新型电力系统中储能应用的综述与展望

【摘要】电力系统是一种复杂的系统，它是一种以源—网—荷—多主体为主的，其功率和能量在不同的时间尺度上保持着均衡。它在很短的时间范围内（从毫微秒到几十秒）之间的均衡，决定着整个系统的动力学和稳定性；中、长期的平衡（从几秒到几年）关系到整个系统的运行效率和经济。20世纪末，电力电子变换、风力、光等新能源技术的迅速发展，加之我国“碳达峰、碳中和”等新能源技术的迅速发展，电力系统正经历并将不断地向新能源、高比重电力电子设备（“双高”）转变。电力系统的工作性质正在发生着深刻的改变，电力与能源在多个时间尺度上的均衡也是一个重要的新课题。多元化的能量存储技术可以在一定的时间范围内对电能的输入、输出进行调控，有望提高电网的稳定性和工作性能。

【关键词】新型电力系统；储能应用；综述；展望

前言

能量储存可以有效地提高系统的动态特性，满足系统的多个时标均衡要求。本文通过对新型电力系统多时间尺度的电力-能量均衡问题的分析，总结了目前常用的几种常用的技术特点，并对其在新的电力系统中的应用进行了展望；通过对现有的储能应用功能的研究进行总结，并对其发展前景进行了预测，并针对这种新的电力系统，提出了一种基于多目标的协调调节策略，以期在多个时间尺度上达到最大的功率-能量均衡，从而为新的电力系统所面临的重大挑战提供支持。

1、新型电力系统面临的挑战

1.1 传统电力系统

传统电力系统在源、网、荷侧的主要特点包括：电源侧以方便存储的化石能源和水位能作为一次能源，采用机械旋转式同步发电机作为能量转换装置；电网侧采用基于电磁感应原理的变压器和机械式断路器来实现电能的变换与传输控制；负荷主体为直接将电能转化为机械能的电动机和具有电阻（R）、电感（L）和电容（C）组合特性的无源（Passive）负载。在短时间尺度上，功率平衡的挑战主要体现在：考虑负荷的快速和不确定性时变（如夏天空调负荷急剧升降）和电网的大、小扰动（如短路故障），各同步发电机能适时并彼此协调地控制功率输出，维持系统整体和各个部件输入、输出功率的平衡，使得各旋转机组同步运行、系统工作电压和频率在允许的范围之内，即达到经典的功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性。大型同步发电机在电力系统的应用已有超百年历史，其自同步电压源特性、较大机械惯性以及成熟的励磁调节和调速调频性能，使之能很好地响应电网动态过程，实现功率的即时平衡，从而保证系统的安全稳定性。

1.2 新型电力系统

新型电力系统在源-网-荷侧的主要特点包括：电源侧以随机性、波动性强且不可控的风能和太阳能作为主要一次能源，采用电力电子变换器作为能量转化和并网装置；电网侧大量采用电力电子变换器实现对电能的变压、变频和传输控制；负荷侧越来越多地采用电力电子式有源前端（Active Front End，AFE）来实现电能的高效和可控转换与使用。与传统电力系统不同，新型电力系统以新能源机组和电力电子设备为主体，具有电力电子控制主导、多时间尺度（宽频带）动态、低惯性和弱抗扰性等特征，更兼一次能源（风速、光照）的强随机性和高波动性，给电力系统多时间尺度的功率-能量平衡带来新的重大挑战。在短时间尺度上，“双高”特性不仅会影响经典稳定性的各个侧面，还会“重塑”系统整体动态行为，引发新型稳定性问题。大量新能源机组的接入会改变电网结构和潮流分布，给以机电动态为特征的小扰动/暂态功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性带来重大影响，而影响的大小和利弊则受制于渗透率（Penetration）、机组类型（Type）、地理位置（Location）、接入电网强度（Strength）、运行工况（Operation）及控制策略与参数（Control）（简称 PTLSOC）。新的稳定性问题既有工频动态主导的大、小扰动机电（Electro-mechanical）型稳定性问题，如新能源机组或变流器的“类机电”低频振荡、大扰动同步稳定性、故障后暂态过/低电压，更有因电力电子多时间尺度控制导致非工频动态引发的宽频带电磁型（Electromagnetic）稳定性问题，如引发广泛关注的次/超同步振荡和中高频谐振等。新能源和负荷之间的非匹配性和双侧随机性，加上灵活性资源比重越来越低，通过传统调度来实现电网可靠高效运行的难度急剧增加。

2、储能应用的关键技术特征和潜力

狭义储能设备可以在不同时间尺度上实现电能的输入和输出调控，可有效改善系统的运行特性、满足新型电力系统的功率和能量平衡需求。因此，下面讨论的储能技术均为狭义储能。从已有的储能技术来看，电力系统中的狭义储能按存储能量的方式可以主要分为：机械储能、电化学储能、化学储能和电磁储能。以超级电容和超导电磁储能为代表的电磁储能技术具有响应速度快、功率密度高、能量循环效率高等优点，但存在的主要问题是容量较小、放电持续时间短、成本高等。飞轮储能和电化学储能的响应速度较快，其中飞轮储能具备功率密度高、能量循环效率高等优点，但是其能量密度较低；电化学储能的优势在于其功率和容量可以根据应用需求灵活配置，且不受外界条件的影响和限制。抽水蓄能和压缩空气储能是目前可大规模存储和长时间放电且技术较为成熟的两项储能技术，但两者都在一定程度上受到地理、地质等条件的制约。氢能作为一种清洁高效、生产灵活的能源，可以有效推动电网、交通网和热网等多种能源网络的“互联”，提升综合能源利用率。

3、面向新型电力系统的储能应用功能展望

从储能在电力系统中的应用功能现状来看，现有储能的应用以能量型为主，功能主要包括电网辅助服务、提高新能源并网发电平稳性、系统备用等方面，而在短时间尺度的稳定控制方面（如惯性支撑）和长时间尺度的无功控制方面（如中长期电压调节）少有实际应用。而且，既有储能项目的应用功能较为单一，核心目标大多局限在 1～2 种，少有综合多种应用功能的储能系统。虽然某些示范工程采用多类型储能技术以提供若干功能，但也缺乏自上而下的总体设计和多功能的综合协调。系统级控制主要包括三方面的功能：态势感知，获取电网的功率-能量平衡需求和各储能设备的工况，为实现协同控制提供信息；协同控制，按所需功率-能量类型（有功/无功）、频率范围（工频/非工频）以及时间尺度等优化分配多储能装置的就地控制目标，以实现系统整体调控的最佳提升；综合评价：结合态势感知和协同控制反馈信息对协同控制的稳定性、经济性、灵活性和支撑能力进行综合评价，进而自适应调整协同控制优化问题的模型和参数。

4、结语

目前储能在极短时间的稳定控制和长时间的无功控制方面应用较少，且在工程应用中储能的功能较为单一，少有兼顾多时间尺度需求对储能进行全维度调控的。为了应对新型电力系统的多时间尺度平衡需求，本文展望了一种储能多目标协同调控方法，通过实时感知系统运行态势，协调工频/非工频、数毫秒至数日级功率-能量控制，实现储能的多目标稳定控制和优化调度功能，进而全方位支撑新型电力系统的安全高效、清洁低碳运行。

参考文献

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