任子俊,曲小慧,王敏之,陳國劍

(東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著世界能源需求的持續(xù)增加,傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)難以滿足現(xiàn)代社會的綠色生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展需求,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實施減污降碳成為滿足我國經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的迫切需要?！半p碳戰(zhàn)略”的提出和《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的制定明確了我國以新能源發(fā)電為主體的新型電力系統(tǒng)的發(fā)展方向,推動了電力系統(tǒng)向“三高”,發(fā)電側(cè)新能源比例高、配電側(cè)電力電子化程度高與負載側(cè)用能自由度高的態(tài)勢演化。大力開發(fā)新能源,加快風能、太陽能等可再生能源的并網(wǎng)消納,成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的首要任務[1-4]。截至2023年上半年,全國可再生能源發(fā)電量達1.34萬億千瓦時,其中,風電光伏發(fā)電量達7 291億千瓦時,同比增長23.5%[5]。

風電和光伏等新能源具有強波動性和強隨機性,并受季節(jié)和日夜變化的影響[6],隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高,新型電力系統(tǒng)的不確定性、非線性及復雜性增強,新能源與負載之間雙側(cè)不確定性和供需不匹配問題顯著[7]。另外,由于新能源發(fā)電側(cè)的能量轉(zhuǎn)化裝置需要采用電力電子變流器,配電側(cè)的變壓變頻與功率傳輸控制也大量采用電力電子變流器,負載側(cè)亦廣泛接入了采用電力電子器件進行電能變換的有源負載[8-10]。新型電力系統(tǒng)的動態(tài)特性正發(fā)生深刻變化,由同步機主導的機電暫態(tài)過程逐步過渡到由電力電子控制主導的類機電-電磁耦合暫態(tài)過程[11],傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與新型電力系統(tǒng)的對比如表1所示。新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出電網(wǎng)強度弱、慣性低、抗干擾能力弱以及寬頻帶響應等問題[12-16],這對電力系統(tǒng)的功率能量平衡和安全穩(wěn)定控制提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[17]。在控制層面容易出現(xiàn)暫態(tài)電壓不穩(wěn)定、系統(tǒng)頻率特征復雜等問題,在運行調(diào)度層面存在“棄風棄光”現(xiàn)象嚴重以及調(diào)度靈活性不足等問題,當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,頻率、電壓波動較大,容易引發(fā)新能源發(fā)電機組脫網(wǎng)等問題[18-20]。

表1 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)對比

由此可見,新型電力系統(tǒng)在短時間尺度的功率平衡與穩(wěn)定控制、中長時間尺度的運行調(diào)度與能量優(yōu)化以及故障狀態(tài)下的系統(tǒng)支撐與故障穿越等方面均存在較大風險,亟需接入能在較寬時間尺度范圍內(nèi)響應系統(tǒng)需求的設備。儲能設備能夠?qū)⒂秒姷凸葧r段的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量進行存儲,并在用電高峰時段或其他必要時刻再將儲存的能量轉(zhuǎn)化成電能,可以滿足新型電力系統(tǒng)多時間尺度內(nèi)功率能量平衡和安全穩(wěn)定運行的需求。從現(xiàn)有技術(shù)來看,按照能量儲存形式進行分類,可將電力系統(tǒng)中常見的儲能分為機械儲能(抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等)、化學儲能(氫儲能等)、電磁儲能(超級電容儲能、超導儲能等)和電化學儲能(鋰電池儲能、鉛酸電池儲能等)[21-24]。不同儲能方式的技術(shù)特征不同,因此適用場景也不同,體現(xiàn)儲能特征的技術(shù)參數(shù)主要有:1)配置容量、額定功率和放電時長,主要體現(xiàn)儲能的應用規(guī)模大小;2)動態(tài)響應時間,主要體現(xiàn)儲能設備從接受指令到首次達到額定功率運行的時間;3)能量循環(huán)效率,主要體現(xiàn)儲能裝置存儲/釋放能量過程中的電能利用率。表2總結(jié)了不同儲能方式的關鍵技術(shù)參數(shù)及一般適用場景。

表2 不同儲能技術(shù)對比分析

多樣化儲能技術(shù)在不同電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)劃及運行調(diào)度的電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,極大改善了新型電力系統(tǒng)的動態(tài)特性和運行穩(wěn)定性,其中,電化學儲能技術(shù)在千瓦級至兆瓦級儲能裝備中有著其他儲能方式不可比擬的優(yōu)勢[25],加上近幾年分布式微電網(wǎng)和電動汽車的蓬勃發(fā)展,電化學儲能成為目前發(fā)展最快、應用最廣的儲能技術(shù)。基于上述情況,本文對電化學儲能的關鍵技術(shù)及其應用功能進行綜述和展望,首先分析新型電力系統(tǒng)的發(fā)展與挑戰(zhàn);然后根據(jù)新型電力系統(tǒng)的需求梳理電化學儲能的特點和發(fā)展情況;進一步分析電化學儲能在新型電力系統(tǒng)中的應用技術(shù);最后對電化學儲能在新型電力系統(tǒng)中的應用前景進行展望,為利用電化學儲能應對新型電力系統(tǒng)的多場景需求及關鍵技術(shù)挑戰(zhàn)提供支撐。

1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展及挑戰(zhàn)

1.1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

新型電力系統(tǒng)是清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的重要組成部分,在“碳達峰、碳中和”目標下,構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為建設新型能源體系的關鍵內(nèi)容和重要載體[26]。當前,我國電力系統(tǒng)正向清潔低碳、安全可控、靈活高效、開放互動、智能友好的新型電力系統(tǒng)演進[27]?！笆奈濉逼陂g,我國大力推進風電、光伏等新能源供給消納體系建設,一方面,持續(xù)完善發(fā)電裝置與輸電網(wǎng)架的建設,支撐和促進大型電源基地集約化開發(fā)、沙戈荒及遠海等遠距離發(fā)電基地電能外送;另一方面,加快建設現(xiàn)代智慧配電網(wǎng),促進微電網(wǎng)和分布式能源發(fā)展,滿足各類電力設施便捷接入[28-30]。

《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》提出,制定新型電力系統(tǒng)“三步走”發(fā)展路徑,即加速轉(zhuǎn)型期(當前至2030年)、總體形成期(2030年至2045年)、鞏固完善期(2045年至2060年),有計劃、分步驟推進新型電力系統(tǒng)建設。目前我國電力系統(tǒng)清潔能源發(fā)電裝機容量、遠距離輸電能力、電網(wǎng)規(guī)模等指標均穩(wěn)居世界第一。截至2022年底,非化石能源裝機規(guī)模達12.7億千瓦,占總裝機的49%,超過煤電裝機規(guī)模(11.2億千瓦)。2022年,非化石能源發(fā)電量達3.1萬億千瓦時,占總發(fā)電量的36%。其中,風電、光伏發(fā)電裝機規(guī)模7.6億千瓦,占總裝機的30%;風電、光伏發(fā)電量1.2萬億千瓦時,占總發(fā)電量的14%,分別比2010年和2015年提升13%和10%。圖1為我國2013-2022年發(fā)電裝機情況[31]。

圖1 我國2013-2022年發(fā)電裝機情況

1.2 新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)遵循“源隨荷動”的電網(wǎng)平衡模式[32],根據(jù)負荷需求隨時調(diào)整同步機的發(fā)電量,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)慣量較大、具有良好的穩(wěn)定性,同時負載需求可預測,電網(wǎng)運行調(diào)度問題易于解決。隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模不斷擴大,能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進,電網(wǎng)中同步機的數(shù)量不斷減少,新型電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)將以新能源為主體,負荷側(cè)隨機性波動的增加,電力系統(tǒng)的平衡特征和方式正在發(fā)生深刻變化,維持系統(tǒng)平衡的難度不斷加大。電網(wǎng)慣量降低,電壓、頻率調(diào)節(jié)能力減弱,電網(wǎng)不穩(wěn)定風險大幅增加。

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同,新型電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)為高比例新能源,電能變換裝置高度電力電子化同時負載用能有著較高的自由度,新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。新型電力系統(tǒng)的控制由電力電子器件主導,具有快速調(diào)節(jié)和柔性控制的優(yōu)點,同時也存在低慣量、弱抗擾、易發(fā)生寬頻振蕩以及故障穿越能力不足等缺陷,加上新能源發(fā)電的隨機性和波動性問題,多呈現(xiàn)“反調(diào)峰特性”,給電網(wǎng)帶來較大功率能量平衡調(diào)節(jié)的壓力[33]。綜上所述,新型電力系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運行、多時間尺度功率能量平衡以及運行調(diào)度等過程中面臨較大挑戰(zhàn)。

圖2 新型電力系統(tǒng)示意圖

2 電化學儲能特點及發(fā)展情況

隨著清潔能源的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的推進,新型電力系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)明顯,亟需儲能裝置的接入對電力系統(tǒng)的功率能量平衡、穩(wěn)定運行及調(diào)度進行調(diào)節(jié)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同可以將電力系統(tǒng)中常見儲能技術(shù)分為:機械儲能、化學儲能、電磁儲能和電化學儲能等。其中電化學儲能憑借動態(tài)響應速度快、配置靈活等優(yōu)勢成為近年來發(fā)展最快、應用最為廣泛的儲能技術(shù),電化學儲能主要包括鋰電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能等,其中鋰電池具有高能量密度、高循環(huán)效率、配置靈活等優(yōu)點,是目前電化學儲能中最為關鍵的儲能技術(shù)[34]。

2.1 鋰電池儲能的特點

鋰電池儲能具有動態(tài)響應速度快、電壓特性穩(wěn)定、配置靈活、模塊化程度高、建設成本低、高能量密度、高循環(huán)效率、充放電速度快、無記憶效應、自放電速率小等優(yōu)點[35-36],在電動汽車、新型電力系統(tǒng)等領域應用廣泛。近年來,關于鋰電池儲能的研究側(cè)重于新型電極材料和電解質(zhì)開發(fā)、電池成本降低、能量和功率密度提高、循環(huán)使用次數(shù)和壽命延長以及安全性增強等方面[37]。目前,商用鋰電池主要有磷酸鐵鋰和三元鋰電體系[38],磷酸鐵鋰電池的能量密度較低,但優(yōu)勢在于其更高的安全性和較長的壽命;三元鋰電池則具有更高的能量密度和功率輸出,但其安全性和循環(huán)壽命相對較低,需要額外的安全措施和注意。發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)一般有著較大的用地面積,對于儲能裝置的體積重量沒有太多的限制,在鋰電池儲能配置上可以更多地采用具有更高的安全性和較長的循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池;用戶側(cè)則對儲能裝置的體積重量有所限制,一般需要采用能量密度更高的三元鋰電池,通過改變電池的形狀、尺寸和連接方式,可以有效提高電池的體積能量密度和重量能量密度,從而能夠更好地滿足用戶側(cè)的儲能需求。

鋰電池儲能裝置由大量的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成,其中小容量單體在儲能系統(tǒng)的安全性和可控性等方面優(yōu)于大容量單體。對于鋰電池儲能裝置來說,其性能受主要受溫度以及鋰電池單體狀態(tài)的影響,低溫狀態(tài)下,鋰電池內(nèi)部物質(zhì)不夠活躍,導致鋰電池儲能裝置的性能下降;高溫狀態(tài)下,鋰電池內(nèi)部物質(zhì)過于活躍,鋰電池穩(wěn)定性下降,容易引發(fā)儲能裝置安全問題。另外,鋰電池單體之間存在不一致性,即便是同廠家、同批次的電池,其電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)也有一定差異,工作運行一段時間后,其荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)、健康狀態(tài)(State of Health,SOH)、老化狀態(tài)也將發(fā)生不同程度的變化,因此,由大量鋰電池單體組成的電池模塊之間也具有較大的差異性,一定數(shù)量的電池模塊經(jīng)過特定形式的串并聯(lián)構(gòu)成了鋰電池儲能裝置。特別的,隨著電動汽車大范圍持續(xù)增長,在未來將有極大容量的電動汽車用鋰電池流入儲能市場[39],由于不同電動汽車品牌和型號所采用的鋰電池單體規(guī)格、電池包規(guī)模與組裝形式不同,所淘汰下來的二次電池在端口電壓、電池內(nèi)阻、最大充放電功率、SOC、SOH等特性存在明顯差異,這些差異會增加鋰電池儲能應用中的困難。

2.2 鋰電池儲能的發(fā)展

從當前儲能技術(shù)的發(fā)展來看,鋰電池儲能是最接近大規(guī)模商業(yè)化的一種新型儲能技術(shù)。2015年以來,隨著鋰電池儲能系統(tǒng)的制造成本和維護成本不斷下降、儲能設備容量及壽命不斷提高,鋰電儲能開始得到大規(guī)模的應用,成為儲能產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展趨勢和主要動力。2020年,全球鋰電儲能累計裝機量達到13 100 MW,相較于2015年增長27倍,鋰電儲能累計裝機量占總量比例從0.3%迅速提升到6.9%,從新增裝機情況看,2020年全球新增儲能規(guī)模中鋰電儲能占比達到71.5%,已成為市場的絕對主力。2020年中國新增儲能規(guī)模中鋰電儲能占比也接近一半,達到了47.6%,在新增電化學儲能規(guī)模中,鋰電儲能占比達到97.7%?！笆濉睍r期,我國鋰電池儲能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、應用不斷深化,鋰電池儲能產(chǎn)業(yè)開始步入商業(yè)化初期,“十四五”期間,新型電力系統(tǒng)建設的全面推進給儲能產(chǎn)業(yè)和市場創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間,鋰電池儲能迎來了極大的增長。截至2022年底,全國新型儲能裝機中,鋰電池儲能占比94.5%,從2022年新增裝機技術(shù)占比來看,鋰電池儲能占比達94.2%,2023年前三季度中國鋰電池儲能出貨量達到127 GWh,同比上漲44%,鋰電池儲能市場的需求正在持續(xù)增長,鋰電池儲能技術(shù)處于絕對主導地位。圖3為全球2018-2022年電化學(鋰電池)儲能累計裝機規(guī)模[40]。

圖3 2018-2022電化學儲能累計裝機規(guī)模

3 電化學儲能在新型電力系統(tǒng)應用分析

3.1 電化學儲能功率能量平衡應用

由于風電、光伏等新能源具有波動性、間歇性、不可預測性等特點,新型負荷也具有較高的用能自由度,新型電力系統(tǒng)短期隨機不確定因素增多[41],負荷側(cè)和電源側(cè)波動同時加大,給電力系統(tǒng)的短期功率平衡造成威脅,因而對靈活性資源的需求快速增加。電化學儲能兼具功率型和能量型特征,能夠進行快速、精準的功率響應,同時鋰電池具有功率密度高、配置靈活等優(yōu)點,在應對不確定性因素上具有更加靈活的應對能力,因此在新型電力系統(tǒng)儲能配置中越來越多的采用鋰電池儲能的方式。

通過配置一定容量的鋰電池儲能能夠存儲用電低谷期可再生能源棄電量,并在用電高峰期將儲能投入并網(wǎng)輸出能量,鋰電池儲能起到“削峰填谷”的作用,能夠快速平衡電力系統(tǒng)中的功率平衡。由于風機、光伏的大量并網(wǎng),新型電力系統(tǒng)中具有波動性的新能源以及高自由度的新型負荷會在短時間內(nèi)沖擊電力系統(tǒng)功率和能量的平衡,使得儲能裝置循環(huán)頻次較高。傳統(tǒng)火電調(diào)頻速度慢,不能及時平抑波動,鋰電池儲能具有動態(tài)響應速度快、充放電速度快、循環(huán)效率高等優(yōu)勢,在隨機性強的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。電化學儲能在短時間尺度內(nèi)可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、平抑電力波動,不過由于鋰電池儲能受容量和成本的限制,難以應對中長時間尺度內(nèi)新型電力系統(tǒng)能量平衡問題[42]。

3.2 電化學儲能主動支撐應用

新型電力系統(tǒng)包含大量新能源發(fā)電單元和電力電子變流器裝置,電力系統(tǒng)的慣量和阻尼特性減弱,依靠同步機旋轉(zhuǎn)軸機械能提供頻率、電壓穩(wěn)定的支撐能力大幅下降。傳統(tǒng)的火電調(diào)頻機組在調(diào)頻穩(wěn)壓的快速性、靈活性和電能質(zhì)量上已經(jīng)難以滿足高比例的新能源和電力電子裝置新型電力系統(tǒng)日益增長的需求。儲能技術(shù)的應用可以有效改善新型電力系統(tǒng)所面臨的功率能量平衡和頻率電壓穩(wěn)定的問題,在眾多儲能技術(shù)中,鋰電池儲能發(fā)展最快、應用最為廣泛。當前,多數(shù)儲能裝置僅發(fā)揮被動支撐性作用,主要包括平衡功率和能量波動、一次調(diào)頻等,其本質(zhì)仍然是采用電流源控制的跟網(wǎng)型儲能,根據(jù)電網(wǎng)需求來輸出相對應的功率,不能從控制上改善新型電力系統(tǒng)的低慣量、弱阻尼特性。

新能源的廣泛接入和同步機的大面積退出,使得新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)強度變?nèi)?頻率和電壓穩(wěn)定性變差,需要加強鋰電池儲能的主動支撐作用,由此產(chǎn)生了構(gòu)網(wǎng)型鋰電池儲能技術(shù)。構(gòu)網(wǎng)型鋰電池儲能能夠發(fā)揮類似同步機組的電壓源支撐作用[43-45],一般通過虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制實現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力,為電網(wǎng)提供一定的慣量和電壓支撐[46-48],在弱網(wǎng)、離網(wǎng)運行的電力系統(tǒng)中能夠顯著提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平。構(gòu)網(wǎng)型電化學儲能通過控制實現(xiàn)電力系統(tǒng)主動支撐作用,因此控制策略與控制參數(shù)的選取對于系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。電化學儲能的主動支撐能力不僅受儲能裝置自身性能(包含容量、電壓、內(nèi)阻、老化程度等因素)的影響,還與并網(wǎng)變流器的控制方式、控制參數(shù)選取有關,在實際應用中需要對儲能系統(tǒng)及控制過程進行優(yōu)化設計[49-50]。

3.3 鋰電池儲能優(yōu)化配置

盡管鋰電池儲能已經(jīng)得到了廣泛應用和全面發(fā)展,鋰電池儲能的經(jīng)濟成本目前仍舊比較高,這也是限制其在電力系統(tǒng)中配置容量和規(guī)?；瘧玫闹饕蛩刂?。在新型電力系統(tǒng)中配置鋰電池儲能,不僅要在平抑頻率、電壓波動方面提出穩(wěn)定可靠的控制策略,亦需要考慮合理配置鋰電池儲能功率和能量等級的優(yōu)化方法,在保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。例如,文獻[51]基于分布式電源系統(tǒng)慣量支撐和一次調(diào)頻的需求,通過引入VSG控制的鋰電池儲能,解決了分布式電源大量接入電網(wǎng)慣量、阻尼缺失及穩(wěn)定性下降問題,考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性提出了一種以元件參數(shù)和控制參數(shù)為基礎的鋰電池儲能優(yōu)化配置方法。具有主動支撐作用的鋰電池儲能優(yōu)化配置流程,如圖4所示。

圖4 鋰電池儲能優(yōu)化配置流程

4 結(jié) 論

新型電力系統(tǒng)由于具有高比例新能源、高度電力電子化變流器和高自由度負荷,系統(tǒng)慣量低、阻尼弱,電網(wǎng)功率能量難以平衡,容易引發(fā)穩(wěn)定性問題。電化學儲能憑借響應速度快、能量密度高、配置靈活等優(yōu)點可以在多時間尺度內(nèi)平衡系統(tǒng)功率能量,在暫態(tài)過程中采用構(gòu)網(wǎng)型控制的鋰電池儲能能夠提供主動頻率和電壓支撐,保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。實際應用中需要根據(jù)新型電力系統(tǒng)需求和經(jīng)濟性指標優(yōu)化配置電化學儲能的功率和容量等級。