楊俊杰

杭州華辰電力控制工程有限公司，浙江 杭州 310014

0 引言

近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，風(fēng)電、太陽(yáng)能等實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，新增能源裝機(jī)比例。但是，隨著低碳能源的快速發(fā)展，新接入能源電網(wǎng)的波動(dòng)性和臨時(shí)性對(duì)電網(wǎng)安全的調(diào)控、運(yùn)行和控制產(chǎn)生了負(fù)面影響，嚴(yán)重制約了能源的高效利用[1]。分散式集中發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合是應(yīng)對(duì)新型發(fā)電和并網(wǎng)挑戰(zhàn)的有效方式，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，也為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略提供了重要的支撐。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)概述

儲(chǔ)能電池的功率和能量可以靈活調(diào)節(jié)，響應(yīng)比較迅速，可以滿足多種應(yīng)用需求，且可以不受地理資源等外部條件的限制進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用和批量生產(chǎn)，它在新并網(wǎng)與輔助電網(wǎng)運(yùn)行的互動(dòng)中占據(jù)不可或缺的地位。近年來(lái)，電動(dòng)汽車發(fā)展勢(shì)頭較好，電池壽命和成本問(wèn)題在很大程度上已經(jīng)得到改善，并且電池技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中，它是最具關(guān)注度和發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)。然而，傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的固定串并聯(lián)連接方式，無(wú)法在電芯層面進(jìn)行精確檢測(cè)和控制[2]?；陔姵仃嚵械目芍貥?gòu)數(shù)字儲(chǔ)能技術(shù)，可將電池單元產(chǎn)生的連續(xù)能量流通過(guò)高頻、高效的電子功率半導(dǎo)體元件進(jìn)行離散化和數(shù)字化，將物理域中的電池映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)字域映射，消除了電芯物理化學(xué)性質(zhì)帶來(lái)的差異，克服了電池系統(tǒng)的短板效應(yīng)，滿足了眾多應(yīng)用的需求[3]。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包含大量電力電子開(kāi)關(guān)器件（如PCS系統(tǒng)），可重構(gòu)電池模組的設(shè)計(jì)，也包含大量可控?cái)嗬m(xù)器。以基于可重構(gòu)電池陣列的大型電池儲(chǔ)能為例，電池模塊的每個(gè)最小控制單元都應(yīng)連接可控開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)精確控制，電池之間也是如此。使用電力電子設(shè)備開(kāi)關(guān)連接，可以精確控制整個(gè)模塊。大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化級(jí)聯(lián)電子電力變壓器，由耐壓高、傳輸功率大的電源控制系統(tǒng)（如級(jí)聯(lián)H橋、MMC等）組成。帶直流隔離級(jí)的雙有源橋可以通過(guò)移相調(diào)節(jié)控制靈活地實(shí)現(xiàn)功率均衡和電流隔離，這可以對(duì)目標(biāo)集成電路差異較大的電池模塊進(jìn)行充放電均衡控制。

由于容量有限，傳統(tǒng)的小型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)只能用于穩(wěn)定新一代分散式能源和并網(wǎng)的輸出功率，隨著兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的出現(xiàn)，它可以對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮更大的作用。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用

2.1 平滑出力波動(dòng)

因?yàn)轱L(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源具有周期性和隨機(jī)能量變化的特點(diǎn)，新型發(fā)電設(shè)備直接接入大電網(wǎng)，將對(duì)電網(wǎng)的分布和運(yùn)行產(chǎn)生更大的影響，甚至直接觸發(fā)一定的與安全性相關(guān)的危險(xiǎn)事故。結(jié)合使用電池存儲(chǔ)和可再生能源發(fā)電，隨機(jī)輸出功率可以轉(zhuǎn)換成相對(duì)穩(wěn)定的功率，新能源并網(wǎng)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)抑制新一代能源的能量波動(dòng)具有顯著影響。評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定容量是良好控制策略的核心，以輸出波動(dòng)作為輸入變量，控制反饋是優(yōu)化控制解決方案的關(guān)鍵。

2.2 監(jiān)控出力和經(jīng)濟(jì)調(diào)度

新能源發(fā)電系統(tǒng)的出力普遍呈現(xiàn)出極強(qiáng)的間歇性，且極難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，如何制訂科學(xué)合理的日前、日內(nèi)及超短期（實(shí)時(shí)）出力計(jì)劃，在滿足調(diào)度及儲(chǔ)能約束的前提下保證新能源的高效輸出是關(guān)鍵。在出力計(jì)劃跟蹤方面，當(dāng)前研究主要可分為日前、日內(nèi)及實(shí)時(shí)出力計(jì)劃跟蹤三個(gè)方面。針對(duì)日前出力計(jì)劃，大量文獻(xiàn)分別針對(duì)有功功率計(jì)劃和無(wú)功功率計(jì)劃提出了儲(chǔ)能裝置對(duì)新能源發(fā)電出力的補(bǔ)償控制方法，取得了削峰填谷、改善潮流的良好效果。針對(duì)日內(nèi)出力計(jì)劃，主要工作集中在如何引入基于實(shí)時(shí)電價(jià)、負(fù)載需求和新能源出力等因素構(gòu)建出最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)，在最大限度地跟蹤出力計(jì)劃的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)電池使用壽命等附加目標(biāo)。針對(duì)實(shí)時(shí)出力計(jì)劃的跟蹤方案，則更多地將減少日前短期新能源出力預(yù)測(cè)誤差作為其控制目標(biāo)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于增強(qiáng)新能源發(fā)電的調(diào)度計(jì)劃跟蹤能力、提高新能源利用率具有重要的作用，如何將不同時(shí)間尺度的出力計(jì)劃跟蹤控制策略進(jìn)行有效協(xié)調(diào)融合，提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)劃跟蹤性能是該領(lǐng)域需要進(jìn)一步探索的研究方向。

2.3 調(diào)節(jié)電源的頻率和電壓

在發(fā)電側(cè)安裝電池系統(tǒng)時(shí)，調(diào)整功能可以靈活調(diào)整有功、無(wú)功的輸入輸出，因此，提高發(fā)電中的調(diào)頻調(diào)壓功能，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量十分重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了電力生產(chǎn)部門(mén)的調(diào)頻調(diào)壓功能，適用于新能源和傳統(tǒng)能源。在新型發(fā)電中，基于轉(zhuǎn)矩限制控制的慣性控制方法可以實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的聯(lián)合控制，改進(jìn)了風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程。在傳統(tǒng)發(fā)電方面，通過(guò)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻，從而提高常規(guī)火力發(fā)電的AGC性能，這一經(jīng)濟(jì)效益得到確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果也得到證實(shí)，它顯示了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提高發(fā)電機(jī)組調(diào)頻能力的效果。

3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在輸電側(cè)的應(yīng)用

3.1 參與系統(tǒng)調(diào)頻

除了在電源側(cè)集成電池系統(tǒng)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的并入還提高了發(fā)電機(jī)組的AGC性能，使集中式和分布式電池容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)快速發(fā)展，主電網(wǎng)的電網(wǎng)干擾和異常頻率控制已逐漸成為一些工業(yè)國(guó)家控制電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的有效方式。電池存儲(chǔ)通過(guò)集中式網(wǎng)絡(luò)集成來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)頻率，并有一定的研究背景和使用示范。眾所周知，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一的架構(gòu)和控制策略，基于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率支持模型還處于理論研究階段。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)接入規(guī)模的不斷擴(kuò)大，儲(chǔ)能系統(tǒng)在支持未來(lái)電網(wǎng)頻率方面的作用也將越來(lái)越大，因此提出合適的集成控制方法也是該領(lǐng)域未來(lái)重要的發(fā)展方向之一。

3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配電

隨著不穩(wěn)定和間歇性可再生能源大規(guī)模并入電網(wǎng)，跨電網(wǎng)的有功和無(wú)功配置及優(yōu)化變得越來(lái)越復(fù)雜，新輸電線路的容量也減少了。因此，必須協(xié)調(diào)傳統(tǒng)配電、新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，這對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的最佳有功和無(wú)功功率分配非常重要。大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能力，使安全與調(diào)度信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)潮流優(yōu)化。但這一系統(tǒng)的安全性仍有待提高，研究人員也需要做更多的研究。

3.3 提高系統(tǒng)功率

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用是通過(guò)一側(cè)的充放電過(guò)程改變系統(tǒng)中能量流的分布，它是由儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量創(chuàng)建的，并與系統(tǒng)中的其他發(fā)電機(jī)同步以產(chǎn)生耦合的作用。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)快速判斷出傳輸系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率，因此，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)在一定程度上影響網(wǎng)絡(luò)中的能量流動(dòng)。分布系統(tǒng)中的電流與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系也與運(yùn)行條件密切相關(guān)，因此如何適應(yīng)儲(chǔ)能管理策略的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。即使在引入虛擬同步電機(jī)技術(shù)之后，儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。虛擬同步電機(jī)技術(shù)是指模擬同步電機(jī)的電氣瞬態(tài)特性，使電源通過(guò)變流器同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的慣量、延遲、頻率和電壓的技術(shù)。新工藝接入電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)功率角穩(wěn)定性的影響，隨著新增裝機(jī)功率比例的增加而增大，可見(jiàn)減少大型儲(chǔ)能的影響對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)吸收新能源的能力非常重要。

4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電側(cè)的應(yīng)用

隨著分布式新能源發(fā)電和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，配電網(wǎng)的構(gòu)成元件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也變得日趨復(fù)雜，如何在配電網(wǎng)中通過(guò)合理配置分布式電池儲(chǔ)能裝置有效發(fā)揮分布式儲(chǔ)能的聚合效應(yīng)，在保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量的優(yōu)化，這些都是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。

儲(chǔ)能裝置作為一種補(bǔ)償配網(wǎng)系統(tǒng)功率波動(dòng)的有效手段，其容量的配置關(guān)系到補(bǔ)償功率波動(dòng)精度和相關(guān)效率指標(biāo)，有研究就電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的科學(xué)合理配置問(wèn)題展開(kāi)了分析，得出了分布式儲(chǔ)能配置可以得到更精確的容量配置和更優(yōu)的功率補(bǔ)償效果的結(jié)論?？紤]配電網(wǎng)的多方面需求，提出適合分布式儲(chǔ)能的控制架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其配電網(wǎng)多功能應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，為此，諸多研究人員針對(duì)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了基于電池網(wǎng)絡(luò)的分布式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)化管控關(guān)鍵技術(shù)，為含分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電網(wǎng)運(yùn)行管理提供了一種控制架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的配電網(wǎng)量能管理是分布式電池儲(chǔ)能裝置的配置目標(biāo)，如何優(yōu)化配電網(wǎng)中的有功、無(wú)功運(yùn)作是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于配電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化管理具有重要意義，如何合理地對(duì)其進(jìn)行配置，并提出與之相適應(yīng)的控制架構(gòu)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制，是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要前提和途徑。主動(dòng)配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)運(yùn)行控制、儲(chǔ)能設(shè)備充放電互動(dòng)、智能配用電等電網(wǎng)分析及運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的有效解決方案，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)因其能量傳輸效率高，配置靈活等優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，這對(duì)提高分布式能源的利用效率和配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有非常重大的意義。

5 電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)控制策略及優(yōu)化

5.1 AGC控制策略

電池儲(chǔ)能單元的AGC控制方式包括遠(yuǎn)程和本地兩種方式。遠(yuǎn)程模式運(yùn)行時(shí)，AGC功能模塊接收遠(yuǎn)程調(diào)度控制命令，有功功率根據(jù)規(guī)劃確定的有功功率進(jìn)行分配。如果沒(méi)有收到有功功率分配命令，則根據(jù)有功功率計(jì)劃的電流曲線進(jìn)行功率分配。在本地模式下運(yùn)行時(shí)，AGC僅根據(jù)本地有功功率規(guī)劃曲線確定有功功率。

5.2 AVC控制策略

AVC控制方式包括遠(yuǎn)方方式和就地方式。當(dāng)遠(yuǎn)方模式運(yùn)行時(shí)，AVC功能模塊接收遠(yuǎn)程調(diào)度命令并對(duì)無(wú)功調(diào)節(jié)進(jìn)行跟蹤。如果當(dāng)前沒(méi)有分配命令，則根據(jù)就地電壓計(jì)劃曲線的值進(jìn)行無(wú)功功率的適配和監(jiān)控。在本地模式下運(yùn)行時(shí)，AVC無(wú)功功率控制僅根據(jù)本地電壓計(jì)劃曲線或本地輸入進(jìn)行無(wú)功功率控制，不響應(yīng)本地調(diào)度電壓的控制命令及無(wú)功功率調(diào)節(jié)指令。

5.3 接入源網(wǎng)荷系統(tǒng)的控制策略

電池儲(chǔ)能具有快速改變工作狀態(tài)的能力，能實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)從負(fù)荷到電源的轉(zhuǎn)換，從而倍增網(wǎng)絡(luò)頻率的應(yīng)急調(diào)節(jié)，在站內(nèi)安裝源網(wǎng)荷互動(dòng)終端，數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)光纖鏈路連接到源網(wǎng)荷，以實(shí)現(xiàn)最大的準(zhǔn)確性和對(duì)負(fù)荷命令的快速響應(yīng)。儲(chǔ)能站源網(wǎng)充電系統(tǒng)的具體控制策略為收到負(fù)荷指令后，交互源網(wǎng)儲(chǔ)能站向PCS和EMS發(fā)送信號(hào)通信指令，短時(shí)過(guò)載容量為每秒最大放電容量，1 s后EMS以放電容量運(yùn)行。

5.4 通信故障應(yīng)急策略

通過(guò)在本地監(jiān)控設(shè)備中安裝AGC、AVC等功能模塊，具有與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)相同的電源控制功能。電池電站應(yīng)急通信方案為每個(gè)儲(chǔ)能單元采用環(huán)形開(kāi)關(guān)組成本地環(huán)網(wǎng)。當(dāng)系統(tǒng)通信正常時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)正常網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信，本地監(jiān)控設(shè)備存儲(chǔ)所有的站控命令。一旦所有儲(chǔ)能單元確定通信中斷，則將地址號(hào)最小的本地監(jiān)控設(shè)備指定為主控設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)本地環(huán)網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能電站建設(shè)仍處于起步階段，雖然數(shù)量和范圍每年都在增加，但缺乏規(guī)劃建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，發(fā)電廠和用戶配備了大量電池存儲(chǔ)系統(tǒng)，以補(bǔ)償效率波動(dòng)并降低能源成本?？沙潆妰?chǔ)能系統(tǒng)具有電力配置和容量靈活的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快，并且不受地域限制，公共電網(wǎng)使用發(fā)電廠進(jìn)行儲(chǔ)能，儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)中配置后，可以增加電網(wǎng)的負(fù)載能力，提高調(diào)峰能力，提高新的能量吸收能力、特高壓直流吸收能力和對(duì)直流電流的響應(yīng)能力，改善阻塞，也可用作啟動(dòng)電源。為此，文章基于網(wǎng)絡(luò)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能電站運(yùn)行的安全性和可靠性，提出了優(yōu)化廠內(nèi)電站控制的策略，為儲(chǔ)能電站的建設(shè)和發(fā)展提供參考。