现代电力系统是发、输、配、用电设备构成的复杂、非线性具有各种状态的大系统。
进入21世纪, 随着发达经济体经济的增长以及新兴经济体经济的快速崛起, 电力负荷迅速增长, 负荷构成日益复杂, 电力系统在快速演变以适应这种变化, 在这个过程中, 电力行业面临着巨大的挑战如下。
(1) 电力负荷峰谷差扩大。
(2) 可再生能源的规模化接入。
(3) 人们对电能质量及供电可靠性要求提高。
(4) 系统日益复杂与受到扰动后的安全与稳定。
(5) 电网在大事故后的自我恢复能力。
(6) 传统电力工业所面临的污染物排放。
电能不同于其他的商品, 它必须实时供需平衡, 传统的电力系统已经在此前提下运行了很多年, 但是其弊端越来越明显。储能将为电能的销售过程提供一个其他的选择, 在传统的发、输、配、用链条上加入“储”的环节, 这将极大的改变当今的电力产业面貌以迎接电力行业所面临的挑战。
现代电力系统按照其运行的情况分成正常、警戒、紧急、极端、恢复五种状态, 超出此五种状态之外, 系统进入到大停电。
储能系统在电力系统的各种状态下作用的本质是通过储能管理系统 (如电池的BMS) 以及电能管理系统 (PCS) 控制其吸收或者释放功率的性质以及时间窗口, 起到功率、电量、容量等作用, 从而使电力系统到达安全、稳定、经济的运行状态。
正常状态下的电力系统, 出力与负荷平衡, 系统频率和各节点电压在允许的区间内微幅波动, 经济性是电力系统运行首要考虑的问题。
正常状态下, 储能系统能够提高电力系统经济调度的灵活性、缓解输电阻塞、提高终端电能质量及可靠性、延缓设备的技术改造、提高可再生能源的接入比例。
(1) 输电阻塞与经济运行。
储能系统通常被部署在输电网阻塞的下游, 无拥塞时储存电能, 阻塞发生时释放电能满足本地需求, 缓解输电线路的阻塞情况。
此外, 结合最优潮流, 可以进行全网经济调度, 同时降低输配电网的线损, 达到节能减排的目的。电网中投运的储能系统越多, 经济调度的灵活性就越高, 节能降损的效果就越好。
(2) 负荷跟踪。
负荷跟踪是按分钟级别来满足日负荷变化的服务, 储能非常适用于负荷跟踪。首先, 多数储能类型可以运行在部分出力水平, 且只带来相对适度的性能衰减。其次, 相对于各种发电机来说, 多数储能类型有着非常快速的响应时间, 以满足负荷跟踪增加或减少出力的需求。
(3) 可再生能源接入。
风力发电和太阳能发电具有波动和间歇性, 其并网运行会对电网的稳定运行造成影响。电网侧储能系统能够提供快速的有功支撑, 增强电网调频能力;发电侧整合了储能系统的风场或者太阳能电厂, 能增强其输出功率的可控性, 提高可再生能源在电力系统中的接入比例。
(4) 延缓发、输、配设备的改造与增容。
随着用电需求不断增长, 当输配电设备不满足N-1安全准则时需要建设相应的输电设施, 当发电设备不满足装机容量与高峰负荷的比例时需要建设相应的发电设施。
通过采用储能系统, 电力企业可以利用现有的电网设施来满足当前的负荷需求, 延缓新设备的投资, 其中, 延缓输配电设备升级改造是分布式储能的最大的潜在应用场景, 因为其可以带来非常巨大的效益。
警戒状态下的电力系统, 出力与负荷平衡, 但是部分母线节点电压或者重要联络线功率出现越界, 频率在允许区间波动加剧, 安全性是电力系统运行首要考虑的问题。
警戒状态下, 储能系统能够通过电能管理系统输出无功, 支撑节点电压, 在电网下游释放电能缓解联络线功率越界, 并通过有功的吸收或者释放平抑电力系统的频率波动。
(1) 电压支撑。
电压支撑包括节点无功功率的吸收和释放, 以维持系统各节点电压的固定区间储能系统通过电能管理系统 (PCS) 控制其输出功率的性质以及大小, 从而达到对电压的支撑性作用。
(2) 频率调节。
储能系统能够通过吸收或者释放有功功率平抑电力系统出力或者负荷波动, 进而保持电力系统频率处于允许的区间。
紧急状态下的电力系统, 出力与负荷失去平衡, 节点电压和系统频率超出允许范围, 需要采取紧急控制措施 (切机切负荷) 使系统回到新的平衡运行状态, 稳定性是电力系统运行首要考虑问题。
紧急状态下, 储能系统能够平抑电力系统出现的发电机功角震荡、电压失稳、系统频率偏移等诸多稳定性问题。
(1) 电力系统稳定。
稳定性是电力系统安全运行的重要因素, 种种随机性的扰动 (负荷变化、雷电, 设备故障等) 都会造成电力系统的不稳定 (功角震荡、电压失稳、系统频率偏移等) 。
储能系统安装在发电机机端及系统重要节点, 通过运行过程中控制其充放电时间及功率能够平抑系统的震荡。
电网稳定所需的储能系统需要100MW级功率, 并且有足够的储能放电容量, 目前只有抽水蓄能以及压缩空气储能能够达到此量级。在美国南加州, 有实验性项目正尝试通过电化学电池构建储能系统, 解决电力系统稳定问题。
极端状态下的电力系统出力与负荷完全失衡, 成片地区性负荷失去电源供应, 大电网被动分裂成为N片小电网。维持小电网内的电力供应平衡, 减少经济损失是电力系统运行的首要目标。
极端状态下, 储能系统能够作为解列后单片电网的备用电源, 提供小时级别的电源供应, 使得单片电网能够形成独立电网运行, 达到片区内的出力负荷平衡, 减少突然性停电事故对工业生产造成巨大的冲击。
(1) 解列后单片电网事故备用。
在电力系统解列的情况下, 储能系统能够提供单片电网小时级别的事故备用由于单片电网通常在10MW~100MW级别, 作为事故备用的储能系统额定功率应该在此量级, 并能够提供小时级别的供电, 从而使得工业用户或者重要负荷能够有充裕的时间应对停电事故, 减少电力中断对用户的负面影响。
恢复状态下的电网是指将解列后的各个片区电网重新互联, 逐步恢复供电进入到正常运行状态。
恢复状态下, 储能系统能够帮助重新启动大电网或者并列孤岛。
(1) 黑启动。
大面积停电, 系统全黑的情况下, 在不依赖外围系统的帮助, 通过系统中具有自启动能力的发电机组或者储能系统启动, 带动无自启动的发电机组, 逐步扩大系统的恢复范围, 最终实现整个系统的恢复。
综上所述, 现代电力系统运行过程由于其供需需要实时平衡, 对电力系统的运营提出了极高的要求, 储能设施的加入提高了电力系统在各种状态下的应变能力, 从而使得电力的可靠性经济性得到较大的提高。
美国、日本等多个国家已经基于钠硫、液流技术建设了储能系统并将其接入电力系统, 随着储能技术的进步以及单位能量存储价格的下降, 储能技术将在现代电力系统中得到广泛的应用。
摘要：本文阐述了现代电力系统所面临的挑战, 并在此基础上分析了储能技术在电力系统正常、警戒、紧急、极端以及恢复等状态下的典型应用, 揭示了储能技术在现代电力系统中所具有的重要意义。
关键词：储能,现代电力系统,应用,现代电力系统面临的挑战
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