储能联合可再生能源分布式并网发电关键技术研究

2016-05-30李珂

科技尚品 2016年7期

李珂

摘要：如今，能源紧缺和环境污染已经成为一个世界性课题，为了应对能源危机、保护人类赖以生存的自然环境，越来越多的国家开始探寻绿色、清洁的可再生能源或能源替代品。分布式可再生能源发电是当前储能在电力系统应用的热点领域，开展储能联合可再生能源分布式并网发电研究，将为新形势下可再生能源分布式并网实践，提供完善有效的理论依据和技术支撑。本文主要针对分布式发电领域中储能的技术应用问题进行分析，并探讨了关于储能与分布式可再生能源发电设备一体化、功能多元化和发挥汇聚效应等发展应用趋势，可以预见，以储能作为核心承载的多能互补技术和互动技术，将会成为未来储能在能源互联网中应用的重要体现。

关键词：储能；可再生能源；分布式并网发电；关键技术

1 前言

随着世界各国经济的不断发展，对能源的需求日益加大，过度的能源开发和利用，导致了一系列问题的产生，如能源短缺、环境破坏、大气污染等。尤其是能源短缺问题，现已成为一个全球性课题。风电、光伏发电等可再生能源发电技术，为解决能源短缺问题提供了新的支撑，现在，世界上已有不少国家都开始重点发展可再生能源发电产业。在“十二五”期间，随着新能源技术的不断发展和完善，我国光伏发电和风电发展态势良好，可再生能源发电呈现大规模集中开发、远距离送出的局面。根据国家统计数据，截至2014年年底，全国光伏发电累计并网装机容量同比增长60%，已经达到2805万kW，其中，光伏电站2338万kW，分布式光伏发电467万kW。年度发电量同比增长超过200%，平均达到250亿kW·h；新增并网光伏发电容量1060万kW，在全世界占比达25%，其中，新增光伏电站855万kW，分布式光伏发电205万kW。目前，我国已经超过欧美，成为世界第一风电大国，风电装机规模与风电设备制造均位居全球首位，而国家电网也成为世界上接入风险规模最大、发电增长速度最快的电网。欧美发达国家发展风电等项目，主要是为了应对全球气候变暖和减少温室气体排放，其风电场规模往往比较小，所发电能主要是就地接入配电网进行消纳。例如，德国风电电量在全国总用电量中接近20%，风电场装机容量一般不超过50MW，主要连接到6～36kV或110kV配电网。而丹麦的风电发电量大约有86.7%接入20kV或更低电压等级配电网，不过，约有超过10%的大型近海风电场直接接入132～150kV配电网。我国发展风电项目主要是用于社会用电，以提高电力生产效率，降低电力生产和运输成本，实现风电强国的建设目标。现在，我国学术界已经针对储能在规模化集中式可再生能源发电并网应用，展开了全面而深入的研究，并取得了良好的效果。但是，在分布式接入方式方面的研究则比较欠缺。鉴于此，本文研究储能联合可再生能源分布式并网发电关键技术，将具有重要的理论与现实意义。

2 储能在分布式可再生能源发电中的作用

分布式可再生能源发电可谓是第三次工业革命的重要特点，而储能作为五大支柱技术之一，在分布式电源接入以及多种能源互联中，将起到举足轻重的作用。储能是指电能的储存，大力发展储能产业，有利于提高能源利用率，达到节能减排的目的，充分满足经济发展所需。随着大量分布式可再生能源发电接入配电网，在很大程度上会改变配电网的潮流和电压分布，进而影响电力系统电压稳定性和电能质量。由于当前现有的配电网结构和控制水平相对不高，电压分布、故障水平以及设备容量有限，配电网还无法很好地接纳更多分布式可再生能源发电。同时，由于接入分布式可再生能源发电后，用户侧单一负荷消耗的属性也会发生一定程度的改变，為了促进本地新能源发电的接入和有效利用，用户必须与电网进行完善、深入的互动。基于这个原因，如何使可再生能源发电更好地契合用户用能形式与需求，也是清洁能源应用过程中，亟须解决的重要课题之一。为了解决因大量分布式可再生能源发电接入所带来的一系列问题，如配电网运行管理问题、多能源互补利用、用户与电网之间的互动问题等，就必须增强配电网的管理能力，确保电力供应灵活多变，以便更好地满足电力用户多元化需求。在分布式能源接入中，储能的重要作用如下：

（1）加强配电网潮流、电压控制能力，使配电网能较好地接纳分布式发电。

（2）对分布式可再生能源发电功率波动进行合理调节，以避免对电能质量产生较大的负面影响。

（3）能有效调节电网功率和能量，优化配电网资源配置，促进配电设施利用效率达到最优化，从而避免配电网过早进行改造升级。

（4）增强参与智能微电网能量优化管理的能力，实现借助可再生能源发电促进智能微电网经济发展的目标。

（5）储能技术能够较好地解决新能源发电中存在的随机性、波动性问题，实现电能平滑输出，并对新能源发电导致的电网电压、频率及相位进行合理调整，借助这一优势，其将成为多能源互补和综合利用的优质媒介。

3 国内外研究状况及示范工程

3.1 国内外研究状况

3.1.1 储能在削峰填谷中的技术应用

储能的优势非常显著，既能有效调整分布式发电接入导致的用电负荷波动，也能提高设备利用率，延缓配电网设备及容量升级的时间，更重要的是能利用峰谷电价差来提高电网运行效益。鲍冠南等人在电池储能系统削峰填谷实时优化研究基础上，提出一种基于动态规划的控制对策。利用这种对策，就能将非连续约束条件引入优化模型中，然后，再借助电池电量离散化等方法，对充放电次数和放电深度限制等非连续约束进行优化。修晓青等人重点研究了电网削峰填谷的储能系统容量配置，并对其应用的价值与经济性，进行了科学评估。在其研究中，充分考量了储能系统充放电平衡约束、循环寿命等因素，探讨了储能在电网负荷削峰填谷的应用策略，建立起储能投资经济性评级数学模型。

3.1.2 储能在分布式可再生能源发电预测出力中的技术应用

由于分布式可再生能源发电具有随机性，而且会产生较大的波动，因而会给配电网潮流和电压控制带来很大影响。储能还具有快速储电和放电的特征，利用这一点，将对分布式可再生能源发电预测出力进行快速、高效的跟踪。林少伯等在《基于随机预测误差的分布式光伏配网储能系统容量配置方法》研究中，利用统计学方法，对光伏出力短期预测误差和负荷短期预测误差概率，进行了科学的统计和分析，发现了其中存在的规律，并在此研究基础上，通过区间估计获得了可靠的储能设备容量配置函数。

3.1.3 储能在配电网电能质量提升中的技术应用

陈奕等人通过建模，研究了蓄电池/超级电容器混合储能系统，对于配电网电能质量改善的积极作用。在研究中，他们将混合储能系统接入配电网中，然后利用控制策略，对其有功功率和无功功率进行双向调节，从而抑制了其负载波动，稳定了电压并提高了电能质量。王云玲等人将超级电容器作为调节器，建立了储能元件的并联型主电路拓扑结构，应用电压源型变换器实现DC/AC变换，从而有效消除了在不对称负载时，所产生的电源电压的暂降、不对称和闪变等问题。

3.2 国内外示范工程

国外对于储能系统联合分布式可再生能源发电的研究，开展相对较早，其示范工程的数量也相对较多，具有代表性的工程见表1所示。而我国研究实践的重点则在储能结合分布式可再生能源发电方面，对电化学储能示范应用的实证研究较多，具有代表性的典型工程见表2所示。

根据国内外研究与示范工程应用情况可知，储能的关键技术应用主要集中在如下几个层面。

3.2.1 利用储能优化分布式可再生能源发电接入

例如，在日美合作的智能电网项目中，将储能用来控制配电网功率潮流，结果表明，其能大幅提升高渗透分布式发电配电网运行的可靠性和稳定性；而意大利在Puglia变电站项目中，应用1MWx30min的锉离子电池，解决了因接纳新能源发电产生的变压器反向潮流问题，促进了该变电站与上级电网的协调运行；韩国在济州岛建立了风/光/储/柴混合应用项目，通过储能系统的双向功率调节作用，成功实现了多能互补应用和协调控制；山东长岛利用储能平抑风光波动，有效抑制了可再生发电爬坡率，确保了配电网端运行的平稳；浙江舟山海岛的风/光/储/海/柴项目，通过配置多类型储能系统，极大提高了风电场和光伏电站的跟踪、调度能力。

3.2.2 利用储能提高配电网供电能力

美国夏威夷大学智能电网和能量存储示范项目，为降低变压器的高峰负荷，通过在变电站中安装1MW/1MW}h锉离子电池系统，提高了配电网自愈控制能力，以及储能系统在配电网的协同调度。同时，对分布式电源/储能装置/微电网/不同特性用户接入，进行统一监控，从而增强了用户对基于储能技术的新型电能的利用能力；深圳宝清电站通过投运4MW/16MW}h锉离子电池，来调节用电侧的峰谷，实现了配电网侧削峰填谷、调频、调压和孤岛运行等，获得了良好的经济效益；福建在负荷用电管理中引入移动式储能，利用储能对有功功率和无功功率进行快速调节，确保了用电侧的动态稳定，提高了配电网运行的安全性和可靠性；中新天津生态城在用电侧电能管理，充分发挥储能系统的积极作用，并将负荷进行细分，分为不可控负荷、可控负荷和可切负荷3种，然后辅以不同功率等级的储能系统，将其分别变为电网中的单独可控单元，以此来满足用户个性化、多元化的用电需求。在可再生能源分布式发电接入配电网中，储能系统能够将电网负荷转变为友好型用电负荷，这样，不仅大大降低了大量分布式电源接入对配电网的影响，也能提高用电灵活互动能力和电能质量，保证配电网运行的安全、平稳、可靠。

3.2.3 利用储能满足多种用能需求

目前，为节约能源，在国内外不少利用分布式发电技术的项目中，开始利用热储能或相变储能，来为用户提供更加舒适的供冷、供热服务。其中，具有代表性的有美国亚利桑那州立大学，该大学设置了3MWx6h的冰蓄冷空调系统，成功实现了节约能源的目的；日本东京电力公司提出“BESSSCADA”，利用车网融合技术（V2G）理念，来统一管控分布在配电网和用户侧的大量储能单元，从而提高了储能能力的规模化应用；我国薛家岛电动汽车工程在储能利用实践中，也采用了V2G理念，其配套充电站能够同时为360辆乘用车电池提供高质量的充电服务。这种规模化储能应用，能有效实现低谷存储电能、高峰释放电能的功能。根据统计，峰谷调节负荷一般可达到7020kW，最高时可达10520kW。

4 储能在分布式可再生能源发电中的应用趋势

在国家节能减排、绿色发展理念及相关政策支持下，风电、光伏发电等新能源发电项目不断创新发展。以风电项目审批为例，2013年，国家发改委批复了华能新能源陕西定边狼尔沟分布式接入风电项目，在此之后，中广核哈密分布式接入风电示范项目也获得国家能源局批复。在此影响下，贵州、云南等其他省也将分布式接入风电开发，纳入了地方发展规划，并紧锣密鼓地提上了日程。

从宏观角度来看，与集中接入方式或微电网技术研究相比，国内关于可再生能源分布式并网应用研究相对较薄弱。在集中式应用方面，国家电网公司早在2009年就已经完成了风/光/储示范工程立項，国内首个风/光/储示范项目也开始在河北张家口张北、尚义施工建设。按照预期计划，2012年3月，项目一期工程已经开始正式投运，其中，包括100MW的风电、40MW的光伏发电及20MW储能项目。根据当前的运行情况，可以看出，储能可以较好地满足光伏发电并网需求，不过，由于受到技术的制约，储能电池的寿命、安全性及经济性还有待于进一步提高。在分布式应用方面，不少国内高校和研究所对此问题，也进行了比较全面和深入的研究，例如，北京交通大学在实验中，通过在光伏发电系统直流侧，放置一定数量的蓄电池储能，结合光伏功率和电网反馈信息，来达到控制储能能量流、平抑波动的目的，并在实践中，应用此研究结果建成10kW光伏储能并网系统；浙江省电力试验研究院基于容量渗透率维度，针对分布式可再生能源进行研究，认为借助负荷转移和储能方式，来提高配电网对光伏的接入能力是可行的。另外，中国科学院、中国电力科学研究院等针对微电网技术进行研究，成果也比较显著。由国家发展和改革委员会与日本NEDO合作的“先进稳定的并网光伏发电微电网系统实证研究项目”，在我国国内首次以合作方式，建立了基于光伏发电的微电网技术综合试验研究平台。储能技术的发展及其在配电网中的应用，二者是密切相关的，而追求储能规模化、安全化、长寿命化和低成本化，则成为储能研究的终极目标。随着科学技术的不断发展，分布式可再生能源发电理论研究和实践应用也日趋完善，在智能电网建设背景下，未来储能联合可再生能源分布式并网发电，将呈现出如下几种趋势。

4.1 储能与可再生能源发电优势特性进一步互补

储能系统具有双向功率调节特性，能够对风电、光伏等新能源发电进行科学调节，实现电能平滑输出，从而有助于提高配电网对分布式可再生能源规模化接入的接纳能力，以及电网系统安全、可靠的运行能力。

4.2 储能系统功能由单一化趋向多元化

随着科技的发展进步，储能功能将变得越来越丰富多元，其作用时间可从秒级提升到小时级，而且，原来比较单一的时间尺度功能，也会不断向多种时间尺度功能进步，从而实现储能功效最大化。

4.3 分布式储能系统会提速终端用户用电方式多元化

如今，清洁、优质的电力能源已得到日益广泛的应用，用户的用电需求也相应地变得更加多元化，利用储能技术，可以实现不同电压等级及交流电、直流电用户共存和智能交互。

4.4 分布式储能系统汇聚效应将进一步得到发挥

在电动汽车V2G运行模式中，储能系统汇聚效应已显而易见，未来，在新能源接入、用户互动等方面，分布式储能系统的聚合作用，将毋庸置疑地更加显现。

4.5 储能支撑多能融合效应更加凸显

由于储能突出的优势，在多能互补和综合利用中，成为不可或缺的媒介，未来将在提高用户侧综合能效和减少污染物排放中，发挥着举足轻重的作用。

5 结束语

随着分布式可再生能源发电的大量接入，储能系统的作用将更加凸显，其功能将由实现可再生能源发电友好接入，转变为以能源互联为导向接纳，同时，能实现多能互补、双向互动，而其经济效益和社会效益也将会在项目实践中更加可观地显现。