(1.华中科技大学电气与电子工程学院 430074;2.湖州电力设计院有限公司 313000;3.国网浙江电力公司湖州供电公司 313000)
摘要：可再生能源并网比例不断增大，给电网消纳带来巨大挑战。电池储能因其灵活的充放电特性，成为了解决可再生能源波动性的关键技术。储能在电网中主要有七大应用场景：平抑功率波动、削峰填谷、改善电能质量、优化潮流分布、参与系统调频、实现微电网稳定运行、提升系统安全性。综述了储能在各个场景作用与研究，充分表明储能对维持电网稳定运行的巨大贡献，乃至推动能源互联网的发展。
关键词：电池储能 可再生能源 电力系统 应用场景
Application of battery energy storage in power system with high proportion of renewable energy
LIU Kai1, WU Kai2, JIANG Jianjie2, YANG Bin2, WU Mugen3, LOU Ping3, XU Guohua3, CAO Yuancheng1
1.School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University Of Science And Technology, Wuhan 430000,Hubei, China; 2.Huzhou Electric Power Design Institute Co., Ltd, 313000, Huzhou, P.R. China; 3.State Grid Huzhou Electric Power Supply Company, Huzhou, P.R. China, 313000)
Abstract：The proportion of renewable energy connected to the grid is increasing, which brings great impact to the grid. Because of its flexible charge and discharge characteristics, battery energy storage becomes the key technology to solve the volatility of renewable energy. There are seven main application scenarios of energy storage in power grid: stabilizing power fluctuation, cutting peak and filling valley, improving power quality, optimizing power flow distribution, participating in system frequency modulation, realizing stable operation of micro grid and improving system security. This paper summarizes the role and research of energy storage in various scenarios, which fully shows that energy storage contributes to the stable operation of power grid, and even promotes the development of energy Internet.
Key words：battery energy； renewable energy ；power system ；Application ；
1.背景介绍
近年来，随着资源的消耗和环境影响，大力发展清洁的可再生能源逐渐成为我国能源发展的主要趋势。光伏，风电等新能源的兴起开始替代化石能源，不断提高可再生能源发电占比。而可再生能源因为自身的波动性、间歇性和不确定性，会影响并网点乃至整个电网的电压质量，功率分布，传输调频能力，安全稳定等，对电力系统的运行造成了巨大挑战。
储能具有灵活的充放电特性，能有效提高电网对新能源的消纳能力，改善电能质量，保障电网的安全稳定运行，因而成为解决含高比例可再生能源电力系各项挑战的关键技术之一。目前储能应用涉及电网发电、输电、配电、用电的各个环节，可分为以下几类：①配置在发电侧，可提供一次，二次调频辅助服务；平滑光伏，风力等新能源出力的功率波动，削峰填谷；②配置在电网侧，为电网提供供电、削峰填谷、调频调压等功能服务，提高系统自身的调节能力；③配置在负荷侧，可形成微电网，作为分布式电源提升局部电网的供电可靠性；电动汽车的储能系统参与可再生能源发电调控。
可见储能系统大大增强了电网各单元的灵活性与稳定性，储能并网模型如图一所示。
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图一 储能并网模型
目前储能已有许多规模化应用，新疆建设的首个发电侧光伏储能项目——新华圣树光伏180MW光伏电站40MW/80MWh光伏储能联合运营试点项目顺利并网，该项目是新疆维吾尔自治区发改委核准的第一批光伏储能联合运行试点项目之一，也是全国最大的单体发电侧储能项目。该项目的建成并网和投运，是深入推进和田地区能源行业供给侧改革的实际举措，对电网可起到发电调峰的作用，同时也可平滑光伏电站出力，增加光伏发电机组利用小时数，提高电能质量及当地电网供电可靠性。
2.电池储能技术
近年来储能技术发展迅速，类型丰富。根据能量存储形式主要将其分为三类：
①物理储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；②电磁储能：超导磁储能、超级电容储能等；③电化学储能：锂离子、液流电池储能等。
各类储能技术发展状况与特点各有差异，相比其他储能技术，电化学储能灵活性强，发展更为成熟，商业化程度高。近年来，各种新材料电池的研制使得电池的效率、能量密度和循环寿命等基本特性得到了显著提高，在电网建设中有广泛的应用场景和发展潜力，储能技术也逐渐成为我国能源清洁化转型和能源互联网发展的重要组成部分，如图二所示。
此外，电池储能也存在一定不足，在提升安全性，降低成本，环保绿色等方面仍有待进一步的研究。
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图二 储能应用图
3.储能的应用
储能在高比例可再生能源的电力系统中有着广泛的应用场景，主要有以下七类功能：平抑功率波动、削峰填谷、改善电能质量、优化潮流分布、参与系统调频、实现微电网稳定运行、提升系统安全性。
3.1 平抑功率波动
风光等可再生能源因为地理位置，环境因素的影响，出力具有波动性强，不确定性大的特点，在并网时对系统的稳定性和电能质量造成不利影响。因此，使用储能在风光出力多时储存电能，在夜晚无风等出力小的情况下向电网输出电能，可起到平抑风光输出功率波动的效果。如图一所示，光伏发电系统通过并网逆变器与储能装置配合，进行能量的快速释放或储存，从而可以平抑光伏发电功率的波动，提高系统的暂态稳定性和电能质量。
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图三 平抑功率波动
针对大规模风、光并网系统，文献[1]提出了基于储能SOC的平抑功率波动的控制策略，在保障储能 SOC 反馈控制的条件下实现了系统实时功率分配。文献[2]研究了储能系统平抑风光出力波动时的控制方法综述，总结了平抑风光出力波动和考虑一定目标或约束的滤波算法、模型预测控制算法及引入多类型储能控制方法的优缺点。
3.2 削峰填谷
在电力需求的高峰时段，国内某些地区仍会发生电力供应不足的情况；在用电低峰期则会出现生产电能过剩，电力设备闲置的情况，将对电网带来巨大的经济损失。配置储能后通过相应的调度策略，可有效缓解电网电能分布不均衡的问题，达到削峰填谷的效果，如图三所示。有的研究[3]将新能源和储能联合进行调度，通过储能的灵活性平稳风电的波动性，实现削峰填谷的目的。
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图四 削峰填谷
3.3 改善电能质量
高比例可再生能源的波动性会使并网点的电压出现波动，潮流产生不确定性，进而影响整个电网的电能质量和运行稳定性。对于电网里传统的电压调节设备，如静止无功发生器，电力调压器，并联电容等无功补偿器，虽然可以通过无功功率调控电压大小，但一方面无法提供有功的支持，另一方面面对出力不稳定的可再生能源难以达到实时调控的效果。而储能因为优秀的无功/有功补偿效果，再配合传统的调压设备进行协调控制，能大幅提高电网的电压调节能力，保证电网运行的稳定性。
3.4 优化潮流分布
可再生能源并网后，出力随机使得系统潮流分布更复杂，无功/有功潮流调控更困难，甚至导致输电线路过载，削弱电网传输能力。储能的合理配置可以优化潮流分布，减缓线路阻塞，提高线路传输能力。
有的储能配置策略[4]不仅考虑对潮流优化，还从经济性出发提出更好方案。有的研究[5]关注储能系统的整体规划方案，考虑储能容量和位置进行合理配置。
3.5 参与系统调频
高比例可再生能源的接入加剧了电能输入输出的不平衡，提高了系统调频的难度。火电机组调频响应较慢，水电机组受限于地理和季节因素，而储能快速灵活的充放电特性体现了作为辅助调频服务的巨大优势，可有效缓解电网调频压力。
储能既可以在在发电侧参与机组调频，也可以在电网侧直接进行频率调控。作为一次调频服务，有研究[6]考虑调频功率和区域等因素，建立了相应的状态模型。作为二次调频服务，有研究[7]在风光储联合系统中通过不同的调频分段来满足各种条件，保证调频的可靠性及经济性。
3.6 实现微电网稳定运行
为了对波动性强的可再生能源进行控制和能量管理，微电网技术随之诞生，成为了分布式能源友好并网的有效解决方案。微电网从根本上改变了配电网单一的潮流结构，通过将分布式能源、负荷、储能装置形成一个整体进行协同规划和控制，满足不同区域的用电需求，提高了能源利用效率，电能质量，经济效益等。储能系统应用于微电网中，实现了与分布式能源的互补，减缓出力波动，使微电网在并网和孤岛模式下都能维持高效稳定的运行如图五所示。
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图五 微电网运行模式
并网模式下，微网可以自由地和电网交换电能，能量管理系统在维持系统能量平衡的基础上，需要更合理调配发电单元和储能单元与电网间的能量交换，通过与电网的电能交换获得更多的经济利益，优化系统的运行成本。独立模式下，微网在保证储能单元调节空间足够的前提下，能量管理系统通过启停发电单元和控制储能单元维持系统内部能量平衡，保证系统稳定运行。
3.7 提升系统安全性
在高比例可再生能源的电网中，储能装置可有效保持系统的稳定性，并提升系统的安全性。主要体现在以下几个方面：维持母线电压稳定性，保证整个电网的电压质量；通过注入无功功率支撑的方式来增强风光发电的低电压穿越能力；在系统发生故障时，作为备用能源或微网应急能源注入有功/无功功率，防止系统崩溃；在电网发生故障后，通过合适的储能协同控制策略实现配电网供电的快速恢复。如图六所示。
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图六 储能-电网安全运行
4 结语
在含高比例可再生能源的电力系统中，储能能解决新能源给电网带来的各种难题，拥有广泛的应用场景和发展潜力。主要表现在七个方面：平抑功率波动、削峰填谷、改善电能质量、优化潮流分布、参与系统调频、实现微电网稳定运行、提升系统安全性。
在各项储能技术中，电池储能有更灵活的特性，逐渐成为现代电力系统的关键技术，发挥着越来越重要的作用。目前面临的挑战是如何做到电池储能的高安全、低成本、绿色化。随着技术不断成熟，电池储能将挖掘更多的应用场景，推动我国能源清洁化的转型和能源互联网的发展。
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