储能系统堆叠在电力系统中的应用.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-74-两星推荐在当今迅猛发展的能源领域中，电力储能系统作为一项关键技术，正在成为实现清洁、可持续能源转型的重要支撑。随着可再生能源如风能和太阳能的广泛应用，电力系统的日益复杂和不稳定性也凸显出来。为了解决能源波动性和提高电力系统的可靠性，电力储能系统应运而生，为电力网络提供了灵活性、可调度性和备用电源支持。电力储能系统的堆叠技术是近年来备受关注的研究方向之一。通过将多个储能单元整合在一起，形成堆叠结构，不仅可以提高储能系统的整体能量容量，还能够实现更灵活的运行、减少投资资金。这种堆叠技术在电力系统中的应用为电网提供了更大的稳定性和可控性。简介当前环境变化引发社会对环境问题的关注。在 2015 年197 个国家共同签订了巴黎协定，该协议旨在寻求可持续的和具有环境是盈利的解决方案。该协议引发各国的其后政策修订和能源系统的革命。目前已观察到电气化增加的趋势，并且范围更广的电气化将产生更高的电力需求。这对当下的电力系统提出了更苛刻的要求，既要保证足够的装机容量和能源供应能力，又要保证输配网的运输能力与合理的结构。在以往设计电网时，生产机组位于线路的前端，负荷位于线路的末端。由于可再生能源（RES）和分布式电源（DPS）的并网，电网结构发生了显著变化。与传统发电机组相比，这些发电机组的地理分布更广、体积更小，但机组数量更多，对电网的惯性产生较大影响。此外，由于可再生能源发电的间歇性，大多数可再生能源在生产计划上不如用于基础发电的传统发电厂灵活。此外，小型或大型的太阳能发电厂的市场正在全球范围内迅速扩大。随着这总趋势的变化，传统负载定位越来越模糊，例如，家庭和企业设施可以选择安装屋顶光电装置，使他们既是电力生产者又是用户。当这种发电方式被大量使用时，会加大系统控制难度。截至 2020 年，光伏装机容量最多的国家（包含屋顶安装和大型地面太阳能发电场）是中国，美国，日本和德国。由于可再生能源的不稳定性和消费者的需求，光伏和风力发电的生产曲线不适合一般的电力需求。为了尽可能多地使用新能源发电所产生的能量，储能系统（ESS）在电力系统中越发重要。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度储能系统堆叠在电力系统中的应用施 婕 刘洋恺施 婕1 刘洋恺21.上海融和元储能源有限公司2.上海理工大学电气工程系施婕（1985），中共党员，硕士研究生，高级工程师，国家注册电气工程师（发输变电），国家注册咨询工程师。总经理，中国能源研究会配售电研究中心副秘书长，上海交通大学中英低碳学院兼职硕导，山西省朔州市储能学术委员会委员，先后从事电力工程、新能源工程和储能创新业务，参与过国家风光储输示范项目、国家“863”充换储一体化课题，曾获上海市经信委系统青年岗位能手、上海市优秀工程咨询成果奖、国家电网工程优秀设计奖，储能行业领袖人物奖，具备丰富的项目投资、建设及运营经验。刘洋恺（1997），硕士研究生，研究方向：电力系统储能优化配置。刘洋恺，通信作者。-75-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期两星推荐储能技术储能是电力系统新的可能性运用的推动者，我国对电力系统的定义为：储能系统可以实现能量搬移，促进新能源的应用；可以建立微电网，为无电地区提供电力；可以调峰调频，提高电力系统运行稳定性。储能系统对智能电网的建设具有重大的战略意义。储能的并网能够灵活地促进系统的平衡和稳定性；从服务或能源套利中获得经济利益；整合可再生能源；提高系统自给自足并确保能源安全。ESS 在电网中的一些好处如下。当发电量超过需求时存储多余的能量；当需求超过生产或没有其他电源可用时覆盖发电不足；为配电网从操作系统（DSO）、用户或生产者提供灵活性。而 ESS 的缺点以及带来的挑战如下。高投资成本往往限制发展的经济方面；在环境方面，如碳足迹、不常见元素和化合物的勘探以及危险废物的低回收率；优化 ESS 操作的控制战略；关于所有权和操作的立法。提高 ESS 经济潜力的一种方法是在电价较低的时段安排充电，并在期望的服务或服务价值较高时进行调度。机械储能机械储能，即通过对机械设备供电，将能量转化为机械能的形式存储起来，常见的机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。1）抽水蓄能：利用电力系统负荷低估时的剩余电量从下水库向上水库抽水，将电能转换为水的势能储存起来；当电力系统需要时，从上水库向下水库放水发电，再将水的势能转换为电能的一种电站。2）压缩空气储能：在发电量低谷期，使用过剩电力通过电动机带动空气压缩机，将空气压缩至密闭的大容量地下洞穴，高峰期将压缩空气与化石燃料混合燃烧释放能量。电磁储能1）超导磁储能：某些导体在临界温度下，其电阻消失的现象称为超导现象，具有这一特性的导体即为超导体。超导磁储能系统构成主要包括储能磁体、低温系统、电力电子变流系统和监控保护系统。2）超级电容储能：其主要有双层电容器和法拉第准电容两种，其中双层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层储能，其实质是使电解质进行电化学极化，所以工作中并没有发生电化学反应；法拉第准电容器是利用在电极表面发生的氧化还原反应将电能存储在双电层表面和电解质溶液中。电化学储能通过化学反应将能量储存或释放的过程即是化学储能。其实质是通过可逆的化学反应进行电能的储存和释放。化学储能的效率比较高，世界各国对其研究和应用时间较长，技术相对成熟，且维护简单，地理条件受限少，因而应用领域比较广泛，特别是在需要小规模短时间储能的领域应用普遍。根据参与反应的化学物质不同，可将其分为铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池。1）铅酸电池：由铅电极和硫酸电解液组成。在汽车和卡车上多年的广泛应用，使铅酸电池成为众所周知的电池技术，其自问世至今已有 150 多年的历史，2008 年全球充电电池约有 360 亿美元的产值，铅酸电池市场份额占比 70%。2）锂离子电池：其本身具有能量密度高、储能效率高、自放电小、适应性强、循环寿命长（循环可达 5 000 次）无记忆性等优点。3）钠硫电池：钠硫电池在 300的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫；负极活性物质是液态金属钠（Na），中间是多孔性陶瓷隔板。ESS的服务堆叠业务堆叠，或者价值堆叠或收益堆叠，是一种有效的方法来优化和最大化 ESS 的技术和经济潜力。目的是找出除主要服务外，社会服务系统可提供的一项或多项额外服务。提供额外的服务可以提高 ESS 的利用率。价值堆叠被定义为电网应用的捆绑，创造多个价值流，可以提高分布式能源的经济性。但有几个参数会影响 ESS服务堆叠的适用性，参数包括：系统设计、存储位置、服务可用性等。由于每个储能运营商都依赖于当地的法规和市场，因此对服务堆叠潜力的估计需要基于ESS位置的逐案评估。业务堆叠可以独立于存储技术实现，但可能的业务组合需取决于 ESS 的特性和位置。针对具有季节性变化的储能单元，服务堆叠有巨大潜力。可再生能源（RES）和输电与配电（T&D）投资推迟是年度变化的示例。其他服务，如黑启动能力、电力供应保障以及备用服务，也有一定季节性，储能单元可能每年只需少数调用，工作时间可能仅数月。通过合理规划和预测，可将这图 1 储能系统可考虑的安装位置中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-76-两星推荐些服务与其他结合。当储能系统运营商决定实施服务叠加投资组合时，需解决服务分配的规划优化问题。解决方案取决于投资组合中服务数量及并行或不同时间提供。简单方法是在不同时间提供服务，通过添加次要服务增加利用程度和创造额外收入。引入先进优化工具，基于预测评估多个服务，采用线性和非线性规划方法，可创建更复杂投资组合，接近最优运营策略。最佳解决方案服务叠加的基本原则与传统的调度问题具有明显的相似性。在考虑 ESS 时，这种情况下的任务是为给定的时间范围安排储能单元，并确定哪种服务提供 ESS 运行策略最能满足目的。时间范围根据问题的表述而异，但通常变化时间在几小时或连续几天。解决服务堆叠问题的目标是制定 ESS 动作期间的服务容量分配策略。通过模型或算法，调度考虑的存储资产，以在活动约束下最大化或最小化制定的目标函数。该模型需要考虑过去的系统动态和市场价格，通过对未来行为进行猜测来实现，这是一项复杂任务，要求尽可能减小误差。由于模型涉及多个市场和负载需求等输入，准确预测是关键，但随着预测进行，多个预测的误差逐渐累积，因此控制预测误差至关重要。实现堆叠的挑战关于容量大小的问题在确定给定应用程序的 ESS 尺寸时，由于除了网格基础设施中的限制外，能源和功率引用仅与单个服务相关，因此尺寸确定过程并不十分复杂。虽然如果规划一个应该提供多种服务的 ESS，情况可能会非常不同，但必须考虑的一些方面如下。ESS 是否可以并行提供多项服务，还是各个电池单元依次提供服务？这将对系统的额定有功功率和无功功率提出要求，因此系统的逆变器应相应地仔细确定相关参数。每个服务都有自己的尺寸优化或首选项，但当为几个服务进行尺寸规划时，如何找到最佳存储评级并不是微不足道的。如果存储大小的经济上限低于技术上限，则很容易找到解决方案，但如果情况相反，则很难找到最佳解决方案。在实际情况下，为了实现服务堆叠，可能不需要找到最佳存储大小。如果已经确定了 ESS 的能量和功率额定值，则产生的问题只涉及调度和分配。对于较小的存储单元，这可能导致某些服务无法包含在投资组合中（例如频率调节，套利交易和其他有电力需求的服务）。关于存储位置的问题在实际考虑时，放置位置也与自然条件有关。例如，从很远的地方对客户负载进行调峰，或者在远离 RES 单元的地方连接 ESS 进行集成，若直接进行继承将会是非常不明智的选择。很明显，大多数服务或多或少都对位置敏感，其中一些重要方面和挑战如下。一般来说，辅助服务对电网连接点的依赖性较小。调频机组、定期能源交易等不依赖于具体的连接点，而是依赖于区域层面。这意味着满足容量需求的存储单元有很大的机会将这些服务添加到投资组合中。对位置更敏感的服务包括缓解拥堵、RES 集成、调峰和电压控制。这些服务都要求 ESS 单元连接在设定好的位置附近。系统间协调运行的挑战在存在较大不确定性的情况下，规划狭窄时间窗口内的一个或多个服务可能既简单又具有挑战性。提前购买可预测的服务（如套利和灵活性服务）有助于明确未来一天的额定功率和电量。除此之外的一些服务，比如调频业务，由于频率偏差大，购买备用存储单元可能不同一天内激活。因此，在预测多服务提供时，很难计划单元激活的频率和时间。此外，一些服务如旋转、非旋转储备相对较为罕见，与其他服务结合使用需要精心规划，以避免潜在的交付失败风险。在服务堆叠中，ESS 需要同时从多个市场获取输入，以评估组合中的所有服务。这对所有市场的信号连接提出了要求，特别是在提供本地电能质量服务时，如电压控制或RES 集成，需要监测本地电能质量。将多个存储单元聚合操作需要仔细规划、良好的控制和通信条件。高级控制机制的需求在不同可用服务之间存在差异。提供套利交易或灵活性服务时，ESS 控制必须确保激活时间在可接受范围内，电力波动不大，但不需要广泛的控制机制。而用于微电网功能的存储单元需要设计良好的控制机制，以在并网和孤岛模式期间维持电网稳定，包括电压、电流源转换器和频率控制等。同时，实现多服务的实时控制也是挑战。实时控制单个存储单元可能对其本身提出要求，因此向组合中添加多个服务时需要高级实时控制器。在实际实施中，需要实现控制器的自动化，并仔细调整，考虑到当地电力质量措施以及市场信号和激活机制。结语本文对利用储能系统进行电网应用服务叠加进行研究。此外，本文还对当前能量储存技术以及可用的电网应用和服务的概述。其中最受利的服务是能量套利、频率支持服务和可再生能源集成。文中显示了服务叠加的显著潜力，最常见的策略是最初将辅助服务添加到与可再生能源（RES）集成或输电与配电（T&D）投资推迟相关联的储能单元中。同时根据市场价值和独特服务的可用性的差异，经济潜力和地理位置组合出不同的方案，实现减少投资和收益最大化。