運行狀態(tài)時，利用電池儲能電站輔助調(diào)壓（包括動態(tài)無功支撐），完全不影響其在其它應(yīng)用場景下的作用，有效拓展了儲能電站的應(yīng)用空間，提高了其利用效率，而且因其響應(yīng)的快速性，可以顯著改善暫態(tài)電壓質(zhì)量。

2.3 儲能在用戶側(cè)的應(yīng)用

（1）主動需求響應(yīng)。電池儲能電站實施主體為用戶或者第三方投資方時，可以節(jié)省電費、最大限度套利為目標，通過在電價低時充電和電價高時放電，以參與需求響應(yīng)的形式幫助用戶在不改變用電習慣的情況下進行錯峰用電，從而降低購電費用。對于電網(wǎng)而言，可以實現(xiàn)削峰填谷，顯著提高電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率，延緩系統(tǒng)改擴建，降低系統(tǒng)損耗，因而具有多方面的經(jīng)濟性。

（2）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)用可能會造成用戶的電能質(zhì)量問題。在用戶側(cè)接入分布式儲能系統(tǒng)，能快速響應(yīng)系統(tǒng)中各種擾動，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。

（3）備用電源。為防止電力系統(tǒng)的重要用戶在電網(wǎng)故障或停電時的經(jīng)濟損失，通過配置一定容量的電池儲能電站作為應(yīng)急電源或不間斷電源（UPS），在停電時確保重要負荷供電，可有效提高供電可靠性。

3 結(jié)束語

大規(guī)模電池儲能技術(shù)是提高清潔能源發(fā)電并網(wǎng)消納能力和電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行調(diào)度靈活性的有效手段，大規(guī)模電池儲能電站的并網(wǎng)運行必將改變電網(wǎng)的電源與負荷特性。結(jié)合具體電網(wǎng)的實際情況，研究大規(guī)模儲能電站在電力系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用場景及其規(guī)劃、調(diào)度控制和運維管理等方面理論方法與實用技術(shù)，將成為電力系統(tǒng)分析與控制領(lǐng)域重要的研究方向。