虚拟电厂中的储能技术及其作用

潘 华 ，梁作放 ，薛强中 ，孙明旺

（1.上海电力学院经济与管理学院，上海 200090；2.国网山东省电力公司莘县供电公司，山东 聊城 252000）

0 引言

随着经济的快速发展，电力需求不断增加，而化石能源紧缺、环境污染和气候变化等问题也日趋严峻。由于风电、光伏发电等可再生能源具有清洁环保、发电成本低等特点，使其在电力系统中的比重不断上升，但可再生能源的随机性、波动性和间歇性对电力系统的运行造成了巨大挑战，由此导致电力系统结构、运行、控制等发生了根本性变革，整个电力系统都需要与之适应［1-2］。

虚拟电厂（virtual power plant，VPP）的提出为解决可再生能源对电力系统的冲击提供了新的思路和方法。虚拟电厂的本质是把分布式电源、储能装置等设备连接起来进行集中控制、调度等［3］。采用虚拟电厂对新能源出力进行统一协调管理，不仅能够降低可再生能源的随机波动对电网造成的冲击，而且能够降低分布式发电调度的难度，使分布式发电更好地参与电网调度运营。储能装置作为虚拟电厂中不可或缺的部分，发挥了极其重要的作用。虚拟电厂中的储能装置不但能够平抑可再生能源出力的波动性，降低可再生能源不确定性对电力系统造成的冲击，提高供电可靠性，还能够减少电力系统的备用容量，提高电力系统调度运行的经济性［4-5］。

为了克服虚拟电厂中可再生能源的随机性、波动性等缺点，以及提高可再生能源利用率、改善电能质量和提高供电可靠性，虚拟电厂中的储能系统显得至关重要。

1 虚拟电厂

1.1 虚拟电厂的概念

目前，对虚拟电厂的研究主要集中于欧美等发达国家，近年来我国学者也开始对其进行研究。尽管国内外众多学者对虚拟电厂进行了一定的研究，但是至今对虚拟电厂的概念尚无统一的定义［6-7］。文献［6］认为虚拟电厂是通过先进的通信和软件技术，将分布式电源、电动汽车等储能系统和可控负荷等进行优化聚合以作为一个特殊的整体接入电网。文献［8］认为虚拟电厂是将小型分布式电源集合成一个整体的形式参与电网的运行，但是并未将可控负荷考虑进去。文献［9］将虚拟电厂定义为通过通信技术将不同发电机组整合在一起的虚拟的企业。文献［10］认为虚拟电厂内包含了风电、光伏发电等可再生能源，小型汽轮机等常规分布式电源，以及储能系统、可控负荷等，通过精细化管理，满足对内供电的基础上积极参与外部电力市场。

结合前人对虚拟电厂的定义［2-3，6-12］，对虚拟电厂的概念做出如下阐述：虚拟电厂是基于先进的互联网通信技术，结合数据分析、优化预测等算法，通过整合分布式电源 （包括可再生和常规两种分布式电源）、可控负荷及储能装置而形成的一个虚拟载体从而更方便地对其进行控制、参与内外部供电并完成市场运营。虚拟电厂主要包括分布式发电系统、储能系统、可控负荷及通信系统等，如图1所示。虚拟电厂的各子部分不直接受电网调度中心控制，而是由虚拟电厂的控制中心通过互联网通信技术对所辖各子部分进行控制，构成一个虚拟的整体，再以这个虚构的整体参与电网的运行调度，力求达到经济、环境等效益的最大化［2-3，7］。虚拟电厂控制中心与电网调度中心及虚拟电厂各子部分之间通过信息技术进行双向通信，以及时进行命令发布、信息反馈等。

在传统电网中，通常是由调度中心做出调度决策对每台规模较大的机组发出运行、出力大小、关停等指令，以保障发电的整体经济效益和整个电网的安全稳定。由于分布式电源、储能等单机容量小，对电网影响也极小，电网进行调度时没必要直接对单机发出指令，而只需要对各虚拟电厂的控制中心下达相应指令即可。在电网中，虚拟电厂的控制中心作为电网调度和分布式电源等小型设备的中间者参与电网的运行管理，能够整合不同类型分布式电源的优缺点，使得分布式电源更安全高效地运行。

图1 虚拟电厂运行模式

1.2 虚拟电厂的控制结构

根据传输控制结构的不同，虚拟电厂的控制方式分为：集中控制方式、层次控制方式和完全分散控制方式［14］。

集中控制方式，如图2所示。在集中控制方式下，虚拟电厂的控制中心掌握着范围内所有分布式发电或用电单元的完整信息，并通过通信技术对所有分布式单元进行完全控制，虚拟电厂的所有方案均由其制定。

图2 虚拟电厂的集中控制模式

层次控制方式即半分散控制方式，如图3所示。在半分散控制方式下，虚拟电厂被分为多个层次，下层虚拟电厂的控制中心负责管理范围内的所有分布式发电或用电单元，再由下层的控制中心反馈给更上一级的控制中心，从而构成一个整体。上层控制中心将任务分配到下层控制中心，再由下层控制中心对每个分布式单元进行控制。

图3 虚拟电厂的分层控制模式

分散控制方式，如图4所示。在分散控制方式下，虚拟电厂的控制中心简化为数据交换与处理中心，只是简单提供有关数据信息。虚拟电厂被划分为相互独立的智能自治子系统，各子系统之间通过其智能代理进行协同合作以完成相应任务。这些子系统只接受数据交换与处理中心的数据信息，不受其控制，但各子系统之间存在相互影响。

图4 虚拟电厂的分散控制模式

2 储能技术在虚拟电厂中的应用

储能系统不但能够在电网中起到削峰填谷、减少备用容量等作用，也是虚拟电厂的重要组成部分，在虚拟电厂的运行中发挥了重要作用，能够大大增加虚拟电厂的可控性、灵活性和清洁性。

2.1 提高可再生能源利用率

虚拟电厂中包含了大量诸如太阳能、风能这样的可再生能源，但可再生能源受自然条件限制比较严重，其电能输出具有波动性、随机性和不可预测性等特点，当光照强度、风力发生变化时，可再生能源输出功率就会发生变化。因此为提高可再生能源发电的并网运行能力，需要储能设备平抑可再生能源出力波动。当光伏、风力发电等超过预测值或出力大于负荷时可将多余功率暂时储存在储能设备中；当可再生能源出力不足时，可将储能设备中的能量转化为电能进行利用。文献［15］将储能电池和光伏发电进行结合，提出了光储优化调度的新策略，实现了光储联合发电系统的安全、经济运行。

2.2 改善虚拟电厂的电能质量

虚拟电厂中的分布式能源在节能环保的同时，也由于电力电子设备的广泛应用给系统带来了大量的谐波。当系统中有谐波电流存在时，可通过储能系统的逆变器输出与谐波电流大小相等方向相反的电流对谐波进行补偿以提高电能质量。

由于自然因素导致的分布式电源出力降低、负荷的突然增加等都会导致电压的暂时降低，此时由储能装置向系统适当补偿有功功率即可恢复正常电压。由分布式电源出力突增、负荷突降等引起电压的骤升，此时储能装置可作为负荷以恢复正常电压。

当系统中发电侧的供给和负荷需求不平衡时，系统频率会产生一定偏差。当负荷需求较大时，系统实际频率会下降，频率偏差为负值，此时储能装置可向系统供电以达到平衡、降低偏差；当负荷需求较小时，实际频率会增大，频率偏差为正值，此时储能装置作为负荷以达到平衡、降低频率偏差。

2.3 提高供电可靠性

可再生能源发电中，由于自然条件的变化可能导致可再生能源发电设备的出力为零，电网突然故障等原因也会导致用户电力中断，此时储能系统可向虚拟电厂的用户进行持续供电，在系统故障时提高供电可靠性。

3 储能技术

在传统电网中，电能的生产、传送、分配和使用几乎同时进行，必须做到即发即用的供需平衡状态。但随着经济和社会的发展，及可再生能源的大规模接入，传统电网面临很大的挑战，如可再生能源的波动性、电动汽车瞬时高功率等，而储能技术的应用则提供了一定的解决思路和方法。

按照能量类型的不同，储能技术主要分为机械储能、电磁储能和电化学储能等，每个类型又细分为多种［17］，详情如图 5 所示。

图5 储能技术的主要种类

3.1 机械储能

机械储能即为将多余的电能转化为势能、动能等机械能进行储存，主要有抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等。

抽水蓄能。在电力负荷低谷时段把下水库的水抽到上水库把电能转化为水的势能进行储存，在负荷高峰时段将水释放进行发电。传统抽水蓄能主要依靠江河大坝进行充放电，近些年来又出现了海水抽水蓄能、地下水抽水蓄能等新方式。文献［16］介绍了国内外海水抽水蓄能的研究现状，并探讨了我国海水抽水蓄能示范项目的开发模式等。抽水蓄能是目前最成熟、应用最为广泛的储能技术，其具有规模大、寿命长、投资效益比高、运行灵活及技术成熟等优点，但是也具有受地形和水资源限制、建设周期长、工程投资较大及损失能量较多等缺点［17］。由于水资源蒸发、泵水功率耗费较大等因素，抽水蓄能电站充放电效率一般在70%左右。抽水蓄能主要用于系统削峰填谷、调节频率和事故备用等。一般工业国家抽水蓄能装机占比在5%～10%，而我国还不到2%，远远不能满足系统发展的需要。近年来，我国抽水蓄能电站建设速度加快，在一定程度上缓解了蓄能电站的短缺状况，但是仍需继续加大建设力度。目前已有学者将蓄能电站考虑进虚拟电厂中，文献［18］以抽水蓄能电站、燃气轮机和风电场组成虚拟电厂，建立了虚拟电厂参与电力市场的鲁棒优化竞标模型，并给出了求解方法。

飞轮储能。在电力盈余时，由电网提供电能驱动电动机，电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化为飞轮的动能［19］。放电时，电动机作发电机运行，使飞轮速度降低，将飞轮的动能能转化为电能。飞轮系统运行的环境真空度较高，空气阻力较小，因此飞轮储能具有储能效率高、寿命长、无次数限制及清洁环保等优点，此外飞轮储能还具有快速充放电、建设周期短等优点，是目前最有发展前景的储能技术之一。但是飞轮储能在建设成本及确保飞轮系统安全性方面的费用较高。飞轮储能不适用于小型储能，主要作为蓄电池系统的补充。随着飞轮储能技术的发展，将能在很大程度上解决风能和太阳能波动性和随机性等问题。文献［20］将飞轮储能应用于风电功率综合调控，抑制了虚拟电厂中风电的波动、改善了并网特性。

压缩空气储能是指在电力负荷低谷时用电能压缩空气，将空气高压密封在储气罐、储气井、报废矿井、过气油气井或山洞等储气设施中，在负荷高峰时段释放压缩的空气以推动汽轮机进行发电。压缩空气储能具有储能容量大、周期长、效率高及安全系数高等优点，但是也面临受地形地质限制、容易效率退化等问题［21］。压缩空气储能的充放电效率在75%左右，随着技术的进步，储能效率能达到80%以上。压缩空气储能适用于解决大规模风力、太阳能发电的平滑输出问题。文献［22］通过压缩空气储能改善风能与太阳能的不稳定性和间歇性，为可再生能源及大规模储能的应用提供了参考。

3.2 电磁储能

电磁储能是将多余的电力转变为电磁等其他形式的能量进行储存，主要包括超导磁储能、超级电容器储能等。

超导磁储能是利用超导材料制成超导线圈，由电网经变流器、功率变换器等将电能转化为电磁能在超导线圈中储存起来，在需要时再把能量通过逆变器等转化成交流电供用户使用。超导磁储能具有响应时间快、功率密度高、转换速度快、损失能量小及充放电效率高等优点，充放电效率在95%以上，响应时间仅为电池的0.1%～1%［23］。但现在超导材料本身及维护费用仍然很昂贵，且超导材料具有强非线性，一旦失超对系统危害很大。超导磁储能主要应用在电网电压质量调节、频率控制、脉冲负载供电、调节分布式电源的功率输出等方面。由于超导磁材料价格、可靠性等原因，超导磁材料商业化和大规模应用还需要政策、技术、资金等多方面的支持。

超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两种，前者没有发生电化学反应属于电磁储能，后者发生了电化学反应属于电化学储能［17］。双电层电容器的储能是在电极和电解质溶液之间形成的双电层之间库仑力及分子、原子间作用力等固液界面出现符号相反的两层电荷。法拉第准电容器是在电极表面或体相中的二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附。超级电容器储能的主要优点是充放电迅速、功率密度高、储能效率高、循环寿命长、安全稳定及温度特性好等，其缺点主要为能量密度低、成本高等［24］。超级电容器储能效率在70%～80%之间。超级电容器可向风电、太阳能发电等新能源电力系统提供备用能量、改善电网动态电压变化、提供电动汽车瞬时高功率等。文献［25］将超级电容器应用于双馈风力发电系统的低电压穿越中，仿真表明该方案能够有效地抑制直流侧过电压，为超级电容器在虚拟电厂中的应用提供了新思路。

3.3 电化学储能

电化学储能是通过化学反应将电能转化成化学能进行储存，主要是各种形式的电池，包括锂离子电池、铅酸电池和液硫电池等。文献［26］把电池储能考虑进商业型虚拟电厂的经济运行中，以实例验证了模型的实用性。

锂离子电池是一种高能源效率、高能量密度的储能电池，其工作原理主要依靠锂离子在以金属氧化物为材料的正极和以石墨为材料的负极之间嵌入实现能量的储存。锂离子电池具有比能量高、循环性能优异、使用寿命长及充放电效率高等优点，充放电效率为85%以上。但是也具有成本高昂、安全性相对不足等缺点［27］，锂离子电池在过充、高温、短路等条件下，易发生燃烧甚至是爆炸等事故。目前锂电池储能电站的额定容量较小，主要在提供应急电源、旋转备用或解决新能源发电的波动性等方面。锂离子电池是一个涉及化学、材料、物理、能源等多学科的交叉领域，虽然对它研究与开发已经取得了重大进展，但是研制中还存在许多问题有待解决。

铅酸电池是以铅为负极，铅的氧化物为正极，硫酸溶液为电解质的一种蓄电池。铅酸电池是最早规模化的商业电池，具有技术成熟、成本低、储量大、原材料来源广等优点，但是也存在能量密度低、寿命短、容易造成环境污染等问题［28］。铅酸电池充放电效率为80%左右，主要应用于电力系统的备用容量、频率调节等方面，也可作为事故紧急电源使用，但是由于其体积大、制造过程对环境有污染等原因不适合在未来智能电网中应用。文献［29］以铅酸蓄电池作为储能装置，构建了体现储能装置需求响应的优化配置模型，并采用粒子群优化算法进行求解。

液硫电池中的电解液由泵驱动在正负极的电堆和储槽之间循环电解液，在正负极上发生氧化还原反应进而完成能量的转换，分为全钒、钒溴、多硫化钠/溴等多个体系。液硫电池的储能容量是由储槽中的电解液容积决定的，而电池的反应面积则决定了其输出功率的大小。液硫电池配置灵活，能实现规模化储能、大电流和深度放电等，具有快速响应、高功率输出、循环寿命长、易于维护、储存能量大及安全性高等优点，但是也具有成本较高、材料受限制、对设备要求较高等缺点［30］。液硫电池适用于应急电源或新能源发电的调节、电网削峰填谷等规模化领域，是电网大规模储能的首选技术之一。随着液硫电池技术的成熟、新材料的研发以及成本的下降等，液硫电池的自身性能将不断得到优化，优势更加明显，未来也将在虚拟电厂中得到最广泛的应用。

4 虚拟电厂储能面临的挑战及未来展望

4.1 面临的挑战及应对措施

通过以上研究分析可知，虚拟电厂中的各类储能技术都各有优缺点，适用场合也不完全一致，不能完全兼顾各方要求。各种储能技术的发展尚不成熟，虚拟电厂中的储能技术也处于起步阶段，因此存在着许多问题。

成本过高。目前储能技术在虚拟电厂中的应用尚处于起步阶段，储能设备由于材料、技术等原因造成的成本过高问题成为影响其大规模应用的最大瓶颈之一。因此应该加大对各种储能技术的研究力度，积极寻找电池的低成本材料、探索降低成本的新方法。

充放电的效率和速度偏低。储能的控制技术和方法尚存在不足，充放电的速度偏低，损耗过大。因此应该积极促进对储能控制技术的研究，提高充放电速度，降低充放电过程中的损耗，提高充放电效率。

各种储能技术不能同时兼顾虚拟电厂的要求。各类储能技术都存在着一定的缺点和局限性，尚无兼具各种优点的储能技术，对储能技术的应用也造成了一定的挑战。因此可以根据实际情况对各种储能技术进行有机组合，以发挥各自的优点。文献［31］以分时电价为基础，将抽水蓄能和储能电池组合成四种场景集，研究了4种场景下虚拟电厂的经济性。

储能电池的污染问题。储能设备中有很大一部分是储能电池，而电池中的材料大部分会对环境造成污染。因此应该加大废旧储能电池的回收，严格监管现有电池的使用，防止其废旧之后再污染环境。

储能技术的安全问题。目前锂离子电池等储能技术尚未完全成熟，安全性不能得到保证，在过充、短路等不安全行为下，易发生燃烧甚至是爆炸等危险状况。因此要加强对这类储能装置的监控力度，尽量减少安全隐患，同时要加大研发力度从根源上杜绝安全事故的发生。

4.2 未来展望

随着可再生能源的日渐增多，以及智能电网的发展，虚拟电厂的发展将会非常广阔。而目前储能电池是虚拟电厂稳定可再生能源波动最有效的工具，因此未来大规模储能电池将会得到大范围的应用。

近年来国家在政策、资金等方面加大了对储能的支持力度，储能技术逐渐进步，充放电效率和速度得到提高，安全性得到不断加强，储能设备的能量密度也在不断增加，成本进一步降低，储能技术的大规模应用也将逐渐成为现实。

现阶段可以将各类储能技术进行有机组合，以取长补短，发挥各类储能技术的优点，储能技术的应用将得到快速发展。

随着国家环保政策逐渐严厉，民众环保意识也得到了提升，废旧储能电池的回收利用也会有更大的进步。

电动汽车由于其经济环保等优点，再加上国家对电动汽车的大力支持，电动汽车实现了迅速发展。电动汽车由于大部分时间都处于闲置状态，电网对电动汽车电池的利用具有十分广阔的前景。在众多充电方式中，电动汽车更换电池的方式得到了更多青睐。文献［32］以北京为实例将电动汽车慢充和换电两种方式进行了对比，从中能看出换电方式对电网的运行更加有利，在未来也将更有发展前途。因此可以在保证电动汽车用户正常出行的前提下，将充换电站中的电池充当储能设备，在负荷低谷时段充电，在峰时段放电。将充换电站纳入调度范围内，能够减少对储能设备的投资，增加电动汽车电池的利用率，实现效益更大化。

5 结语

近年来，可再生能源由于其清洁环保、发电成本低等优点使其在电力系统中的比重不断增加，给电网的调度运行造成了巨大的挑战。而包含储能装置的虚拟电厂为解决可再生能源对电网的冲击提供了新的思路和方法。根据前人对虚拟电厂的研究阐述了虚拟电厂的定义，并研究了虚拟电厂的相关概念及控制结构。以存储能量类型的不同将储能装置分成了3大类，比较了每类储能方式下各种储能的原理和优缺点。储能技术不但能够克服虚拟电厂中可再生能源的波动性和随机性，还能够提高可再生能源利用率、改善电能质量和提高供电可靠性。

虚拟电厂中的各类储能技术都各有优缺点，不能完全兼顾各方要求。为了我国电力工业的良好发展，首先应该在虚拟电厂中将各种储能技术进行有机结合，扬长避短，充分发挥各类储能装置的优点，尽量兼顾安全性、比功率高、寿命长、技术成熟、受限制少及性价比高等多方面的要求；与此同时也要加紧研发更加低价高效的储能方式，提高效率，降低成本，尽量兼顾多方要求。