基于大规模储能系统的智能电网兼容性研究

基于大规模储能系统的智能电网兼容性研究

摘要: 有效协调小容量分布式发电( dist ributed generation ,DG) 和集中式可再生能源发电(collected renewable generation ,CRG) 是中国未来智能电网发展的重要特征。分散储能系统(dist ributed energy storage system ,DESS) 和集中储能系统(mass energy storage system ,MESS)将在大容量CRG和小容量DG的安全、稳定接入大电网中发挥重大作用。文中在对智能电网兼容性问题进行深入分析的基础上,探讨了考虑电网供蓄特性的协同调度,提出了涵盖输配电网CRG2MESS 供蓄配置以及微网DG2DESS 供蓄配置的智能电网兼容性解决方案。

0 引言

在能源短缺、环境保护和气候变化等问题日益突出的背景下,开发清洁能源,发展低碳经济,实现能源优化配置,成为了世界各国的共同选择。水力、风力、太阳能、生物质能等可再生能源发电将被大规模开发利用,根据其接入电网的方式可分为分布式发电( dist ributed generation ,DG) 和集中式可再生能源发电(collected renewable generation ,CRG) 。

为顺应新能源时代,中国正在建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,以数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网[ 122 ] 。智能电网将以现代信息、通信、电力电子、储能、控制、管理和计量等先进技术形成覆盖电力生产、传输、消费全过程、全业务的信息网络,实现电力流、资金流、信息流高度整合与协同运作,构建具有“自愈、兼容、优化、互动、集成”五大特性的柔性电力网络系统。特别是通过新型储能系统( energystorage system , ESS) 的优化配置及控制[324 ] ,支持大规模可再生能源的接入,有效兼容间歇性的集中与分散式发电,成为智能电网适应未来经济社会发展和新能源革命的一个先决条件[526 ] 。

目前,为了保证电网的安全, IEEE 1547 标准针对分布式能源的并网规定:当电力系统发生故障时,DG必须马上退出运行。这大大限制了分布式能源效能的充分发挥[7 ] 。大力开发DG/ CRG 是促进能源结构调整和发展低碳经济的必由之路,需要寻找一种安全高效且能协调大电网与DG/ CRG 之间的矛盾,充分挖掘其为电网、用户带来“共赢”价值和效益的解决方案。

大规模ESS 接入对于平抑和消纳DG 及CRG的并网冲击的作用越来越被业界所广泛认同,成为智能电网兼容性研究的一个重要内容和技术关键。

1 智能电网兼容性问题的提出

1.1 DG接入给传统电网带来的主要问题

DG一般接入配电网,它的接入使得配电网各支路潮流不再是单方向流动,将对电网带来较大影响:

1)DG直接接入配电网后,会引入各种扰动,从而引起系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变等电能质量问题。

2) 当配电网发生故障时,并网的DG 可能会与线路电容发生铁磁谐振而造成过电压,损坏变压器等电气设备,扩大停电事故,降低系统安全可靠性。

3)DG发电量的高度不确定性使得DG 的直接并网会增大负荷预测和调度运行管理的难度,降低系统可靠性;如果仅将DG作为备用电源,则将会造成资源浪费,影响电网效益。

1.2 CRG接入给传统电网带来的主要问题

CRG一般通过特(超) 高压、远距离、大容量输电通道接入负荷中心(即大型受端电网) 。CRG 的大规模接入将对节能减排、能源结构优化起到重要而积极的作用,但在实际并网过程中,以下影响不容忽视:

1) 风力和太阳能发电的间歇性将会使发电容量预测变动区间增大,且电源与负荷分属不同区域,很难协调调度,因此,CRG 接入会使大电网的安全稳定运行、统一调度控制以及受端电网低谷调峰(甚至出现负调峰) 面临严峻考验。2) CRG采用大量的电力电子型电源,直接接入极易引起谐振,并造成谐波污染。

3) 相比于传统电源,CRG故障概率与检修频率会比较高。因此,受端电网应具备应对短时间缺失大容量输入电源的能力。

2 大规模ESS 接入及其配置原则

集中式大型储能系统( mass energy storagesystem ,MESS) 可以称之为大规模ESS ,小容量分散式储能系统( dist ributed energy storage system ,DESS) 虽然单体容量小,但是由于其在配电网中大量分布,同样也是一种大规模ESS。相较于传统的铅酸蓄电池等小容量储能装置,当前开发的新型ESS 包括钠硫、镍氢、液流电池以及超导磁能储存器、超级电容器等,存储容量更大,充放电速度更快,与电网和用户的配合更好。与抽水蓄能电厂相比,DESS/ MESS 对建造环境要求低,可就地布置,适用于城网储能,同时,存储容量范围大,响应速度快,且有瞬间数倍存储释放能力,可贯穿应用于整个用电系统(如图1 所示) 。

目前,10 kW 级液硫电池示范工程和镍氢电池示范工程已在国内试点投入运行, 兆瓦级钠硫电池的城网ESS 的应用研究也在积极开展之中。

2.1 大规模ESS 对提高智能电网兼容性的分析

大规模ESS 接入电网,并实现DG/ CRG 有效协调,将会给整个电网带来深刻的影响,可提高智能电网的兼容性。

1) 对电网的紧急支援作用。当大容量区外受电通道(包括远距离CRG) 和大容量本地机组突然中断时,安装于发电侧或受端侧的电能量型MESS 可迅速响应,释放数倍的电力。例如,在未来的MESS设计中,100 MW 级的钠硫城网ESS 可瞬间释放500 MW 的电力。这样可极大地减轻受电通道或本地机组突然中断对系统造成的冲击,甚至可以短时间支撑系统继续运行。同样,当配电网因某种故障或台风等自然灾害造成大量DG 中断时,DESS 可迅速发挥重要的电源支撑作用。2) 对系统的稳定作用。通过DESS/ MESS 的能量存储和缓冲输出,可使DG/ CRG即使在负荷波动较快和较大的情况(系统达到峰荷时) 下,仍能够运行在一个稳定的输出水平。

3) 对可再生能源发电的补充作用。适量储能可以在DG/ CRG单元不能正常运行(新能源无法发电或波动较大) 的情况下起到过渡作用。例如,利用太阳能发电的夜间、风力发电在无风的情况下、其他类型的DG/ CRG单元处于维修期间,这时系统储能可起到过渡和缓冲作用。

4) 对可再生能源发电的协调控制作用。新型储能与可再生能源发电一一对应布置,使得不可调度的DG/ CRG发电单元能够作为可调度机组单元运行,实现与大电网的并网运行,必要时提供削峰填谷、紧急功率支持等服务。

5) 对电网运营商与自备DG用户的有效协调作用。当负荷低峰或配电网故障需要DG 退出运行时,用户可将电能储存在储能装置中;当负荷高峰或故障排除后,用户可将电能从储能装置中释放,实现电网运营商向自备DESS 用户储能电力的征用或自备DG用户向电网运营商的逆向售电。

2.2 ESS 兼容可再生能源发电的配置原则

根据总装机容量和当地电网的实际情况选择合适的接入电压等级,DG接入电压等级参见表1 。

CRG一般离负荷中心比较远,将通过远距离、大容量的交直流输电通道接入受端电网,其接入的电压等级一般为特高压(800 kV 及以上) 和超高压(500 kV/ 220 kV) 等级。与CRG 配合的MESS 的接入电压等级应为220 kV 及以上。DG和DESS 接入电压等级较低,如果传输距离远,会导致线损率过大,因此,在进行DG/ DESS布点规划时,应该尽量使区域发电量小于区域负荷量,满足就地平衡的原则。与DG 相比,CRG 接入电压等级高,提供的容量也很大,但是相对传统发电厂,发电量波动范围大,只有与MESS 配合后,才具备大规模接入的条件。气象的多变决定了CRG和MESS 的调度与控制应具备实时性;传统调度应转向调度加实时控制的模式,实现调度控制一体化。接入特高压等级的CRG,原则上可由国家级或区域级调度进行调度控制; 接入超高压等级的CRG,原则上可由区域级或省(自治区、直辖市) 级调度部门进行调度控制;10 MW 及以上的DG可由所属地区的地调管辖;10 MW 以下的DG可由所属县调管辖。随着可再生能源发电和储能技术的飞速发展,DG/ DESS 将在用户侧广泛应用。因此,考虑智能电网配置原则,还要兼顾电厂、电网和用户,使得三者有效兼容。

3 智能电网兼容性解决方案

DESS/ MESS 与DG/ CRG接入电网,在电压和容量匹配以及优化配置的基础上,将改变智能电网的网架结构、运行方式,同时要求智能电网的调度控制模式也应根据电压和容量等级进行统一调度和分级管理,以实现智能电网协调兼容性与安全经济性的统一,提高电网供蓄能力。

3.1 基于CRG2MESS 的智能电网主网供蓄配置方案

以典型的受端电网为例,如图2 所示,设计一种基于CRG2MESS 的未来智能电网主网供蓄配置方案。

1) 在特(超) 高压、远距离、大容量受电通道两侧配置一定容量的MESS ,该受电通道输送CRG或坑口火电厂的发电电力;2) 在本地电网大容量发电机组接入的升压侧配置MESS ;

3) 在220 kV 及以上枢纽变电站内配置MESS。与CRG配套建设的MESS ,可以保证CRG 持续稳定的功率输出,在容量设计时,要考虑到CRG高检修频率、输出功率波动大的特点。

区内外电厂配置MESS 主要作为备用容量以代替传统的备用机组,实现正常情况下的调峰作用和故障下的备用功能。

位于城网分区与变电站间的MESS ,在容量设计时,要注重短时间大功率的输出特性,在故障发生后,能够短时间内支撑电网运行,防止连锁反应导致故障扩大,造成大规模停电。

在主网的区外受电通道、大容量发电机组和枢纽变电站内配置MESS ,主要是通过省(自治区、直辖市) 级及以上调度部门的统一调度控制,并有效发挥MESS 及其功率调节系统的快速响应能力,实现主网不间断供电功能,有效减弱或消除大扰动对大电网造成的影响,确保电网安全稳定运行。

3.2 基于DG2DESS 的智能电网微网供蓄配置方案

未来智能配电网结构中,低压配电网将吸纳分布广泛、单机容量跨度大、总体数量多的用户侧DG,需要对DESS 进行优化配置以增强配电网的供蓄能力,其基础通信设施应支持用户侧与供电侧间的互动协调。将集中的配电负荷、DG 构成微网是国内外近几年的研究热点。文献[8211 ]描述了微网的几个主要特征:在电气结构上,微网通过关键断路器接入电网;微网依靠智能控制器作为核心智能控制器;智能控制器可以从供电可靠性、经济性和环保的角度协调微网间和微网与大电网间的能量管理。如图3 所示,大量DESS 接入配电网后,在用户终端的DG和DESS 上,均配备可记录双向潮流的智能表计。智能控制器可通过光纤或电力载波实现与配电终端用户、DG、DESS 间的通信。

配电网DG 相对于主网CRG,容量较小,但是方式更灵活,容量设置遵循“接地平衡”的原则,可有效提高能源利用效率,拓展配电网运行方式,是未来智能配电网结构中不可或缺的一环。分散布点于微网末端的大量用户自备DG,在与DESS 相结合后,将会使未来智能配电网单元—微网的能源结构发生根本性变革。在正常运行状况下, 介于DG 与电网间的DESS 能够大大缓解DG 对电网造成的冲击,发挥缓冲器作用。智能控制器可以根据微网系统自身的状况,决定储能装置处于充电负荷还是放电电源的状态,并记录潮流流向,为计价系统提供数据。例如,在用电高峰期, 自备DG 用户可以选择自备DESS 作为电源。这样对用户来说,节约了用电成本;对供电公司来说,实现了削峰填谷的目标,发挥了类似抽水蓄能的作用。当微网内部处于故障状态时,智能控制器可以自动切除故障,DG 停止运行。智能控制器控制关键断路器断开,将微网从电网中隔离,在不违反规定的基础上,根据实际运行状况,采用DESS 作为电源或维持远离故障点的DG继续为用户提供满足电能质量要求的电力供应,实现微网不间断供电功能。3.3 基于供蓄特性的智能电网调度策略

目前,中国电网运行调度计划并未考虑计及ESS 并网后的调度运行方式。但随着DG/ CRG 和DESS/ MESS 的技术发展及应用,一套兼容、合理、经济的调度方案也必须建立。未来智能电网的调度应该考虑储能装置并网供蓄特性的充放电调度、在故障或检修状态下的紧急调度以及正常状态下的经济调度几个方面。运行方式应该考虑储能装置的备用容量。在智能电网中,由于风能和太阳能分布不规律,因此在传统负荷预测的基础上,还应增加DG/ CRG发电量的实时预测系统。在未来信息系统高度集成的智能电网中,调度中心在负荷预测基础上,还应该根据当日的气象条件,完成DG/ CRG 发电量预测,实时决定储能装置是处于充电还是放电运行方式以及充放电时间,以达到削峰填谷的目的。MESS 的接入将大大提高受端电网应对故障和大电网冲击的能力。但在故障发生、MESS 提供大容量支撑的时间范围内,调度中心通过输配电协同调度策略启用发电机组备用容量, 利用电厂侧MESS 以及启用微网内DESS 放电模式,将大大降低故障影响。

随着储能技术的发展、DESS/ MESS 成本的降低,考虑电网供蓄特性的经济调度计划将成为可能。目前,机组参与自动发电控制(A GC) 服务产生的主要费用包括 :

1) 参与A GC 市场容量引起在电能市场损失的机会成本。

2) 当市场价格较低,低于参与A GC 机组边际成本时,因A GC 下调需求使机组发电导致的上抬成本。

3) 根据负荷波动和计划出力的差额实时调节机组、不断磨损产生的调节成本。

CRG与MESS 相结合,提升了新能源的利用前景,会大大降低排污成本,从而使得机会成本相对于传统大机组小得多;结合DESS 的DG 一般安装在负荷中心,将会极大地降低系统损耗费用。

另外,DG/ CRG 与DESS/ MESS 相结合,构成辅助备用电源,提供了一种在电网故障情况下,由DESS/ MESS 独立向一部分电力系统负荷供电的全新运行方式———孤岛运行模式。孤岛运行模式通过合理设计网架结构,可大大降低电力用户的购电费用和负荷中断赔偿费用,起到类似备用电源的辅助服务作用。

随着DG/ CRG和DESS/ MESS 制造成本的降低及控制性能的改进,将具备参与A GC 服务的技术能力,使DG/ CRG与智能电网有效协调,并确保电网安全经济运行。

4 结语

中国能源布局决定了大容量CRG 和小容量DG将在较长时间内相结合并协调发展。如何配置、调控大规模DESS/ MESS ,以提高对DG/ CRG的兼容性能,决定了智能电网的实用性、扩展性乃至发展方向。大规模DESS/ MESS 接入电网后,不仅可以实现电网削峰填谷,降耗增收,减少和缓解输电、变电、配电设施的投入,还可以有效兼容DG/ CRG等间歇性电源对电网的冲击,提高电网的安全稳定性和需求侧用户电力可靠性。发展具备兼容各类可再生能源发电接入能力、考虑电网供蓄特性的统一协同调度的智能电网,是实现电网科学发展的关键技术手段。

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