电池储能电站未来的应用前景及展望

近年来,随着电池储能产业的高速发展,中国电池储能技术逐渐呈现出了大规模集成与分布式应用并存,多目标协同应用的特征和趋势。在分析国内外电池储能电站发展现状的基础上,针对新能源功率输出平抑、计划出力跟踪等新能源发电侧应用场景,电网频率调整、网络潮流优化等输电侧应用场景,以及分布式、移动式储能等在配电侧的应用场景,对国内外近些年来电池储能应用的研究成果及现状进行了综述,并对未来大规模电池储能电站的运行控制方法和应用前景做出了展望。

引言

为促进能源产业优化升级,实现清洁低碳发展,近年来,我国大力发展清洁能源,风电、光伏实现跨越式大发展,新能源装机容量占比日益提高[1]。然而,在清洁能源高速发展的同时,波动性、间歇式新能源的并网给电网从调控运行,安全控制等诸多方面带来了不利影响,极大地限制了清洁能源的有效利用[2-4]。电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用,是解决新能源发电并网问题的有效途径之一[5-6],将随着新能源发电规模的日益增大以及电池储能技术的不断发展,成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。

电池储能作为电能存储的重要方式,具有功率和能量可根据不同应用需求灵活配置,响应速度快,不受地理资源等外部条件的限制,适合大规模应用和批量化生产等优势,使得电池储能在配合集中/分布式新能源并网,电网运行辅助等方面具有不可替代的地位[7-8]。而与此同时,随着近些年来电动汽车产业的高速发展,电池制造及应用相关技术得到了长足的进步,电池的使用寿命和成本问题也得到了进一步改善,这些都使得电池储能成为目前最受关注,发展最为迅速的储能技术类型。

传统小规模电池储能系统(batteryenergystoragesystem,BESS)因其容量有限往往只能应用于分布式新能源发电并网的功率输出平抑[9],然而随着电池储能规模的不断增大,十兆瓦级甚至百兆瓦级电池储能系统的出现能够对电网安全稳定运行起到更多的积极作用。而随着电动汽车以及智能交通产业的高速发展,移动式储能在配电网能量优化管理等方面也将扮演更加重要的角色[10-11]。在上述背景下,大规模集成与分布式应用并存的储能系统将存在着多种应用模式和多样化应用目标,如何保证集中/分布式新能源高效平稳电力送出的同时,兼顾储能电站在新能源并网支持、电网安全控制辅助方面的积极作用,实现多目标、多层次的协同优化控制与高效运行维护是未来电池储能系统发展的重要目标。为此,本文将在分析国内外电池储能电站发展现状的基础上,对国内外电池储能系统在新能源发电侧、输电侧、配用电侧的多方面应用研究成果及发展现状进行综述,并对未来大规模电池储能电站的关键技术、应用前景和运行模式等做出展望。

1电池储能电站发展概况

储能技术具有极高的战略地位,世界各国一直都在不断支持储能技术的研究和应用。日本、美国等发达国家电池储能电站技术发展较早,如今已得到了一些应用[12],中国近些年来在国家政策的支持下也取得了较快的发展。国内外在大规模电池储能电站的运行控制与应用方面均存在着不少成功的实际工程案例。如应用于日本青森县风电场的NGK公司的34MW/245MW?h钠硫电池储能电站,美国SDG&EEscondido30MW/120MW?h锂离子电池储能项目,以及中国张北风光储输示范工程(一期)20MW/84MW?h多类型电池储能电站等。这些工程应用中,电池储能电站的电池类型和应用场景都不尽相同,表1中给出了近年来国内外10MW级规模的典型电池储能示范工程概况。

从电池储能系统的发展现状可以看出,国内外电力行业均十分重视电池储能系统在新能源发电并网以及电网运行控制当中的积极作用。据报道,国内外多个百兆瓦级或百兆瓦时级电池储能电站也在规划当中,将在不久的将来建成投产。而电动汽车及智能交通技术的不断发展也使得移动式储能载体在电网中的应用可期。届时,电池储能系统将存在着大规模集中式、分布式以及移动式等不同集成与应用模式,如何对其开展多目标、多层次的运行控制与智能化管理,国内外研究人员将对其开展深入研究。

2电池储能系统在发电侧的应用

2.1平滑出力波动

由于风力发电和光伏发电等新能源具有随机性、间歇性、出力变化快等特点,大容量的新能源发电装置直接并网会对电网调度运行与控制带来较大影响,甚至直接引发一些安全稳定事故。利用电池储能装置与可再生能源发电装置联合运行,可使随机变化的输出功率转换为相对稳定的输出,有利于满足并网的各项技术要求。

关于电池储能系统平滑新能源发电应用,国内外开展了许多理论方法研究与分析验证。文献[15]对储能平抑新能源发电做了详细的综述,认为储能类型的选取、储能系统的功率和容量配置、波动平抑控制算法以及储能系统能量管理是储能系统应用于新能源发电平抑时需要重点考虑的4个方面。该文献较为全面的综述了储能平滑新能源发电的研究现状。而文献[16-17]则从实际工程出发,对风光储系统中储能装置对风电和光伏出力的平抑过程从储能集成架构、算法原理和能量管理系统等角度做出了详细的分析,验证了所提出就地控制与协同控制相结合的能量管理系统在平抑新能源发电方面的有效性。如何在平滑新能源出力波动的同时考虑储能单元充放电特性,保障电池的健康稳定运行则是大规模电池储能系统经济运行的必要条件。文献[18-19]针对风电、光伏大规模集中接入电网引起的功率波动问题,分别基于模型预测控制(modelpredictivecontrol,MPC)和波动率智能化分段控制平滑时间常数提出了相应的储能系统控制策略,且在控制过程中均引入电池充电状态(stateofge,SOC)等参数,以确保储能单元的健康和稳定。

从现有研究成果可知,电池储能系统对于平抑新能源发电出力波动具有显著效果,而新能源发电并网运行时,电网对其出力波动率的考核指标是合理制定控制策略的核心问题。因此将出力波动率作为输入变量,进行闭环控制是解决其优化控制问题的关键。如文献[20]对新能源发电出力波动效果进行了反馈控制,基于自适应动态规划理论进一步优化了平滑发电的控制效果,达到了预期控制目标。目前电网对风电、光伏发电等新能源发电并网时的出力波动率考核指标相对宽松(具体参见国家标准[21-22]),将出力波动率作为约束条件之一,与跟踪发电计划出力偏差等新能源发电的其他并网约束条件复合考虑,开展储能系统优化控制方法研究,并提出经济可靠的运行控制与能量管理方法是该领域未来需要重点研究的问题。

2.2跟踪出力和经济调度

新能源发电系统的出力普遍呈现出极强的间歇性,且极难准确预测[23-24],如何制定科学合理的日前、日内及超短期(实时)出力计划,在满足调度及储能约束的前提下保证新能源的高效输出是该问题的关键所在。

在出力计划跟踪方面,当前研究主要可分为日前、日内以及实时出力计划跟踪3个方面。针对日前出力计划,大量文献分别针对有功功率计划和无功功率计划提出了储能装置对新能源发电出力的补偿控制方法,取得了削峰填谷,改善潮流的良好效果[25-26]。针对日内出力计划,主要工作集中在如何引入基于实时电价、负载需求和新能源出力等因素构建出最优性能指标函数,在最大程度跟踪出力计划的同时实现延长电池使用寿命等附加目标[27]。而针对实时出力计划的跟踪方案,则更多地将减少日前短期新能源出力预测误差作为其控制目标[28-29]。

电池储能系统对于提高新能源发电的调度计划跟踪能力、提高新能源利用率具有重要的作用,如何将不同时间尺度的出力计划跟踪控制策略进行有效协调融合,提高电池储能系统计划跟踪性能是该领域需要进一步探索的研究方向。