分布式电池储能在电网中的应用——评《分布式电池储能系统优化配置与调度技术》<br/>

分布式电池储能在电网中的应用——评《分布式电池储能系统优化配置与调度技术》

2022-01-07母国辉

电池 2021年6期

吴军,母国辉

(1.宁波永耀电力投资集团有限公司,浙江宁波 315000;2.宁波恒晨电力建设有限公司,浙江宁波 315500)

随着工业用电及居民用电的增加,电网系统常常维持在高负荷运行状态,运行故障时有发生。将分布式电池储能技术应用在电网中,可提高供电质量,增强电网运行的稳定性。饶宇飞编著的《分布式电池储能系统优化配置与调度技术》一书,首先,介绍分布式储能技术的相关概念、发展状况及应用案例,并对常用的电池(如锂离子电池、钠离子电池等)储能技术进行详细概述;接着,给出分布式电池储能系统及相关元件的建模方法,并验证模型的有效性;然后,以电网应用为背景,详述分布式电池储能的配置方法,对布点定容和协同控制策略进行剖析和仿真分析;最后,给出电池储能系统的调度系统及目标调度策略,并通过仿真计算验证其正确性。

1 分布式储能技术的发展与应用

我国的能源消耗已居世界前列,但能源使用效率和可再生能源开发利用比例不高,分布式储能是解决该问题的重要手段。分布式储能即按照实际需求,在配电网端接入储能装置,尤其在智能微电网中,可维持用电的负荷平衡,提高供电可靠性。储能技术在发达国家发展较早,美国的示范储能项目数量最多,约占全球总量的50%;日本紧随其后,如永木精械株式会社(NGK)的装机量超过了世界上大多数公司,达到300 MW;欧洲国家近几年在可再生能源项目上的投入也很大,覆盖面广泛,涵盖了输配电、海岛微电网等。我国在微电网、电动汽车等领域建立了许多储能项目。如深圳宝清储能电站的设计规模是10 MW/MW·h,2011年1月首期建设完成并投入运行。该储能电站以钛酸锂锂离子电池为储能主体,辅以H桥链式能量转换系统,实现能量存储,配备了火灾自动监测系统,可实现二次灭火功能。该储能项目在配电网端放置电池储能站,利用储能监控系统控制储能站的功率分配,实现调压调频、削峰填谷等功能。

2 电池储能技术

电池储能可减少石化能源带来的环境污染问题。该书介绍了几种常用的电池储能技术。①锂离子电池。特点是使用寿命长、自放电率低、效率高,正极材料通常为LiCoO2、LiMn2O4等,负极材料通常为碳材料、Li4Ti5O12等。衡量锂离子电池性能的参数有容量、能量密度、寿命和工作温度范围等。在设计和使用锂离子电池时,需综合考虑各种因素。锂离子电池的性能越来越好,在电动汽车、电网储能及航天等领域都有广泛的应用。②液流电池。液流电池容量大,电解液不在电极内部,而是存放在特定的容器内。液流电池充电时,利用循环泵将电解液输入电池内部。液流电池的电极通常使用金属材料、碳素类材料和复合材料等。实验发现,将炭黑和石墨以为1∶3的质量比混合制作的复合材料电极的性能较好,电池充放电效率可达80%以上。衡量液流电池性能的参数包括容量、功率、响应速度和可靠性等,综合这些因素,目前使用最多的是全钒液流电池。该电池具有较高的充放电可逆性,成本较低,能效高,对环境的污染较轻,可应用于大规模储能系统、微电网及可再生能源发电等领域。全钒液流电池对电极材料的要求很高,必须具有耐腐蚀性、抗氧化性,且导电性和稳定性也要满足标准。目前,使用较多的金属类电极材料是钛基氧化铱,在多次充放电后,表面的氧化铱仍不脱落,且可逆性较高。复合类电极材料通常是将聚乙烯塑料和碳粉(或石墨粉等)按一定比例混合,制成塑料板,以降低成本,增强导电性和机械强度。③钠硫电池。钠硫电池是一种容量大、成本低、寿命长、效率高和维护方便的二次电池,正极材料通常为金属钠,负极材料通常为多硫化物,电解质以陶瓷氧化铝为主。该电池在风力发电、削峰填谷及电网储能等方面具有重要的作用。

3 分布式电池储能建模仿真

电池储能系统的建模包括两部分:电池组建模和储能变流器建模。电化学电池模型的种类很多,有等效电路模型、放电模型等,建模方法主要根据电池的工作原理和结构来确定。储能变流器建模包括系统的电路设计和控制功能设计。通常并网逆变器(PCS)采用模块化设计,将若干个标准功率模块通过串、并联的方式组合成一个大的储能单元。该储能单元具有容量大、模块化设计的特点,接入电网即可正常使用。储能系统的控制方法通常包含恒定有功无功(P-Q)控制、下垂控制及恒定输出电压频率(V-F)控制,都采用内环电流控制。不同的控制方法会影响储能系统的响应速度,要根据实际需求灵活选用。

根据以上分析,该书给出了电池储能系统的建模方法:①单体电池建模。新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)模型能很好地反映电池工作状态,因此以该模型为基础,利用查表法建立单体电池模型。该模型只考虑荷电状态(SOC)对电压、电阻、电流等参数的影响。②电池建模。在MATLAB软件中,利用自带的S函数,参照单体电池建模方法建立模型,并用计数法计算电池的SOC。③PCS建模。根据上述模块结构和控制方法的介绍,在MATLAB软件中建立相应的模型,并设置初始参数。利用仿真模型进行数据仿真,将输出结果与真实储能系统的运行结果对比。若两者的储能总功率输出曲线相似率达80%以上,则说明建模准确性较高。

4 应用及布点定容、协同控制

近年来,分布式电池储能在电网中的应用日益成熟,国网公司及分公司已建立了诸多大型分布式电池储能系统项目,累积容量达到千亿MW。电池储能系统的布设要考虑选址与容量,在用户侧布设储能系统,可减少居民的用电设施建设,还能依据用电峰谷情况为工业用户适时输送电能,灵活地调配电网资源,实现调峰填谷等功能,提高电力系统的利用率。在区域电网中,分布式电池储能系统可以在用电高峰时,减轻该区域变压器等设备的负载,以减少突发事故。

分布式电池储能系统的作用之一是削峰填谷、灵活控制发电功率。系统容量和布设位置的不同导致对电网的适应性不同。此外,当前储能系统的建造成本较高,寿命相对较短,因此,优化储能系统的位置与容量配置成为研究重点。首先,以储能系统的综合效益、投资成本、环境成本、周期成本等为参数建立目标函数,以功率约束、出力约束、潮流约束等为条件,对目标函数进行约束,再利用粒子群算法优化目标函数。利用电气与电子工程师学会(IEEE)-14节点系统验证提出的算法的有效性,将储能系统的周期成本、综合效益考虑在内,设置储能选址数量为2,分别在节点6和节点8接入固定量的电池储能,对比储能系统加入前后的输出参数。计算发现,储能系统加入前,当用电处于低谷时,弃风量较大,达到24.08%;储能系统接入后,同时期的弃风率降至13.51%。由此可知,储能系统的加入,可提高风电接纳效益;还能降低用电峰值负荷,进一步保障电网的安全运行。

5 调度系统及目标调度策略

电池储能系统的平稳运行需要依靠有效的电池储能调度系统。调度系统可对储能系统进行实时监控,并根据实时的用电情况,对电网进行调峰、调频等操作,以保障电网的稳定性。调度系统由储能主站层和就地监控层两部分组成。储能主站层配备了服务器以及对时装置、远动装置等,以确保对储能系统进行实时监控,可实现以下功能:①当电网发生运行事故时,提供紧急功率支撑;②根据电网运行的实际情况,实现调峰、调频、调压等操作,以满足用电需求;③根据需求进行跟踪计划发电,实现削峰填谷;④提升风能、光能等可再生能源的使用率。就地监控层主要实现储能系统、变压器、电池等关键信号的监控,并对储能系统进行调压及跟踪计划发电。调度系统的硬件和软件均具备可扩展性,以支持接入更多的数据点。

在大多数电网系统中,由于水电和火电机组可提供无限的能量供应,常用于进行调频控制,但水电和火电机组固有的劣势(物理磨损、响应迟滞、调频容量受限等)使调频效果不能满足实际需求。人们将电池储能技术应用在电网的调频控制中,以充分发挥响应速度快、精度高的特点,减少电网对水电和火电机组的使用需求。由于电池储能系统的容量有限,若连续工作时间较长,调频效果将大大降低。可将传统的水电火电调频和电池储能系统调频相结合,采用协调控制策略,明确一个控制死区,在该区域内只启用电池储能系统调频,超出该区域后,同时启用传统调频方式和电池储能系统调频。该策略可灵活切换调频方式,并提高调频效率。

电池储能系统还能对电网进行调峰、调压操作。该书以电网系统运行成本为目标函数,建立分布式电池储能和风电火电机组综合调度模型,并根据各自的特点对模型施加约束条件,最终实现目标函数的优化。在IEEE-14节点系统中,验证该模型的准确性。仿真结果表明,在不含电池储能的场景下,当火电机组的调峰能力达到极限时,弃风量较大,达到29.8%;电池储能系统接入后,综合调度策略会根据用电负荷情况合理配置调峰方法,最终的弃风率下降到9.7%。此外,电池储能系统的接入还可以提高电网系统的经济效益,优化电压质量。

6 结语

《分布式电池储能系统优化配置与调度技术》一书将理论知识和仿真示例相结合,给出了分布式储能的发展现状、应用场景等相关内容,详述了锂离子电池、钠离子电池等常用储能电池的组成、结构、工作原理,对分布式电池储能系统及元件的建模步骤和方法进行了详细介绍,阐述了分布式电池储能在电网中的应用以及布点定容和协同控制策略,最后给出了电池储能系统的调度系统及目标调度策略,并进行仿真分析。该书逻辑明确,内容饱满,插图形象具体,可供从事电池储能研究的技术人员以及电气相关专业的读者参考。