1.分布式电能存储技术的特点及发展情况
分布式电能存储设备的功率从几千瓦至几兆瓦不等, 储能容量一般小于10 MW˙h, 多接入中低压配电网或用户侧。从能量储存形式看, 分布式电能存储技术可分为机械储能、电磁储能、化学储能等。若按照能量存储和释放的外部特征划分, 又可分为功率型和能量型2种。前者适用于短时间内对功率需求较高的场合, 如改善电能质量、提供快速功率支撑等; 后者适用于对能量需求较高的场合, 需要储能设备提供较长时间的电能支撑。功率型储能响应迅速、功率密度较大, 包括超级电容、飞轮储能、超导储能等。能量型储能具有较高的能量存储密度, 充放电时间较长, 包括压缩空气储能、钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池等。各种分布式电能存储技术的发展水平不同, 成本也有明显差异, 在效率、寿命、功率/能量密度等方面具有不同特点。采用混合储能形式, 将不同性能的储能系统进行组合, 可充分发挥不同储能技术的优势, 以满足功率和能量等多方面的需求, 这将是未来分布式电能存储技术的发展和应用的趋势之一。
2.分布式电能存储系统的应用场景
分布式电能存储系统(DESS)的应用涉及配用电系统中的各个环节, 与大规模、集中式的储能电站相比, 分布式电能存储系统对接入位置的环境条件限制较少, 接入电网的方式更加灵活, 在配电网、微电网、分布式电源侧, 以及用户侧都可以发挥独特的作用。
2.1在配电系统中的应用
参与系统调峰。利用分布式电能存储系统在高峰负荷时放电, 在低谷负荷时充电, 可有效实现负荷的削峰填谷。其效果可体现在如下3个方面: ①缓解电网功率阻塞; ②延缓配电网升级改造; ③降低网络能量损耗。
参与系统频率调节。分布式电能存储系统具有响应速度快、输出功率控制精度高等特点, 十分符合电网调频的需求。与传统调频电源相比, 分布式电能存储系统具有较为明显的技术优势。随着分布式电能存储系统成本的下降, 在调频服务中也将逐渐显现出其经济性。
参与系统或馈线级调压。大量分布式电源在配电系统中接入, 将直接改变配电网中功率的流动规律, 造成一些节点电压的升高。利用分布式电能存储系统有功功率的调节能力, 可以有效缓解分布式电源接入后的节点电压升高问题, 提高配电网对分布式电源接纳能力。
2.2在改善分布式电源运行特性方面的应用
平滑分布式电源的功率波动。将分布式电能存储系统与光伏发电、风电等波动性分布式电源紧密配合, 利用储能的快速充放电特性平抑这些电源的快速波动, 可在一定时间尺度上(分钟至小时级)实现输出功率的平滑, 显著提高这些电源的功率输出品质, 降低其对系统的影响。
实现分布式电源端节点电压控制。将分布式电源直接与储能系统相配合, 对分布式电源的端电压实现有效控制, 在馈线中一定比例的分布式电源上采用这样的手段, 完全可以克服馈线节点电压升高问题。该方案不会随分布式电源的接入改变系统运行或控制策略, 能够实现“即插即用”。
增强分布式电源的功率可调度性。将分布式电能存储系统与风电和光伏发电等分布式电源有效加以集成, 对电网而言形成一个统一的单元, 实现在一定时间尺度(分钟至小时级)上输出总功率的调节, 进而使其具备一定程度的可调度性。
2.3在微电网中的应用
实现联络线功率控制。微电网联网运行时, 微电网与配电网间联络线功率的波动可能对配电网产生较大的影响。通过对微电网中分布式电能存储系统的控制, 能将联络线功率的波动控制在一定范围之内。联网运行时, 对配电网而言, 微电网将成为一个可调度的电源(或负荷), 可以利用微电网实现一些电网辅助服务功能, 进而更多地发挥出微电网的技术优势。
支撑系统电压与频率。微电网孤岛运行模式时, 分布式电能存储系统可作为微电网的主电源提供电压和频率支持, 发挥快速响应的特点, 实时平衡微电网中的功率波动, 维持电压和频率稳定。此外, 分布式电能存储系统还可以在微电网运行模式切换时提供暂态功率支撑, 尽可能减小对用户负荷的冲击。
2.4在用户侧的应用
发挥不间断电源作用。分布式电能存储系统由于具有快速响应能力, 可以作为不间断电源(UPS), 在停电时确保重要负荷供电, 提高供电可靠性, 这一模式已经获得广泛应用。
实现需求侧响应。安装在用户侧的分布式电能存储系统, 可用于参与需求侧响应, 帮助用户在不改变用电习惯的情况下进行错峰用电, 降低购电费用。对于电网而言, 错峰用电将会显著提高电网的资产利用率, 延缓系统改扩建, 具有多方面的经济性。
改善电能质量。间歇性的分布式电源和大量电力电子设备的应用可能会造成高次谐波、电压闪变、电压跌落等电能质量问题。在用户侧接入分布式电能存储系统, 能快速响应系统中各种扰动, 有效控制波形畸变率在较小的范围内, 提高用户电能质量。
3.分布式电能存储及成套新技术
3.1分布式电能存储新技术
提高性能和降低成本是分布式电能存储系统未来研发的主要方向, 包括现有储能技术的改进和新型储能技术的研发。美国能源部发布的《2013储能手册》中介绍了多种正在研发和测试阶段的新型储能技术, 其中多种可应用于分布式电能存储系统, 如表1所示。
3.2分布式电能存储系统成套技术
分布式电能存储系统均由多个环节构成, 除储能设备、电力电子并网装置外, 还可能包括储能管理系统, 而后者是电能存储成套技术的关键。储能管理系统能够实时监测储能设备运行状态, 避免使用不当对储能设备造成损害。目前, 国内外针对电池类储能系统的电池管理系统已有许多较为成熟的产品。但是, 不同类型储能的荷电状态、健康状态、寿命等与自身特性密切相关, 各种算法适用的储能类型不尽相同, 精度水平参差不齐。随着各种新型储能技术的发展, 需要适应性更强、更加精确的荷电状态等参数的估算方法。
4.分布式电能存储系统协调控制与优化运行
4.1分布式电能存储系统协调控制
分布式电能存储系统在很多应用场景下需要与其他分布式电源协调运行, 多种分布式电能存储系统间也需要协调运行, 共同实现既定的控制目标。分布式电能存储系统的协调控制可以划分为3个层次, 如图1所示。
1)设备级协调控制。一般为混合储能系统间或储能与分布式电源间的协调控制。
2)微电网级协调控制。微电网中多个分布式电能存储系统间的协调控制主要采用分层控制的方式, 通过微电网中央控制器(MGCC)对各储能控制器下达控制指令, 协调各分布式电能存储系统的运行。
3)广域协调控制。对于在地理位置上分布较广的分布式电能存储系统, 无法直接采用微电网模式进行管理和控制, 需通过配网调度或者虚拟电厂(VPP)技术。此时的协调控制需涵盖多个微电网以及微电网覆盖范围以外的分布式电能存储系统, 进而实现广域协调控制。
4.2分布式电能存储系统优化运行
分布式电能存储系统的优化运行往往不能单独考虑, 需要将其置于一个系统中, 综合考虑整个系统的能量管理策略, 同时兼顾储能容量、放电深度、循环寿命等限制。按照分布式电能存储系统的应用场合不同, 可分为以下几个层次: ①家庭能量管理; ②分布式发电系统优化调度; ③微电网能量管理; ④配电网能量管理。
目前, 相关研究大多只考虑某一层次的能量管理, 针对储能在特定场景的应用对其进行调度。如何统筹考虑不同能量管理层次中分布式电能存储系统的应用, 发挥储能系统的应用潜能, 仍有待进一步研究。
5.分布式电能存储系统的优化规划设计
针对不同的应用场景, 分布式电能存储系统的规划设计可能会偏重于不同的方面, 采用的目标函数各异。多数研究以分布式电能存储系统为运营商和用户带来的经济收益最大、节省成本最多为目标函数, 在不同应用场景的规划设计中, 约束条件基本大同小异。特别值得指出的是, 以下两点需要在规划设计时综合加以考虑。
1)全面评估分布式电能存储系统的效益。分布式电能存储系统相关规划设计研究多针对某种或某几种具体的应用场景, 以主要的利益为目标进行规划。如何全面考虑分布式电能存储系统的经济价值、社会效益, 有待进一步研究。
2)大量分布式电能存储系统接入后对电价的影响。当系统中大量接入分布式电能存储系统, 并使之参与需求侧响应时, 可能会对峰谷电价产生较大的影响。在考虑分布式电能存储系统规划设计方案的同时也应加强电网中储能系统规模的全局性规划研究。
6.市场与政策对分布式电能存储系统应用的影响
6.1电力市场
分布式电能存储系统的应用前景虽然广阔, 但尚未真正形成成熟的商业模式。分布式电能存储系统在电网各环节的应用都具备潜在的盈利机会, 但其能否完全商业化运营, 还取决于电力市场的发展水平和完善程度。在欧美等电力市场发展较早的国家, 峰谷分时电价机制, 以及辅助服务市场的存在, 使得储能系统为其所有者带来收益成为可能。一旦经济性获得保障, 分布式电能存储技术有望获得极大的商业化推广。在国内, 电力市场尚未全面实行, 在现行的电价机制下, 储能系统的获利空间收到了很大的约束。
6.2政策
国家政策的扶植是促进储能技术成熟, 推动储能产业发展最有效、最实际的方式。美国作为储能技术发展较早, 水平最高的国家之一, 其储能技术的快速发展与政府政策的支持密不可分。美国的储能政策主要涵盖了5个方面, 包括: 储能技术产业发展规划、储能技术示范项目财政支持、储能系统电价支持、储能系统安装税收减免和储能系统配置比例要求等, 从技术、应用、市场等角度给予了储能技术发展的多方面支持。中国专门针对储能技术的政策和规划尚不多见, 但在“十二五”期间颁布的一系列有关可再生能源并网、智能电网、分布式发电与微电网、电动汽车等领域的政策, 将间接对储能技术发展提供重要的支持。
7.结语
目前, 分布式电能存储系统的发展仍处于起步阶段, 目前限制分布式电能存储系统推广的最大瓶颈还是其高昂的成本, 如何发挥分布式电能存储系统的最大效益仍是未来需要重点研究的问题, 需要从多个层面进行考虑。
分布式电能存储技术的发展不仅要从储能技术本身出发, 不断提高性能、降低成本, 还要从其成套技术、协调控制、优化运行、规划设计等角度开展深入细致的工作, 以提高分布式电能存储系统的利用效率, 充分发挥其应用价值。同时, 也要从市场和政策的层面引导和扶持储能产业的发展。
