基于大規(guī)模儲能系統的智能電網兼容性研究

1、基于大規(guī)模儲能系統的智能電網兼容性研究基于大規(guī)模儲能系統的智能電網兼容性研究廖懷慶1 , 劉東1 ,2 , 黃玉輝1 , 陳羽1 , 柳勁松1(1. 上海交通大學電氣工程系, 上海市200240 ; 2. 國家能源智能電網(上海) 研發(fā)中心, 上海市200240)摘要: 有效協調小容量分布式發(fā)電( dist ributed generation ,DG) 和集中式可再生能源發(fā)電(collected renewable generation ,CRG) 是中國未來智能電網發(fā)展的重要特征。分散儲能系統(dist ributed energy storage system ,DESS) 和集中儲能系

2、統(mass energy storage system ,MESS)將在大容量CRG和小容量DG的安全、穩(wěn)定接入大電網中發(fā)揮重大作用。文中在對智能電網兼容性問題進行深入分析的基礎上,探討了考慮電網供蓄特性的協同調度,提出了涵蓋輸配電網CRG2MESS 供蓄配置以及微網DG2DESS 供蓄配置的智能電網兼容性解決方案。關鍵詞: 智能電網; 兼容性; 可再生能源發(fā)電; 分布式發(fā)電; 儲能系統; 統一控制收稿日期: 2009209203 ; 修回日期: 2009211209 。0 引言在能源短缺、環(huán)境保護和氣候變化等問題日益突出的背景下,開發(fā)清潔能源,發(fā)展低碳經濟,實現能源優(yōu)化配置,成為了世界各國

3、的共同選擇。水力、風力、太陽能、生物質能等可再生能源發(fā)電將被大規(guī)模開發(fā)利用,根據其接入電網的方式可分為分布式發(fā)電( dist ributed generation ,DG) 和集中式可再生能源發(fā)電(collected renewable generation ,CRG) 。為順應新能源時代,中國正在建設以特高壓電網為骨干網架,各級電網協調發(fā)展,以數字化、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領先的堅強智能電網 122 。智能電網將以現代信息、通信、電力電子、儲能、控制、管理和計量等先進技術形成覆蓋電力生產、傳輸、消費全過程、全業(yè)務的信息網絡,實現電力流、資金流、信息流高度整合與協同運作,構建具有

4、“自愈、兼容、優(yōu)化、互動、集成”五大特性的柔性電力網絡系統。特別是通過新型儲能系統( energystorage system , ESS) 的優(yōu)化配置及控制324 ,支持大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤?有效兼容間歇性的集中與分散式發(fā)電,成為智能電網適應未來經濟社會發(fā)展和新能源革命的一個先決條件526 。目前,為了保證電網的安全, IEEE 1547 標準針對分布式能源的并網規(guī)定:當電力系統發(fā)生故障時,DG必須馬上退出運行。這大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮7 。大力開發(fā)DG/ CRG 是促進能源結構調整和發(fā)展低碳經濟的必由之路,需要尋找一種安全高效且能協調大電網與DG/ CRG 之間的矛盾,充分挖

5、掘其為電網、用戶帶來“共贏”價值和效益的解決方案。大規(guī)模ESS 接入對于平抑和消納DG 及CRG的并網沖擊的作用越來越被業(yè)界所廣泛認同,成為智能電網兼容性研究的一個重要內容和技術關鍵。1 智能電網兼容性問題的提出1.1 DG接入給傳統電網帶來的主要問題DG一般接入配電網,它的接入使得配電網各支路潮流不再是單方向流動,將對電網帶來較大影響:1)DG直接接入配電網后,會引入各種擾動,從而引起系統電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變等電能質量問題。2) 當配電網發(fā)生故障時,并網的DG 可能會與線路電容發(fā)生鐵磁諧振而造成過電壓,損壞變壓器等電氣設備,擴大停電事故,降低系統安全可靠性。3)DG發(fā)電量的高度不

6、確定性使得DG 的直接并網會增大負荷預測和調度運行管理的難度,降低系統可靠性;如果僅將DG作為備用電源,則將會造成資源浪費,影響電網效益。1.2 CRG接入給傳統電網帶來的主要問題CRG一般通過特(超) 高壓、遠距離、大容量輸電通道接入負荷中心(即大型受端電網) 。CRG 的大規(guī)模接入將對節(jié)能減排、能源結構優(yōu)化起到重要而積極的作用,但在實際并網過程中,以下影響不容忽視:1) 風力和太陽能發(fā)電的間歇性將會使發(fā)電容量預測變動區(qū)間增大,且電源與負荷分屬不同區(qū)域,很難協調調度,因此,CRG 接入會使大電網的安全穩(wěn)定運行、統一調度控制以及受端電網低谷調峰(甚至出現負調峰) 面臨嚴峻考驗。2) CRG采用

7、大量的電力電子型電源,直接接入極易引起諧振,并造成諧波污染。3) 相比于傳統電源,CRG故障概率與檢修頻率會比較高。因此,受端電網應具備應對短時間缺失大容量輸入電源的能力。2 大規(guī)模ESS 接入及其配置原則集中式大型儲能系統( mass energy storagesystem ,MESS) 可以稱之為大規(guī)模ESS ,小容量分散式儲能系統( dist ributed energy storage system ,DESS) 雖然單體容量小,但是由于其在配電網中大量分布,同樣也是一種大規(guī)模ESS。相較于傳統的鉛酸蓄電池等小容量儲能裝置,當前開發(fā)的新型ESS 包括鈉硫、鎳氫、液流電池以及超導磁能儲

8、存器、超級電容器等,存儲容量更大,充放電速度更快,與電網和用戶的配合更好。與抽水蓄能電廠相比,DESS/ MESS 對建造環(huán)境要求低,可就地布置,適用于城網儲能,同時,存儲容量范圍大,響應速度快,且有瞬間數倍存儲釋放能力,可貫穿應用于整個用電系統(如圖1 所示) 。目前,10 kW 級液硫電池示范工程和鎳氫電池示范工程已在國內試點投入運行, 兆瓦級鈉硫電池的城網ESS 的應用研究也在積極開展之中。2.1 大規(guī)模ESS 對提高智能電網兼容性的分析大規(guī)模ESS 接入電網,并實現DG/ CRG 有效協調,將會給整個電網帶來深刻的影響,可提高智能電網的兼容性。1) 對電網的緊急支援作用。當大容量區(qū)外受

9、電通道(包括遠距離CRG) 和大容量本地機組突然中斷時,安裝于發(fā)電側或受端側的電能量型MESS 可迅速響應,釋放數倍的電力。例如,在未來的MESS設計中,100 MW 級的鈉硫城網ESS 可瞬間釋放500 MW 的電力。這樣可極大地減輕受電通道或本地機組突然中斷對系統造成的沖擊,甚至可以短時間支撐系統繼續(xù)運行。同樣,當配電網因某種故障或臺風等自然災害造成大量DG 中斷時,DESS 可迅速發(fā)揮重要的電源支撐作用。2) 對系統的穩(wěn)定作用。通過DESS/ MESS 的能量存儲和緩沖輸出,可使DG/ CRG即使在負荷波動較快和較大的情況(系統達到峰荷時) 下,仍能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。3) 對可

10、再生能源發(fā)電的補充作用。適量儲能可以在DG/ CRG單元不能正常運行(新能源無法發(fā)電或波動較大) 的情況下起到過渡作用。例如,利用太陽能發(fā)電的夜間、風力發(fā)電在無風的情況下、其他類型的DG/ CRG單元處于維修期間,這時系統儲能可起到過渡和緩沖作用。4) 對可再生能源發(fā)電的協調控制作用。新型儲能與可再生能源發(fā)電一一對應布置,使得不可調度的DG/ CRG發(fā)電單元能夠作為可調度機組單元運行,實現與大電網的并網運行,必要時提供削峰填谷、緊急功率支持等服務。5) 對電網運營商與自備DG用戶的有效協調作用。當負荷低峰或配電網故障需要DG 退出運行時,用戶可將電能儲存在儲能裝置中;當負荷高峰或故障排除后,用

11、戶可將電能從儲能裝置中釋放,實現電網運營商向自備DESS 用戶儲能電力的征用或自備DG用戶向電網運營商的逆向售電。2.2 ESS 兼容可再生能源發(fā)電的配置原則根據總裝機容量和當地電網的實際情況選擇合適的接入電壓等級,DG接入電壓等級參見表1 。CRG一般離負荷中心比較遠,將通過遠距離、大容量的交直流輸電通道接入受端電網,其接入的電壓等級一般為特高壓(800 kV 及以上) 和超高壓(500 kV/ 220 kV) 等級。與CRG 配合的MESS 的接入電壓等級應為220 kV 及以上。DG和DESS 接入電壓等級較低,如果傳輸距離遠,會導致線損率過大,因此,在進行DG/ DESS布點規(guī)劃時,應

12、該盡量使區(qū)域發(fā)電量小于區(qū)域負荷量,滿足就地平衡的原則。與DG 相比,CRG 接入電壓等級高,提供的容量也很大,但是相對傳統發(fā)電廠,發(fā)電量波動范圍大,只有與MESS 配合后,才具備大規(guī)模接入的條件。氣象的多變決定了CRG和MESS 的調度與控制應具備實時性;傳統調度應轉向調度加實時控制的模式,實現調度控制一體化。接入特高壓等級的CRG,原則上可由國家級或區(qū)域級調度進行調度控制; 接入超高壓等級的CRG,原則上可由區(qū)域級或省(自治區(qū)、直轄市) 級調度部門進行調度控制;10 MW 及以上的DG可由所屬地區(qū)的地調管轄;10 MW 以下的DG可由所屬縣調管轄。隨著可再生能源發(fā)電和儲能技術的飛速發(fā)展,DG

13、/ DESS 將在用戶側廣泛應用。因此,考慮智能電網配置原則,還要兼顧電廠、電網和用戶,使得三者有效兼容。3 智能電網兼容性解決方案DESS/ MESS 與DG/ CRG接入電網,在電壓和容量匹配以及優(yōu)化配置的基礎上,將改變智能電網的網架結構、運行方式,同時要求智能電網的調度控制模式也應根據電壓和容量等級進行統一調度和分級管理,以實現智能電網協調兼容性與安全經濟性的統一,提高電網供蓄能力。3.1 基于CRG2MESS 的智能電網主網供蓄配置方案以典型的受端電網為例,如圖2 所示,設計一種基于CRG2MESS 的未來智能電網主網供蓄配置方案。1) 在特(超) 高壓、遠距離、大容量受電通道兩側配置

14、一定容量的MESS ,該受電通道輸送CRG或坑口火電廠的發(fā)電電力;2) 在本地電網大容量發(fā)電機組接入的升壓側配置MESS ;3) 在220 kV 及以上樞紐變電站內配置MESS。與CRG配套建設的MESS ,可以保證CRG 持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出,在容量設計時,要考慮到CRG高檢修頻率、輸出功率波動大的特點。區(qū)內外電廠配置MESS 主要作為備用容量以代替?zhèn)鹘y的備用機組,實現正常情況下的調峰作用和故障下的備用功能。位于城網分區(qū)與變電站間的MESS ,在容量設計時,要注重短時間大功率的輸出特性,在故障發(fā)生后,能夠短時間內支撐電網運行,防止連鎖反應導致故障擴大,造成大規(guī)模停電。在主網的區(qū)外受電通道、大容

15、量發(fā)電機組和樞紐變電站內配置MESS ,主要是通過省(自治區(qū)、直轄市) 級及以上調度部門的統一調度控制,并有效發(fā)揮MESS 及其功率調節(jié)系統的快速響應能力,實現主網不間斷供電功能,有效減弱或消除大擾動對大電網造成的影響,確保電網安全穩(wěn)定運行。3.2 基于DG2DESS 的智能電網微網供蓄配置方案未來智能配電網結構中,低壓配電網將吸納分布廣泛、單機容量跨度大、總體數量多的用戶側DG,需要對DESS 進行優(yōu)化配置以增強配電網的供蓄能力,其基礎通信設施應支持用戶側與供電側間的互動協調。將集中的配電負荷、DG 構成微網是國內外近幾年的研究熱點。文獻8211 描述了微網的幾個主要特征:在電氣結構上,微網

16、通過關鍵斷路器接入電網;微網依靠智能控制器作為核心智能控制器;智能控制器可以從供電可靠性、經濟性和環(huán)保的角度協調微網間和微網與大電網間的能量管理。如圖3 所示,大量DESS 接入配電網后,在用戶終端的DG和DESS 上,均配備可記錄雙向潮流的智能表計。智能控制器可通過光纖或電力載波實現與配電終端用戶、DG、DESS 間的通信。配電網DG 相對于主網CRG,容量較小,但是方式更靈活,容量設置遵循“接地平衡”的原則,可有效提高能源利用效率,拓展配電網運行方式,是未來智能配電網結構中不可或缺的一環(huán)。分散布點于微網末端的大量用戶自備DG,在與DESS 相結合后,將會使未來智能配電網單元微網的能源結構發(fā)

17、生根本性變革。在正常運行狀況下, 介于DG 與電網間的DESS 能夠大大緩解DG 對電網造成的沖擊,發(fā)揮緩沖器作用。智能控制器可以根據微網系統自身的狀況,決定儲能裝置處于充電負荷還是放電電源的狀態(tài),并記錄潮流流向,為計價系統提供數據。例如,在用電高峰期, 自備DG 用戶可以選擇自備DESS 作為電源。這樣對用戶來說,節(jié)約了用電成本;對供電公司來說,實現了削峰填谷的目標,發(fā)揮了類似抽水蓄能的作用。當微網內部處于故障狀態(tài)時,智能控制器可以自動切除故障,DG 停止運行。智能控制器控制關鍵斷路器斷開,將微網從電網中隔離,在不違反規(guī)定的基礎上,根據實際運行狀況,采用DESS 作為電源或維持遠離故障點的D

18、G繼續(xù)為用戶提供滿足電能質量要求的電力供應,實現微網不間斷供電功能。3.3 基于供蓄特性的智能電網調度策略目前,中國電網運行調度計劃并未考慮計及ESS 并網后的調度運行方式。但隨著DG/ CRG 和DESS/ MESS 的技術發(fā)展及應用,一套兼容、合理、經濟的調度方案也必須建立。未來智能電網的調度應該考慮儲能裝置并網供蓄特性的充放電調度、在故障或檢修狀態(tài)下的緊急調度以及正常狀態(tài)下的經濟調度幾個方面。運行方式應該考慮儲能裝置的備用容量。在智能電網中,由于風能和太陽能分布不規(guī)律,因此在傳統負荷預測的基礎上,還應增加DG/ CRG發(fā)電量的實時預測系統。在未來信息系統高度集成的智能電網中,調度中心在負

19、荷預測基礎上,還應該根據當日的氣象條件,完成DG/ CRG 發(fā)電量預測,實時決定儲能裝置是處于充電還是放電運行方式以及充放電時間,以達到削峰填谷的目的。MESS 的接入將大大提高受端電網應對故障和大電網沖擊的能力。但在故障發(fā)生、MESS 提供大容量支撐的時間范圍內,調度中心通過輸配電協同調度策略啟用發(fā)電機組備用容量, 利用電廠側MESS 以及啟用微網內DESS 放電模式,將大大降低故障影響。隨著儲能技術的發(fā)展、DESS/ MESS 成本的降低,考慮電網供蓄特性的經濟調度計劃將成為可能。目前,機組參與自動發(fā)電控制(A GC) 服務產生的主要費用包括12 :1) 參與A GC 市場容量引起在電能市

20、場損失的機會成本。2) 當市場價格較低,低于參與A GC 機組邊際成本時,因A GC 下調需求使機組發(fā)電導致的上抬成本。3) 根據負荷波動和計劃出力的差額實時調節(jié)機組、不斷磨損產生的調節(jié)成本。CRG與MESS 相結合,提升了新能源的利用前景,會大大降低排污成本,從而使得機會成本相對于傳統大機組小得多;結合DESS 的DG 一般安裝在負荷中心,將會極大地降低系統損耗費用。另外,DG/ CRG 與DESS/ MESS 相結合,構成輔助備用電源,提供了一種在電網故障情況下,由DESS/ MESS 獨立向一部分電力系統負荷供電的全新運行方式孤島運行模式。孤島運行模式通過合理設計網架結構,可大大降低電力

21、用戶的購電費用和負荷中斷賠償費用,起到類似備用電源的輔助服務作用。隨著DG/ CRG和DESS/ MESS 制造成本的降低及控制性能的改進,將具備參與A GC 服務的技術能力,使DG/ CRG與智能電網有效協調,并確保電網安全經濟運行。4 結語中國能源布局決定了大容量CRG 和小容量DG將在較長時間內相結合并協調發(fā)展。如何配置、調控大規(guī)模DESS/ MESS ,以提高對DG/ CRG的兼容性能,決定了智能電網的實用性、擴展性乃至發(fā)展方向。大規(guī)模DESS/ MESS 接入電網后,不僅可以實現電網削峰填谷,降耗增收,減少和緩解輸電、變電、配電設施的投入,還可以有效兼容DG/ CRG等間歇性電源對電

22、網的沖擊,提高電網的安全穩(wěn)定性和需求側用戶電力可靠性。發(fā)展具備兼容各類可再生能源發(fā)電接入能力、考慮電網供蓄特性的統一協同調度的智能電網,是實現電網科學發(fā)展的關鍵技術手段。參考文獻 1 劉振亞. 大力發(fā)展特高壓技術推動能源利用方式創(chuàng)新與變革 EB/ OL . 2009205222 . http :/ / www. in2en. com/ article/ html/energy_1118111888355513. html 2 肖世杰. 構建中國智能電網技術思考. 電力系統自動化,2009 ,33 (9) :124.XIAO Shijie. Consideration of technology

23、 for const ructing Chinese smart grid. Automation of Elect ric Power Systems ,2009 , 33 (9) : 124. 3 BAE I S , KIM J O , KIM J C. Optimal operating st rategy for dist ributed generation considering hourly reliability wort h.IEEE Trans on Power Systems , 2004 , 19 (1) : 2872292. 4 金一丁,宋強,劉文華. 電池儲能系統的

24、非線性控制器. 電力系統自動化,2009 ,33 (7) :75280.J IN Yiding , SONG Qiang , LIU Wenhua. Nonlinear cont roller for battery energy storage system. Automation of Elect ric Power Systems , 2009 , 33 (7) : 75280. 5 梁才浩,段獻忠. 分布式發(fā)電及其對電力系統的影響. 電力系統自動化,2001 ,25 (12) :53256.LIANG Caihao , DUAN Xianzhong. Dist ributed gene

25、ration and it s impact on power system. Automation of Elect ric Power Systems , 2001 , 25 (12) : 53256. 6 王建,李興源,邱曉燕. 含有分布式發(fā)電裝置的電力系統研究綜述. 電力系統自動化,2005 ,29 (24) :90295.WANG Jian , L I Xingyuan , QIU Xiaoyan. Power system research on dist ributed generation penet ration. Automation of Elect ric Power

26、Systems , 2005 , 29 (24) : 90297. 7 IEEE 1547 2003 IEEE standard for interconnecting dist ributed resources wit h elect ric power systems. 2003. 8 MARNA Y C , RUBIO F J , SIDDIQUI A S. Shape of t he microgrid/ / Proceedings of Power Engineering Society Winter Meeting : Vol 1 , J anuary 282February 1 , 2001 , Columbus ,OH , USA : 1502153. 9 魯宗相,王彩霞,閔勇,等. 微電網研究綜述. 電力系統自動化,2007 ,31 (19) :1002107.LU Zongxiang , WANG Caixia , MIN Yong , et al . Overview on micro2grid research. Automation of Elect ric Power Systems 2007 , 31 (19) : 1002107. 10 王成山,肖朝