大规模电池储能在电力系统中的应用

● 湖南大学电气与信息工程学院 李欣然

风电和太阳能光伏发电等具有间歇性和随机波动性的清洁可再生能源发电大规模并网，导致电网面临诸如调峰和调频压力增大、电压波动频繁、日常调度计划管理困难等一些列问题，严重威胁电网的安全稳定运行，也由于旋转备用增大等原因影响电网运行的经济性。在某些运行方式下，电网为保证其安全稳定运行，不得不限制风电场和光伏电站的出力，造成弃风、弃光，严重制约了风电、光伏发电的消纳能力。

具有快速、精准调节能力的电池储能相对其他类型的储能拥有能量密度高、选址限制因素少、功率吞吐灵活、能量损耗小等优点，不仅能有效提高电网消纳风光发电并网的能力，而且可以成为电网优质的辅助服务资源。近年来，随着电化学储能技术的发展与成本降低以及新能源装机容量的快速增长，电池储能技术开始在电力系统发、输、配、用等各环节中逐渐推广应用。

1 电池储能的主要技术特点

电池储能是利用电化学反应实现电能与化学能之间相互转换的储能技术，也是目前发展最迅猛的储能技术。电池储能主要包含锂离子、铅酸、钠硫、液流电池储能等，它们具有高效率、应用灵活、响应速度快等优点，逐渐在电力储能市场占有越来越重要的地位。总的来说，电池储能技术比较成熟，是目前大规模储能领域的主要研究和应用方向。各类主要电池储能的主要技术指标比较如表 1。

表1 各类主要电池储能技术对比

2 规模化电池储能技术在电力系统中的典型应用场景

将电池储能配置在电力系统的发、输、配、用等各个环节，在不同的应用场景下可以发挥不同的作用。

2.1 在发电侧的应用

（1）平抑风光等新能源出力波动。将储能系统与光伏、风电等波动性分布式电源紧密配合，利用储能系统的快速充放电特性平抑这些电源的快速波动性，可显著提高这些电源的功率输出品质，改善电能质量，降低其对系统的影响。

（2）增强可再生能源的可调度性。将储能系统与可再生能源有效加以集成，对电网而言形成一个统一的单元，在充分利用可再生能源的同时，利用储能系统的充放电特性，实现在一定时间上输出总功率的调节，进而使其具备一定程度的可调度性。

2.2 在电网侧的应用

（1）应用于调峰和削峰填谷。利用规模化电池储能电站功率/能量的时空搬运能力，参与调峰与削峰填谷，可以有效降低电网峰谷差，由此将产生多重效益；可以有效缓解负荷高峰期电网供电能力不足的问题；可以缓解或替代输电通道与变电站的增容扩容建设；可以有效优化全网负荷特性，提高设备利用率；能够缓解和降低传统机组的调峰压力，降低机组调峰成本。

（2）应用于辅助暂态稳定紧急控制，提高电网安全稳定水平。电池储能电站是一种优质的暂态稳定紧急控制资源，能显著提高电网暂态安全稳定水平。当配置于电网受端（负荷中心），可以在严重大扰动时提供紧急动态无功支持，以快速恢复受端电压从而提高暂态电压稳定性；或提供紧急有功支援以缓解受端机组减速、减少切负荷量，提高暂态功角稳定性。当配置于主力电厂/机组附近，可以在严重大扰动时快速吸收剩余功率/能量，起到电气制动作用，缓解机组加速，提高暂态同步稳定性。

（3）应用于提高电网清洁能源发电并网的消纳能力。对于小水电和风电富集地区，清洁能源发电通常在中、低压配网以分散分布的方式并网（包括中、低压并网的径流式小水电和迅猛增长的风电和光伏发电）且间歇性波动特征显著，出力波动大且尖峰出力持续时间短。由于10～110kV中、高压配网网架薄弱，尖峰出力情况下送出困难，分散的分布式清洁能源发电的弃电现象严重。尽管可以通过加强10～110kV中、高压送出通道建设解决弃电问题，但设备利用率低、投资效益差。通过配置电池储能电站，既可以有效解决弃电问题，提高分散分布式清洁能源发电并网的消纳能力，也可以缓解甚至替代中、高压送出通道建设，节省网络建设投资，提高设备利用率，还可以有效平抑并网点功率波动，有效减小变电站的电压调节压力和变电容量配置，提高110kV及220kV变电设备利用率。

（4）应用于调频调压等辅助服务。由于产业结构调整等因素导致的负荷特性变化以及由于风光发电并网迅速增长导致的电源结构变化，电网等效负荷呈现短期变动加剧的趋势，电网调频、调压能力已难满足源、荷结构急剧变化的要求。电池储能电站作为一种优质的调频、调压资源，可以有效辅助电网的快速调频、调压，显著提高电网的调节能力和运行的灵活性。研究表明，电池储能辅助一次调频的额定容量（功率）需求仅为水/火电机组一次调频备用容量的1/10～1/30，且对负荷变化的跟踪速度可达秒级；辅助二次调频（AGC）的所需容量只有水/火电机组的1/2～1/20。由此可见，电池储能辅助电网调频可以显著减小调频备用，提高机组利用效率；可以减少常规机组由于频繁调频带来的损耗，提高机组寿命，降低运行维护成本；可以显著改善暂态频率质量，提高系统的频率稳定性。电池储能电站应用于辅助调压更具有可观的潜在效益——无论应用于正常调压还是动态无功支撑，理论上只占有PCS容量而不消耗电池的储存能量（SOC），因此当电网呈现出以电压问题为主导性的运行状态时，利用电池储能电站辅助调压（包括动态无功支撑），完全不影响其在其它应用场景下的作用，有效拓展了储能电站的应用空间，提高了其利用效率，而且因其响应的快速性，可以显著改善暂态电压质量。

2.3 储能在用户侧的应用

（1）主动需求响应。电池储能电站实施主体为用户或者第三方投资方时，可以节省电费、最大限度套利为目标，通过在电价低时充电和电价高时放电，以参与需求响应的形式帮助用户在不改变用电习惯的情况下进行错峰用电，从而降低购电费用。对于电网而言，可以实现削峰填谷，显著提高电网的资产利用率，延缓系统改扩建，降低系统损耗，因而具有多方面的经济性。

（2）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用户的电能质量问题。在用户侧接入分布式储能系统，能快速响应系统中各种扰动，有效地维持电压幅值的变化，控制波形畸变率在较小的范围内，从而提高用户电能质量。

（3）备用电源。为防止电力系统的重要用户在电网故障或停电时的经济损失，通过配置一定容量的电池储能电站作为应急电源或不间断电源（UPS），在停电时确保重要负荷供电，可有效提高供电可靠性。

3 结束语

大规模电池储能技术是提高清洁能源发电并网消纳能力和电力系统规划与运行调度灵活性的有效手段，大规模电池储能电站的并网运行必将改变电网的电源与负荷特性。结合具体电网的实际情况，研究大规模储能电站在电力系统中的综合应用场景及其规划、调度控制和运维管理等方面理论方法与实用技术，将成为电力系统分析与控制领域重要的研究方向。