儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述_艾欣

1、第32卷第5期2015年10月現(xiàn)代電力M o d e r n E l e c t r i c P o w e r V o l .32N o .5O c t .2015文章編號:1007-2322(201505-0001-09文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A中圖分類號:TM 732儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述艾欣,董春發(fā)(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué),北京102206R e v i e w o n t h e A p p l i c a t i o n o f E n e r g y S t o r a g e T e c h n o l o g y i n P o w e r S y s

2、t e m w i t h R e n e w a b l e E n e r g y S o u r c e s A I X i n ,D O N G C h u n f a (S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f A l t e r n a t e E l e c t r i c a l P o w e r S y s t e m w i t h R e n e w a b l e E n e r g y S o u r c e s (N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r

3、 s i t y ,B e i j i n g 102206,C h i n a 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(513111122;高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(“111”計劃(B 08013摘要:在總結(jié)各種儲能技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了新能源大規(guī)模并網(wǎng)存在的問題,歸納闡述了儲能技術(shù)在解決系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、功率波動、電能質(zhì)量、風(fēng)電低電壓穿越等問題中的研究進(jìn)展;針對儲能系統(tǒng)的前期規(guī)劃,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性能和技術(shù)性能要求,重點(diǎn)研究了儲能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)化配置方法,并對不同應(yīng)用場合下儲能系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行歸納;最后對儲能技術(shù)的研究方向做出展望。關(guān)鍵詞:儲能技術(shù);可再生能源;電力系統(tǒng);并網(wǎng)運(yùn)行;優(yōu)

4、化配置;控制策略A b s t r a c t :B a s e d o n t h e s u m m a r y o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t e n e r g y s t o r a g e t e c h n i q u e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s ,t h e e x i s t i n g p r o b l e m s i n l a r g e -s c a l e g r i d -c o n n e c t e d r

5、e n e w -a b l e e n e r g y s o u r c e s a r e a n a l y z e d ,a n d t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o n t h e a p p l i c a t i o n o f e n e r g y s t o r a g e t e c h n i q u e t o s o l v e s u c h p r o b l e m s a s s y s t e m o p e r a t i o n s t a b i l i t y ,p o w e r f l u c t

6、 u a t i o n ,p o w e r q u a l i t y a n d l o w v o l t a g e r i d e -t h r o u g h f o r w i n d p o w e r s ys t e m a r e d i s c u s s e d .F u r t h e r m o r e ,t o m e e t t h e e c o n o m i c a n d t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ,t h e c o m p o s i t i o n s t r u c t u r e a

7、 n d o p t i m a l a l l o c a t i o n m e t h o d o f e n e r g y s t o r a g e s y s t e m a r e m a i n l y s t u d i e d .I n a d d i t i o n ,c o n t r o l s t r a t e g i e s o f e n e r g y s t o r a g e s y s t e m i n d i f f e r e n t o p e r a t i o n a l s i t u a t i o n s a r e d i s -

8、c u s s e d .I n t h e e n d ,r e s e a r c h d i r e c t i o n a n d p r o s p e c t o f e n e r -g y s t o r a g e t e c h n o l o g y a r e f o r e c a s t e d .K e y w o r d s :e n e r g y s t o r a g e t e c h n o l o g y ;r e n e w ab l e e n e r g y s o u rc e s ;p o w e r s y s t e m ;g r id

9、 -c o n ne c t e d o p e r a t i o n ;o p t i m a l a l l o c a t i o n ;c o n t r o l s t r a t e g y0引言能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益突出,開發(fā)與利用新能源,改善能源結(jié)構(gòu)成為世界各國的共識。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電作為主要的清潔能源利用形式,具有與傳統(tǒng)電源競爭的潛力,得到了快速的發(fā)展。截止2013年底,我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)91.4GW ,光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)19.4GW ,均位列世界第一1-2。但是,風(fēng)電和光伏發(fā)電出力顯示出較強(qiáng)的波動性和隨機(jī)性,影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定3。這給電網(wǎng)的調(diào)度帶來困難,

10、對供電的持續(xù)性和可靠性產(chǎn)生不利影響4,同時限制了其自身的發(fā)展。在新能源的并網(wǎng)過程中,通過在出口側(cè)安裝儲能裝置,可以平抑輸出功率的波動5,一定程度上將新能源電源轉(zhuǎn)化為可調(diào)度的電源,有助于減少對電力系統(tǒng)的沖擊6,提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,此外還可以提供電壓支撐,改善電能質(zhì)量等7。因此,儲能技術(shù)被認(rèn)為是解決目前和將來電網(wǎng)中新能源穿透率持續(xù)增加等問題的可行方案。本文首先簡要總結(jié)了各種儲能技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀,對儲能系統(tǒng)解決新能源并網(wǎng)問題中的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)分析,然后重點(diǎn)對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法進(jìn)行研究歸納,并總結(jié)儲能系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀況時的控制策略,最后,對儲能技術(shù)的研究方向和應(yīng)用前景做出展望。1儲能技術(shù)的

11、分類及應(yīng)用現(xiàn)狀電能可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、化學(xué)能、電磁能等形式進(jìn)行存儲,按照方式的不同可分為機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲能四大類型。其中機(jī)械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等;電化學(xué)儲能包括鉛酸、鎳隔、鋰離子、鈉硫、液流等電池儲能;電磁儲能包括超導(dǎo)、超級電容和高能密度電容儲能等;相變儲能通過儲熱物質(zhì)發(fā)生相變進(jìn)而吸收或者放出潛熱實(shí)現(xiàn)8,既可在夏季蓄熱也可在冬季蓄冷,主要應(yīng)用場合包括蓄冷空調(diào)系統(tǒng),熱電相變蓄熱裝置和建筑節(jié)能9(用于墻體、天花板中等。表1對典型的儲能形式的特點(diǎn)、應(yīng)用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。表1應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)比較儲能方式主要特點(diǎn)功率范圍應(yīng)用時間應(yīng)用場合抽水蓄能容量大

12、、壽命長100MW2000MW日級削峰填谷、系統(tǒng)備用、黑啟動壓縮空氣功率范圍廣、環(huán)境友好100MW300MW日級頻率控制、新能源出力平抑飛輪儲能儲能周期長、效率高5k W1.5MW分鐘級調(diào)峰/頻、平滑功率輸出鋰電池能量密度高、充放電快千瓦級兆瓦級小時級備用電源、電動汽車液流電池100%充放電、循環(huán)壽命長100k W100MW小時級抑制功率波動、新能源發(fā)電超導(dǎo)儲能功率大、響應(yīng)速度快10k W1MW分鐘級電能質(zhì)量、提高穩(wěn)定性超級電容器功率密度高、壽命長1k W100k W分鐘級平滑功率、電能質(zhì)量、F A C T S技術(shù)相變儲能儲能密度高、耐久性強(qiáng)兆瓦級日級電力調(diào)峰2儲能技術(shù)在新能源大規(guī)模并網(wǎng)中的應(yīng)

13、用2.1新能源大規(guī)模并網(wǎng)存在的問題由于風(fēng)能本身的隨機(jī)性和波動性,風(fēng)電出力表現(xiàn)出很大程度的波動性和不確定性10;同時風(fēng)能的不可控使得風(fēng)電具有弱致穩(wěn)性和弱抗擾性11。在我國風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送的模式下,風(fēng)電出力的上述特性對電力系統(tǒng)的供電充裕性和運(yùn)行穩(wěn)定性5,12的影響更為嚴(yán)重;此外,電網(wǎng)薄弱地區(qū)的電壓穩(wěn)定性問題13和有功備用不足電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題14-15也值得關(guān)注。另一方面,風(fēng)速的隨機(jī)變化和風(fēng)機(jī)本身特性,以及風(fēng)電系統(tǒng)中電力電子器件應(yīng)用,帶來電壓暫降16、諧波12等電能質(zhì)量問題。風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越(l o wv o l t a g e r i d e-t h r o u g h,L V R

14、 T問題也值得關(guān)注,故障發(fā)生時,若風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模同時從系統(tǒng)解列,可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng),嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行17。同樣,光伏發(fā)電大規(guī)模接入公共電網(wǎng)后,其出力的波動性使得電網(wǎng)常規(guī)的調(diào)度及控制策略難以適應(yīng),電網(wǎng)自身的運(yùn)行調(diào)整與控制能力被削弱,給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新問題18。分析上述問題,新能源出力缺乏可控性19是根本原因,風(fēng)電、光伏等出力的波動性和不確定性使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對新能源發(fā)電出力進(jìn)行有效控制,改善出力特性,將其變?yōu)榭烧{(diào)度的電源,成為解決上述問題的關(guān)鍵。儲能作為能量的轉(zhuǎn)換手段,提供了能量高效利用和靈活轉(zhuǎn)換的方式,可以在一定程度上改善可再生能源電源的出力特性,為新能源大規(guī)模

15、并網(wǎng)問題的解決提供了途徑。2.2儲能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用2.2.1提高含風(fēng)電電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本措施在于改進(jìn)系統(tǒng)的瞬時功率平衡水平,儲能系統(tǒng)能夠響應(yīng)有功及無功功率需求,改善系統(tǒng)的瞬時功率平衡水平,增強(qiáng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。對于電壓穩(wěn)定性問題,文獻(xiàn)3針對并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線短路故障和風(fēng)速擾動,研究了超導(dǎo)儲能(s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g e,S M E S在改善并網(wǎng)風(fēng)電場運(yùn)行穩(wěn)定性中的作用。仿真表明網(wǎng)絡(luò)故障后S M E S能夠有效地提高風(fēng)電場的穩(wěn)定性,而且在快速的

16、風(fēng)速擾動下能夠平滑風(fēng)電場的輸出,降低風(fēng)電波動對電網(wǎng)的沖擊。文獻(xiàn)13將S M E S應(yīng)用于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),建立了S M E S模型和加入S M E S后系統(tǒng)的線性化仿真模型,采用基因算法求最優(yōu)反饋矩2現(xiàn)代電力2015年陣,仿真結(jié)果表明S M E S單元對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓具有極大的改善作用。頻率穩(wěn)定性問題的研究主要集中在儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)電輸出功率方面。文獻(xiàn)6提出了將飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制中,通過對控制飛輪儲能系統(tǒng)充放電實(shí)現(xiàn)平滑風(fēng)機(jī)輸出功率、參與電網(wǎng)頻率控制的任務(wù),仿真驗(yàn)證了方案的可行性。文獻(xiàn)15將風(fēng)能等可再生能源作為S M E S 裝置的充電電源,為可再生能

17、源的使用提出一個新的思路,S M E S裝置可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡(luò)線功率流動,同時改善系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用不足的問題。文獻(xiàn)20研究了采用超導(dǎo)儲能系統(tǒng)改善頻率穩(wěn)定性問題,仿真結(jié)果表明,超導(dǎo)儲能系統(tǒng)在文中既定的條件下使得系統(tǒng)的最大頻率偏差降低,有效改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性,且超導(dǎo)儲能系統(tǒng)容量越大系統(tǒng)頻率偏差越小。因此,增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要配備具有快速響應(yīng)能力的儲能系統(tǒng),如超導(dǎo)儲能、飛輪儲能等,它們能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行的要求,補(bǔ)償功率差額。但是,由于風(fēng)電出力本身的不確定性,基于歷史出力數(shù)據(jù)的儲能系統(tǒng)合理配置及適當(dāng)?shù)目刂撇呗猿蔀檠芯康年P(guān)鍵問題。2.2.2改

18、善電能質(zhì)量儲能系統(tǒng)在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用主要集中在抑制電壓波動、電壓暫降等方面。文獻(xiàn)7針對微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,分析了儲能解決電壓驟降、電壓跌落等電能質(zhì)量問題的方案。文獻(xiàn)21介紹了超級電容儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用,通過在P S C A D下建模仿真說明了其在解決分布式發(fā)電電能質(zhì)量等問題方面有很好的效果。改善電壓波動、電壓暫降等電能質(zhì)量問題關(guān)鍵在于短時功率的動態(tài)補(bǔ)償,需要儲能系統(tǒng)具備毫秒級功率動態(tài)調(diào)節(jié)的能力,因此,選擇超級電容儲能、超導(dǎo)儲能等是比較合適的。2.2.3平抑功率波動風(fēng)電出力缺乏可控性是造成風(fēng)電并網(wǎng)諸多問題的根本原因。儲能系統(tǒng)能夠有效改善其出力特性,平滑風(fēng)電出力,在一定程度上使其成

19、為可調(diào)度的電源。目前針對儲能技術(shù)平抑風(fēng)電出力波動的研究包括風(fēng)電場和風(fēng)電機(jī)組兩個層面。文獻(xiàn)12給出一種串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)的電路拓?fù)?將其用于風(fēng)力發(fā)電,仿真表明并聯(lián)補(bǔ)償可以有效地改善風(fēng)力發(fā)電的不確定因素,平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力;串聯(lián)補(bǔ)償可以有效地提高供電電壓的可靠性,抑制電壓暫降,提高風(fēng)電場穩(wěn)定性。文獻(xiàn)22提出在基于全功率變頻器的永磁同步風(fēng)電機(jī)組的直流母線上并聯(lián)飛輪儲能裝置,并通過模糊控制,從而實(shí)現(xiàn)抑制風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動?？紤]到大型風(fēng)電場的輸出功率在一定程度上具有互補(bǔ)性,且大規(guī)模的集中儲能有利于控制,風(fēng)電場層面的儲能方式受到較大關(guān)注。2.2.4提高風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力在風(fēng)電穿透功率較

20、高的電力系統(tǒng)中,L V R T 是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。有L V R T 功能的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)能有效解決并網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定性問題,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強(qiáng)23。儲能系統(tǒng)在提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的研究主要集中于儲能系統(tǒng)的選擇和控制策略的設(shè)計兩個方面。其中,文獻(xiàn)24提出一種利用飛輪儲能提高永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力的控制策略,通過風(fēng)電機(jī)組和飛輪儲能的功率變換器的協(xié)調(diào)控制,在電網(wǎng)故障期間,利用飛輪儲能的快速有功調(diào)節(jié)能力保持風(fēng)電機(jī)組功率變換器的直流母線電壓穩(wěn)定,同時控制風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)發(fā)出一定的無功,幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù),從而提高風(fēng)電機(jī)組L V R T能力。文獻(xiàn)25研究了靜止同

21、步補(bǔ)償裝置/蓄電池儲能用于增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組L V R T功能的問題,并設(shè)計了相應(yīng)的控制策略,仿真結(jié)果表明,該方式可有效增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的L V R T能力。2.3儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)中的應(yīng)用儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)中的應(yīng)用同樣集中在平衡系統(tǒng)瞬時功率,改善電能質(zhì)量,維持系統(tǒng)可靠運(yùn)行等方面。文獻(xiàn)4建立了混合儲能的數(shù)學(xué)模型,提出一種無源式并聯(lián)儲能方案并應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng),仿真實(shí)驗(yàn)表明,在光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率和負(fù)載功率脈動的情況下,蓄電池的充放電電流比較平滑;文獻(xiàn)10將能量密度大、環(huán)境友好的磷酸鐵鋰電池和功率密度高、循環(huán)使用壽命長的超級電容組合,構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于獨(dú)立光伏發(fā)電系3第5期艾欣等:儲能技術(shù)在新能源電力系

22、統(tǒng)中的研究綜述統(tǒng),并設(shè)計了控制結(jié)構(gòu)和控制方式。仿真結(jié)果表明,在光伏電池輸出功率存在波動且負(fù)載發(fā)生脈動的情況下,儲能系統(tǒng)能迅速平衡系統(tǒng)瞬時功率,維持系統(tǒng)可靠運(yùn)行。超級電容器蓄電池混合儲能在該領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿?但目前相關(guān)的研究和應(yīng)用還很少,將會成為重要的研究方向。3儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置和控制策略研究如前所述,儲能系統(tǒng)在解決新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵問題,提高電網(wǎng)對新能源發(fā)電的消納能力等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此,為更好地發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用,對其優(yōu)化配置和控制策略等方面的深入研究顯得尤為必要。3.1儲能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)儲能系統(tǒng)可分別由單種儲能形式和多種儲能形式構(gòu)成。對新能源并網(wǎng)功率進(jìn)行控制的過程中,

23、綜合考慮系統(tǒng)成本、體積等因素,需要儲能系統(tǒng)具有高功率和高能量密度、壽命長等特點(diǎn)。在風(fēng)電和光伏等新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的系統(tǒng)中,兩種儲能結(jié)構(gòu)均有應(yīng)用;在小規(guī)模接入的微網(wǎng)中,由于新能源發(fā)電的間歇性要求儲能單元具有高能量密度,同時,負(fù)荷的快速波動要求儲能單元具有高功率密度,因此,由高功率密度和高能量密度的儲能單元組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中有廣闊的應(yīng)用前景。對于復(fù)合儲能系統(tǒng)中儲能單元的選擇,由于微網(wǎng)的功率波動通常在幾兆瓦范圍內(nèi),蓄電池、超級電容器和飛輪儲能是比較合適的選擇,而蓄電池和超級電容器分別屬于高能量密度和高功率密度的儲能單元,它們的組合是很合適的選擇。文獻(xiàn)26表明在孤立的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池-

24、超級電容器混合儲能系統(tǒng)的性能優(yōu)于單獨(dú)的蓄電池儲能系統(tǒng)。文獻(xiàn)27表明蓄電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)不僅具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn),同時可延長蓄電池的使用壽命。文獻(xiàn)28定性地分析了該混合儲能系統(tǒng)在蓄電池的功率和使用壽命方面的延長作用。3.2儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置鑒于儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電并網(wǎng)中起到提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量、平抑功率波動等重要作用,可明顯改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和技術(shù)性能。因此,考慮儲能系統(tǒng)的位置和容量,合理地對儲能系統(tǒng)進(jìn)行配置,使之在滿足系統(tǒng)技術(shù)性能要求的同時,盡可能地提高經(jīng)濟(jì)性能,成為目前亟待解決的問題。儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置與新能源發(fā)電的運(yùn)行特性、出力曲線以及電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)等密

25、切相關(guān),對其優(yōu)化配置的研究一般以新能源發(fā)電的出力曲線和負(fù)荷特性為基礎(chǔ),考慮系統(tǒng)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能的要求,優(yōu)化對象為含新能源發(fā)電的聯(lián)合系統(tǒng),圖1為新能源并網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置框圖 。圖1新能源并網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置框圖3.2.1新能源大規(guī)模并網(wǎng)系統(tǒng)中的優(yōu)化配置由于新能源出力固有的間歇性和波動性,加之出力預(yù)測誤差的存在,使其無法具有類似傳統(tǒng)發(fā)電形式的調(diào)度靈活性。因此,在新能源大規(guī)模并網(wǎng)的系統(tǒng)中,為積極響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度,儲能系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在平抑出力波動和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等場合?？紤]技術(shù)指標(biāo),文獻(xiàn)29-33研究了儲能系統(tǒng)在平抑新能源出力波動中的優(yōu)化配置方法:文獻(xiàn)29定義了輸出功率波動率指標(biāo),并設(shè)

26、定波動率的上限;文獻(xiàn)30考慮混合儲能系統(tǒng)能量損失率和能量缺失率等運(yùn)行指標(biāo),建立優(yōu)化配置模型;文獻(xiàn)31考慮電池儲能系統(tǒng)功率容量與風(fēng)功率預(yù)測誤差、準(zhǔn)確率、合格率以及容量需求滿足率等指標(biāo);文獻(xiàn)32對大型并網(wǎng)風(fēng)電場在不同儲能容量配比關(guān)系下出力的平滑效果進(jìn)行仿真分析,得到儲能系統(tǒng)容量和風(fēng)電場規(guī)模的合適配比關(guān)系,初步優(yōu)化了儲能系統(tǒng)的容量。此外,為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,文獻(xiàn)33分析了儲能裝置在提高暫態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性中的作用,定義系統(tǒng)偏離原穩(wěn)定狀態(tài)的指標(biāo),并與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)結(jié)合進(jìn)行儲能裝置容量的配置。4現(xiàn)代電力2015年在滿足技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置應(yīng)盡可能提高新能源聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。目前已有很多學(xué)者綜

27、合考慮系統(tǒng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行研究,文獻(xiàn)34-36中以并網(wǎng)新能源儲能系統(tǒng)的凈收益最大為目標(biāo),進(jìn)行儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置:m a x F=P d-P e s s-E e s s(1式中:為新能源發(fā)電的單位上網(wǎng)電價,、分別為儲能系統(tǒng)的功率、容量的初始投資在研究周期T 內(nèi)每小時內(nèi)的攤銷成本;P d為研究周期內(nèi)新能源的并網(wǎng)功率,P e s s、E e s s分別為儲能系統(tǒng)的設(shè)計功率和設(shè)計容量。文獻(xiàn)34基于負(fù)荷峰谷差改善指標(biāo),綜合考慮儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和投資成本,以儲能系統(tǒng)運(yùn)行年限內(nèi)的總收益最大為目標(biāo),構(gòu)建了容量配置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),提出用于松弛調(diào)峰瓶頸的大規(guī)模儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配制方法,以改善風(fēng)電穿透率較高時

28、系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性;文獻(xiàn)35在保證風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和電壓合格的前提下,建立了以風(fēng)電-蓄電池聯(lián)合系統(tǒng)凈收益最大化為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù),通過對蓄電池容量進(jìn)行合理的配置,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化;文獻(xiàn)36綜合考慮復(fù)合儲能系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能,建立了反映復(fù)合儲能系統(tǒng)特性參數(shù)-風(fēng)電功率平滑度、復(fù)合儲能系統(tǒng)成本特性的長期數(shù)學(xué)模型,通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,該方法適用于不同等級的任意風(fēng)電場的復(fù)合儲能系統(tǒng)容量配置的選定;此外,文獻(xiàn)37以風(fēng)電場等效輸出功率方差和最小為技術(shù)指標(biāo),建立波動水平的置信度約束,保證風(fēng)電場的功率波動在合理的范圍,以儲能系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化;文獻(xiàn)38在保證風(fēng)場功率波動在合理范圍的基礎(chǔ)

29、上,引入蓄電池壽命周期成本函數(shù),進(jìn)行功率的配置,實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行成本的最小化。3.2.2配電網(wǎng)/微網(wǎng)中的優(yōu)化配置在包含風(fēng)機(jī)、光伏陣列、儲能裝置和其他不間斷電源等多種電源結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)中,系統(tǒng)的首要任務(wù)是保證功率平衡,因此儲能系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中于保證供需平衡和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量等方面。考慮供需平衡的要求,儲能系統(tǒng)的配置考慮了相關(guān)的技術(shù)指標(biāo):文獻(xiàn)39將補(bǔ)償后各時段負(fù)荷與負(fù)荷均值偏差的平方和作為評判指標(biāo),同時考慮可再生能源功率波動平抑的要求;文獻(xiàn)40-41均考慮供電可靠性的要求,分別以微網(wǎng)缺電概率和失負(fù)荷概率作為優(yōu)化配置的技術(shù)指標(biāo);此外,文獻(xiàn)42-44也都對供需平衡問題分析了相應(yīng)的技術(shù)要求。同時,

30、儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)和微網(wǎng)中的應(yīng)用也需考慮電能質(zhì)量的要求,文獻(xiàn)45分析了儲能系統(tǒng)對于配網(wǎng)電壓質(zhì)量的提升作用,并運(yùn)用相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)和饋線電壓指標(biāo)作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與儲能在新能源大規(guī)模并網(wǎng)中的配置類似,其在含新能源發(fā)電的配電網(wǎng)/微網(wǎng)的配置同樣需要進(jìn)行技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能的綜合考慮。文獻(xiàn)40-41,43-44,46-47中均以綜合成本(包括初始投資和運(yùn)行維護(hù)成本最小為目標(biāo)建立了儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型,有m i ntTsSC t,s+rRC t,r+hHC t,(h(2式中:T為研究的周期;t為其中的時間段;S、R、H分別為儲能單元、新能源發(fā)電單元和傳統(tǒng)機(jī)組的總臺數(shù);C t,s、C t,r、C t,h分別表

31、示在該時間段內(nèi)儲能單元、新能源發(fā)電單元和傳統(tǒng)機(jī)組攤銷的投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本之和。其中,文獻(xiàn)40、文獻(xiàn)41根據(jù)響應(yīng)的供電可靠性指標(biāo)要求缺電概率和失負(fù)荷概率,建立了計及設(shè)備投資成本、運(yùn)行和維護(hù)成本、燃料成本、環(huán)保折算成本的孤立風(fēng)光儲系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型,分別采用改進(jìn)的細(xì)菌覓食算法和改進(jìn)粒子群算法求解最優(yōu)配置方案,得到微電網(wǎng)電源的類型及其容量的最優(yōu)方案;文獻(xiàn)43將設(shè)備的投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本等考慮在內(nèi),計及系統(tǒng)供需平衡約束,建立了成本最小化的優(yōu)化模型,同時提出分散優(yōu)化框架以解決大規(guī)模優(yōu)化帶來的求解困難問題;文獻(xiàn)44將光伏輻射利用率和光伏陣列效率等概念用于孤立光伏系統(tǒng)的設(shè)計,在考慮初始投資成本和運(yùn)行維

32、護(hù)成本的基礎(chǔ)上,考慮系統(tǒng)周期內(nèi)電池的更換成本,進(jìn)行蓄電池容量的配置;文獻(xiàn)46-47均采用基于隨機(jī)優(yōu)化的儲能系統(tǒng)定容,其中,文獻(xiàn)46運(yùn)用代表性的數(shù)據(jù),考慮傳輸能量的成本、儲能系統(tǒng)的效率等因素,文獻(xiàn)47提出隨機(jī)框架,通過儲能技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,并運(yùn)用遺傳算法和概率最優(yōu)潮流相結(jié)合的方法進(jìn)行儲能系統(tǒng)位置和容量的最優(yōu)配置;文獻(xiàn)48提出了基于機(jī)會5第5期艾欣等:儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述 現(xiàn)代電力 年 約束規(guī)劃 的 混 合 儲 能 容 量 配 置 方 法 ， 考 慮 混 合 儲 能裝置的 功 率 出 力 和 荷 電 狀 態(tài) 約 束 ， 以 裝 置 成 本 最低為目 標(biāo) ， 得 到 風(fēng)

33、 電 輸 出 功 率 波 動 不 超 過 某 一 區(qū)間的置信度與混 合 儲 能 最 佳 配 置 成 本 間 的 關(guān) 系 ， 從而為配 置 混 合 儲 能 容 量 時 為 在 電 能 質(zhì) 量 和 經(jīng) 濟(jì) 性間取得適度折中提供了定量依據(jù) 。 此外 ， 對于 儲 能 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 化 配 置 ， 也 有 學(xué) 者 運(yùn)用數(shù)學(xué) 方 法 進(jìn) 行 優(yōu) 化 研 究 。 文 獻(xiàn) 通 過 分 析光伏出 力 短 期 預(yù) 測 誤 差 和 負(fù) 荷 短 期 預(yù) 測 誤 差 的 概率統(tǒng)計 規(guī) 律 和 隨 機(jī) 過 程 ， 利 用 區(qū) 間 估 計 方 法 得 出儲能設(shè) 備 容 量 配 置 函 數(shù) ， 進(jìn) 而 得 到 儲 能 容

34、 量 的 最優(yōu)配置 。 目前 ， 儲 能 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 配 置 的 研 究 主 要 考 慮 含 新能源發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 技 術(shù) 性 能 和 經(jīng) 濟(jì) 性 能 ， 對 于 儲 能系統(tǒng)的 合 理 配 置 與 調(diào) 度 ， 優(yōu) 化 方 法 的 運(yùn) 用 以 及 微網(wǎng)中電源結(jié)構(gòu)的選擇仍將是研究的熱點(diǎn) 。 儲能系統(tǒng)的控制策略分析 儲能系 統(tǒng) 配 置 完 成 后 ， 設(shè) 計 準(zhǔn) 確 高 效 的 控 制 系統(tǒng)對于其 補(bǔ) 償 效 果 至 關(guān) 重 要 ， 而 在 其 中 ， 如 何 合理選擇儲能系統(tǒng) 的 控 制 信 號 和 相 應(yīng) 的 控 制 策 略 ， 又成為控 制 系 統(tǒng) 的 核 心 和 關(guān) 鍵 。 針 對

35、儲 能 系 統(tǒng) 的 不同應(yīng)用 場 合 ， 眾 多 學(xué) 者 對 其 中 的 控 制 策 略 進(jìn) 行 了研究 。 在以平 抑 功 率 波 動 為 主 要 應(yīng) 用 目 標(biāo) 的 儲 能 系 統(tǒng)中 ， 文 獻(xiàn) 分 析 了 其 中 的 控 制 策 略 ： 文 給出了基于閥控式鉛酸電池的儲能系統(tǒng) 獻(xiàn) 主電路參 數(shù) 設(shè) 計 原 則 ， 并 使 用 定 周 期 比 較 法 實(shí) 現(xiàn) 電路 的 定 功 率 控 制 ， 精 確 反 饋 線 性 化 算法 實(shí) 現(xiàn) 并 網(wǎng) 變 流 器 的 定 電 壓 和 無 功 控 制； 基 于 風(fēng) 電 功 率 短 期 預(yù) 測 技 術(shù)， 根 據(jù) 風(fēng) 文獻(xiàn) 電實(shí)發(fā)功 率 與 預(yù) 測 功 率

36、 與 波 動 上 下 限 的 關(guān) 系 ， 提 出了平抑 風(fēng) 電 功 率 波 動 的 全 釩 電 池 儲 能 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 控制策略 ， 并 給 出 控 制 算 法 流 程 ； 文 獻(xiàn) 采 用飛輪儲 能 系 統(tǒng) 輔 助 的 微 網(wǎng) 方 案 ， 利 用 其 大 功 率 充放電的 特 點(diǎn) ， 設(shè) 計 了 并 網(wǎng) 變 流 器 的 定 功 率 控 制 方案 ， 通過測量網(wǎng) 側(cè) 功 率 決 定 變 流 器 的 輸 出 電 流 ， 實(shí)現(xiàn)平抑微型電源功率和負(fù)荷波動的功能 。 為提高 儲 能 系 統(tǒng) 在 改 善 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 穩(wěn) 定 性 中 的 對其中的控制策略進(jìn)行了研 效果 ， 文獻(xiàn) 提出了改善并網(wǎng)風(fēng)電場

37、暫態(tài)穩(wěn)定 究 。 文獻(xiàn) 性的超導(dǎo) 磁 儲 能 裝 置 控 制 策 略 ， 網(wǎng) 側(cè) 采 用 以 電 壓 定向的矢 量 控 制 方 案 并 通 過 附 加 前 饋 項(xiàng) 來 實(shí) 現(xiàn) 其 輸出有功 、 無 功 功 率 的 解 耦 ； 文 獻(xiàn) 研 究 了 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中不 同 控 制 信 號 的 選 取 ， 如 轉(zhuǎn) 速功 率電壓偏差量 ， 分上層 控 制 和 底 層 控 制 兩 類 對 超 導(dǎo)儲能系 統(tǒng) 控 制 策 略 進(jìn) 行 研 究 ， 分 析 了 其 中 的 自 適應(yīng)控制 和 魯 棒 控 制 等 ； 文 獻(xiàn) 提 出 了 一 種 高滲透率 大 規(guī) 模 風(fēng) 電 接 入 后 風(fēng) 儲 孤 立 電 網(wǎng) 的 控

38、 制 策略 ， 包括 上 層 的 廣 域 功 率 平 衡 控 制 和 下 層 儲 能 設(shè)備電壓頻率控制 ， 通 過 實(shí) 時 檢 測 電 網(wǎng) 電 壓 和 頻 率偏差生 成 有 功 和 無 功 電 流 指 令 控 制 儲 能 系 統(tǒng) 進(jìn) 行功率補(bǔ)償 ， 保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 。 此外 ， 針 對 超 級 電 容 裝 置 在 改 善 系 統(tǒng) 電 能 質(zhì) 量中的應(yīng) 用 ， 文 獻(xiàn) 基 于 超 級 電 容 儲 能 的 風(fēng) 電場功率 調(diào) 節(jié) 裝 置 的 工 作 原 理 和 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) ， 提 出 了一種網(wǎng) 級 控 制 、 超 級 電 容 能 量 管 理 和 變 流 器 控 制相結(jié)合的 控 制 策 略

39、， 進(jìn) 行 環(huán) 路 控 制 器 設(shè) 計 ， 以 降低風(fēng)場對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響 。 由于新能 源 出 力 的 波 動 平 抑 和 并 網(wǎng) 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定運(yùn)行需 要 儲 能 系 統(tǒng) 兼 具 高 功 率 密 度 、 高 能 量 密 度 、 高循 環(huán) 壽 命 的 特 點(diǎn) ， 而 受 儲 能 機(jī) 理 影 響 ， 單 種儲能技 術(shù) 很 難 滿 足 全 部 要 求 ， 對 此 很 多 學(xué) 者 提 出采用高 能 量 密 度 的 蓄 電 池 與 高 功 率 密 度 的 超 級 電容器相 結(jié) 合 的 混 合 儲 能 方 法 ， 以 提 高 儲 能 系 統(tǒng) 的整體性能 ， 相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成果 。 根據(jù)蓄

40、電池和超級電容的荷電狀 文獻(xiàn) 態(tài) ， 采用模 糊 控 制 理 論 將 超 出 目 標(biāo) 值 的 功 率 偏 差 在兩種儲 能 介 質(zhì) 之 間 進(jìn) 行 分 配 ， 算 例 表 明 所 提 控 制策略能 夠 有 效 地 平 抑 可 再 生 能 源 功 率 波 動 ； 文 針對 風(fēng) 電 波 動 功 率 的 平 抑 需 求 ， 提 出 一 獻(xiàn) 種新型混合儲能系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 及 其 分 層 控 制 模 型 （ 能量 ， 根據(jù)預(yù) 置 的 專 家 信 息 庫 ， 得 到 相 應(yīng) 層 、 系統(tǒng)層 ） 充放電控 制 器 的 控 制 算 法 ； 文 獻(xiàn) 根 據(jù) 超 級 電容器和 蓄 電 池 的 輸 出 特 性 和

41、應(yīng) 用 需 求 ， 以 其 能 量為核心 進(jìn) 行 混 合 儲 能 系 統(tǒng) 控 制 策 略 的 設(shè) 計 ， 該 策略具有 中 央 管 理 單 元 和 本 地 控 制 兩 個 層 次 ， 并 且具有自適應(yīng)性 。 需要指 出 ， 儲 能 系 統(tǒng) 在 新 能 源 電 力 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng)用目標(biāo) 往 往 并 不 單 一 ， 關(guān) 于 其 控 制 策 略 的 選 擇 涉及可行性 、 經(jīng) 濟(jì) 性 和 有 效 性 等 多 個 指 標(biāo) 。 多 元 復(fù)合儲能 系 統(tǒng) 的 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 風(fēng) 光 儲 系 統(tǒng) 的 聯(lián) 合 協(xié) 調(diào)控制等問題 ， 仍將是研究的熱點(diǎn) 。 儲能技術(shù)的研究方向與展望 隨著新能源 發(fā) 電 的

42、 日 益 普 及 ， 以 及 電 網(wǎng) 調(diào) 峰 、 （ ） ： ： 現(xiàn)代電力 ， ， 第期 艾 欣等 ： 儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述 提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定 性 和 改 善 電 能 質(zhì) 量 的 迫 切 需 求 ， 。 因 此， 電 力 電力儲能 系 統(tǒng) 的 重 要 性 日 益 凸 顯 吳俊玲 ， 吳 畏 ， 周 雙 喜 超 導(dǎo) 儲 能 改 善 并 網(wǎng) 風(fēng) 電 場 穩(wěn)定 性 的 研 究 電 工 電 能 新 技 術(shù) ， ， （ ） ： 唐西勝 ， 武 鑫 ， 齊 智 平 超 級 電 容 器 蓄 電 池 混 合 儲 能獨(dú)立光伏 系 統(tǒng) 研 究 太 陽 能 學(xué) 報 ， ， （ ） ： 張步涵 ， 曾

43、杰 ， 毛 承 雄 ， 等 電 池 儲 能 系 統(tǒng) 在 改 善 并網(wǎng)風(fēng)電 場 電 能 質(zhì) 量 和 穩(wěn) 定 性 中 的 應(yīng) 用 電 網(wǎng) （ ） ： 技術(shù) ， ， 孫春順 ， 王 耀 南 ， 李 欣 然 飛 輪 輔 助 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 系 統(tǒng)功率和頻 率 綜 合 控 制 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報， （ ） ： ， 周 林， 黃 勇， 郭 珂， 等 微 電 網(wǎng) 儲 能 技 術(shù) 研 究 綜 述 ， （ ） ： 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 ， 張仁元 ， 柯 秀 芳 相 變 儲 能 技 術(shù) 在 電 力 調(diào) 峰 中 的 工 （ ） ： 程應(yīng)用 中國電力 ， ， 陳慧 斌 ， 沈 學(xué) 忠 電 力 調(diào) 峰

44、和 相 變 儲 能 技 術(shù) （ ） ： 陜西電力 ， 侯世英 ， 房勇 ， 孫 韜 ， 等 混 合 儲 能 系 統(tǒng) 在 獨(dú) 立 光 伏發(fā) 電 系 統(tǒng) 功 率 平 衡 中 的 應(yīng) 用 電 網(wǎng) 技 術(shù)， （ ） ： ， 袁小明 ， 程時杰 ， 文 勁 宇 儲 能 技 術(shù) 在 解 決 大 規(guī) 模 風(fēng)電并網(wǎng) 問 題 中 的 應(yīng) 用 前 景 分 析 電 力 系 統(tǒng) 自 （ ） ： 動化 ， ， 張步涵 ， 曾杰 ， 毛 承 雄 ， 等 串 并 聯(lián) 型 超 級 電 容 器 儲能系統(tǒng) 在 風(fēng) 力 發(fā) 電 中 的 應(yīng) 用 電 力 自 動 化 設(shè) （ ） ： 備 ， ， 陳星鶯 ， 劉孟覺 ， 單 淵 達(dá) 超

45、導(dǎo) 儲 能 單 元 在 并 網(wǎng) 型 風(fēng)力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報， （ ） ： ， ， ， ： ， （ ） 李紅梅 ， 嚴(yán) 正 用 可 再 生 能 源 充 電 的 裝置在 系統(tǒng)調(diào) 頻 中 的 應(yīng) 用 電 力 系 統(tǒng) 自 動 化 ， （ ） ： ， ， ， ， ： 王偉 ， 孫明冬 ， 朱曉 東 雙 饋 式 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 低 電 壓 穿越 技 術(shù) 分 析 電 力 系 統(tǒng) 自 動 化 ， ， （ ） ： 李碧君 ， 方勇 杰 ， 楊 衛(wèi) 東 ， 等 光 伏 發(fā) 電 并 網(wǎng) 大 電 網(wǎng)面臨的問題與對 策 電 網(wǎng) 與 清 潔 能 源 ， ， （ ） ： 儲能技術(shù) 的 應(yīng) 用 前 景 非 常 廣 闊 。 目 前 在 儲 能 技 術(shù) 及其應(yīng)用領(lǐng)域中 ， 研究的熱點(diǎn)問題如下 。 兼具高 功 率 密 度 、 高 能 量 密 度 的 多 元 復(fù) 合 儲能系統(tǒng) 是 解 決 新 能 源