新型電力系統中電化學儲能應用與關鍵技術綜述

任子俊,曲小慧,王敏之,陳國劍

(東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著世界能源需求的持續增加,傳統能源結構難以滿足現代社會的綠色生產及可持續發展需求,優化能源結構、實施減污降碳成為滿足我國經濟社會發展全面綠色轉型的迫切需要?！半p碳戰略”的提出和《“十四五”現代能源體系規劃》的制定明確了我國以新能源發電為主體的新型電力系統的發展方向,推動了電力系統向“三高”,發電側新能源比例高、配電側電力電子化程度高與負載側用能自由度高的態勢演化。大力開發新能源,加快風能、太陽能等可再生能源的并網消納,成為構建新型電力系統的首要任務[1-4]。截至2023年上半年,全國可再生能源發電量達1.34萬億千瓦時,其中,風電光伏發電量達7 291億千瓦時,同比增長23.5%[5]。

風電和光伏等新能源具有強波動性和強隨機性,并受季節和日夜變化的影響[6],隨著新能源在電力系統中的占比不斷提高,新型電力系統的不確定性、非線性及復雜性增強,新能源與負載之間雙側不確定性和供需不匹配問題顯著[7]。另外,由于新能源發電側的能量轉化裝置需要采用電力電子變流器,配電側的變壓變頻與功率傳輸控制也大量采用電力電子變流器,負載側亦廣泛接入了采用電力電子器件進行電能變換的有源負載[8-10]。新型電力系統的動態特性正發生深刻變化,由同步機主導的機電暫態過程逐步過渡到由電力電子控制主導的類機電-電磁耦合暫態過程[11],傳統電力系統與新型電力系統的對比如表1所示。新型電力系統呈現出電網強度弱、慣性低、抗干擾能力弱以及寬頻帶響應等問題[12-16],這對電力系統的功率能量平衡和安全穩定控制提出了嚴峻的挑戰[17]。在控制層面容易出現暫態電壓不穩定、系統頻率特征復雜等問題,在運行調度層面存在“棄風棄光”現象嚴重以及調度靈活性不足等問題,當電力系統發生故障時,頻率、電壓波動較大,容易引發新能源發電機組脫網等問題[18-20]。

表1 傳統電力系統和新型電力系統對比

由此可見,新型電力系統在短時間尺度的功率平衡與穩定控制、中長時間尺度的運行調度與能量優化以及故障狀態下的系統支撐與故障穿越等方面均存在較大風險,亟需接入能在較寬時間尺度范圍內響應系統需求的設備。儲能設備能夠將用電低谷時段的電能轉化為其他形式的能量進行存儲,并在用電高峰時段或其他必要時刻再將儲存的能量轉化成電能,可以滿足新型電力系統多時間尺度內功率能量平衡和安全穩定運行的需求。從現有技術來看,按照能量儲存形式進行分類,可將電力系統中常見的儲能分為機械儲能(抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等)、化學儲能(氫儲能等)、電磁儲能(超級電容儲能、超導儲能等)和電化學儲能(鋰電池儲能、鉛酸電池儲能等)[21-24]。不同儲能方式的技術特征不同,因此適用場景也不同,體現儲能特征的技術參數主要有:1)配置容量、額定功率和放電時長,主要體現儲能的應用規模大小;2)動態響應時間,主要體現儲能設備從接受指令到首次達到額定功率運行的時間;3)能量循環效率,主要體現儲能裝置存儲/釋放能量過程中的電能利用率。表2總結了不同儲能方式的關鍵技術參數及一般適用場景。

表2 不同儲能技術對比分析

多樣化儲能技術在不同電源結構、電網規劃及運行調度的電力系統中發揮著重要作用,極大改善了新型電力系統的動態特性和運行穩定性,其中,電化學儲能技術在千瓦級至兆瓦級儲能裝備中有著其他儲能方式不可比擬的優勢[25],加上近幾年分布式微電網和電動汽車的蓬勃發展,電化學儲能成為目前發展最快、應用最廣的儲能技術?；谏鲜銮闆r,本文對電化學儲能的關鍵技術及其應用功能進行綜述和展望,首先分析新型電力系統的發展與挑戰;然后根據新型電力系統的需求梳理電化學儲能的特點和發展情況;進一步分析電化學儲能在新型電力系統中的應用技術;最后對電化學儲能在新型電力系統中的應用前景進行展望,為利用電化學儲能應對新型電力系統的多場景需求及關鍵技術挑戰提供支撐。

1 新型電力系統發展及挑戰

1.1 新型電力系統發展現狀

新型電力系統是清潔低碳、安全高效的現代能源體系的重要組成部分,在“碳達峰、碳中和”目標下,構建新型電力系統成為建設新型能源體系的關鍵內容和重要載體[26]。當前,我國電力系統正向清潔低碳、安全可控、靈活高效、開放互動、智能友好的新型電力系統演進[27]?！笆奈濉逼陂g,我國大力推進風電、光伏等新能源供給消納體系建設,一方面,持續完善發電裝置與輸電網架的建設,支撐和促進大型電源基地集約化開發、沙戈荒及遠海等遠距離發電基地電能外送;另一方面,加快建設現代智慧配電網,促進微電網和分布式能源發展,滿足各類電力設施便捷接入[28-30]。

《新型電力系統發展藍皮書》提出,制定新型電力系統“三步走”發展路徑,即加速轉型期(當前至2030年)、總體形成期(2030年至2045年)、鞏固完善期(2045年至2060年),有計劃、分步驟推進新型電力系統建設。目前我國電力系統清潔能源發電裝機容量、遠距離輸電能力、電網規模等指標均穩居世界第一。截至2022年底,非化石能源裝機規模達12.7億千瓦,占總裝機的49%,超過煤電裝機規模(11.2億千瓦)。2022年,非化石能源發電量達3.1萬億千瓦時,占總發電量的36%。其中,風電、光伏發電裝機規模7.6億千瓦,占總裝機的30%;風電、光伏發電量1.2萬億千瓦時,占總發電量的14%,分別比2010年和2015年提升13%和10%。圖1為我國2013-2022年發電裝機情況[31]。

圖1 我國2013-2022年發電裝機情況

1.2 新型電力系統面臨的挑戰

傳統電力系統遵循“源隨荷動”的電網平衡模式[32],根據負荷需求隨時調整同步機的發電量,傳統電力系統電網慣量較大、具有良好的穩定性,同時負載需求可預測,電網運行調度問題易于解決。隨著新能源并網規模不斷擴大,能源結構清潔化轉型的持續推進,電網中同步機的數量不斷減少,新型電力系統發電側將以新能源為主體,負荷側隨機性波動的增加,電力系統的平衡特征和方式正在發生深刻變化,維持系統平衡的難度不斷加大。電網慣量降低,電壓、頻率調節能力減弱,電網不穩定風險大幅增加。

與傳統電力系統不同,新型電力系統發電側為高比例新能源,電能變換裝置高度電力電子化同時負載用能有著較高的自由度,新型電力系統結構示意圖如圖2所示。新型電力系統的控制由電力電子器件主導,具有快速調節和柔性控制的優點,同時也存在低慣量、弱抗擾、易發生寬頻振蕩以及故障穿越能力不足等缺陷,加上新能源發電的隨機性和波動性問題,多呈現“反調峰特性”,給電網帶來較大功率能量平衡調節的壓力[33]。綜上所述,新型電力系統在安全穩定運行、多時間尺度功率能量平衡以及運行調度等過程中面臨較大挑戰。

圖2 新型電力系統示意圖

2 電化學儲能特點及發展情況

隨著清潔能源的快速發展和能源結構轉型的推進,新型電力系統所面臨的挑戰愈發明顯,亟需儲能裝置的接入對電力系統的功率能量平衡、穩定運行及調度進行調節。根據能量轉換方式的不同可以將電力系統中常見儲能技術分為:機械儲能、化學儲能、電磁儲能和電化學儲能等。其中電化學儲能憑借動態響應速度快、配置靈活等優勢成為近年來發展最快、應用最為廣泛的儲能技術,電化學儲能主要包括鋰電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能等,其中鋰電池具有高能量密度、高循環效率、配置靈活等優點,是目前電化學儲能中最為關鍵的儲能技術[34]。

2.1 鋰電池儲能的特點

鋰電池儲能具有動態響應速度快、電壓特性穩定、配置靈活、模塊化程度高、建設成本低、高能量密度、高循環效率、充放電速度快、無記憶效應、自放電速率小等優點[35-36],在電動汽車、新型電力系統等領域應用廣泛。近年來,關于鋰電池儲能的研究側重于新型電極材料和電解質開發、電池成本降低、能量和功率密度提高、循環使用次數和壽命延長以及安全性增強等方面[37]。目前,商用鋰電池主要有磷酸鐵鋰和三元鋰電體系[38],磷酸鐵鋰電池的能量密度較低,但優勢在于其更高的安全性和較長的壽命;三元鋰電池則具有更高的能量密度和功率輸出,但其安全性和循環壽命相對較低,需要額外的安全措施和注意。發電側和電網側一般有著較大的用地面積,對于儲能裝置的體積重量沒有太多的限制,在鋰電池儲能配置上可以更多地采用具有更高的安全性和較長的循環壽命的磷酸鐵鋰電池;用戶側則對儲能裝置的體積重量有所限制,一般需要采用能量密度更高的三元鋰電池,通過改變電池的形狀、尺寸和連接方式,可以有效提高電池的體積能量密度和重量能量密度,從而能夠更好地滿足用戶側的儲能需求。

鋰電池儲能裝置由大量的電池單體經過串并聯構成,其中小容量單體在儲能系統的安全性和可控性等方面優于大容量單體。對于鋰電池儲能裝置來說,其性能受主要受溫度以及鋰電池單體狀態的影響,低溫狀態下,鋰電池內部物質不夠活躍,導致鋰電池儲能裝置的性能下降;高溫狀態下,鋰電池內部物質過于活躍,鋰電池穩定性下降,容易引發儲能裝置安全問題。另外,鋰電池單體之間存在不一致性,即便是同廠家、同批次的電池,其電壓、內阻、容量等參數也有一定差異,工作運行一段時間后,其荷電狀態(State of Charge,SOC)、健康狀態(State of Health,SOH)、老化狀態也將發生不同程度的變化,因此,由大量鋰電池單體組成的電池模塊之間也具有較大的差異性,一定數量的電池模塊經過特定形式的串并聯構成了鋰電池儲能裝置。特別的,隨著電動汽車大范圍持續增長,在未來將有極大容量的電動汽車用鋰電池流入儲能市場[39],由于不同電動汽車品牌和型號所采用的鋰電池單體規格、電池包規模與組裝形式不同,所淘汰下來的二次電池在端口電壓、電池內阻、最大充放電功率、SOC、SOH等特性存在明顯差異,這些差異會增加鋰電池儲能應用中的困難。

2.2 鋰電池儲能的發展

從當前儲能技術的發展來看,鋰電池儲能是最接近大規模商業化的一種新型儲能技術。2015年以來,隨著鋰電池儲能系統的制造成本和維護成本不斷下降、儲能設備容量及壽命不斷提高,鋰電儲能開始得到大規模的應用,成為儲能產業新的發展趨勢和主要動力。2020年,全球鋰電儲能累計裝機量達到13 100 MW,相較于2015年增長27倍,鋰電儲能累計裝機量占總量比例從0.3%迅速提升到6.9%,從新增裝機情況看,2020年全球新增儲能規模中鋰電儲能占比達到71.5%,已成為市場的絕對主力。2020年中國新增儲能規模中鋰電儲能占比也接近一半,達到了47.6%,在新增電化學儲能規模中,鋰電儲能占比達到97.7%?！笆濉睍r期,我國鋰電池儲能技術持續創新、應用不斷深化,鋰電池儲能產業開始步入商業化初期,“十四五”期間,新型電力系統建設的全面推進給儲能產業和市場創造了巨大的發展空間,鋰電池儲能迎來了極大的增長。截至2022年底,全國新型儲能裝機中,鋰電池儲能占比94.5%,從2022年新增裝機技術占比來看,鋰電池儲能占比達94.2%,2023年前三季度中國鋰電池儲能出貨量達到127 GWh,同比上漲44%,鋰電池儲能市場的需求正在持續增長,鋰電池儲能技術處于絕對主導地位。圖3為全球2018-2022年電化學(鋰電池)儲能累計裝機規模[40]。

圖3 2018-2022電化學儲能累計裝機規模

3 電化學儲能在新型電力系統應用分析

3.1 電化學儲能功率能量平衡應用

由于風電、光伏等新能源具有波動性、間歇性、不可預測性等特點,新型負荷也具有較高的用能自由度,新型電力系統短期隨機不確定因素增多[41],負荷側和電源側波動同時加大,給電力系統的短期功率平衡造成威脅,因而對靈活性資源的需求快速增加。電化學儲能兼具功率型和能量型特征,能夠進行快速、精準的功率響應,同時鋰電池具有功率密度高、配置靈活等優點,在應對不確定性因素上具有更加靈活的應對能力,因此在新型電力系統儲能配置中越來越多的采用鋰電池儲能的方式。

通過配置一定容量的鋰電池儲能能夠存儲用電低谷期可再生能源棄電量,并在用電高峰期將儲能投入并網輸出能量,鋰電池儲能起到“削峰填谷”的作用,能夠快速平衡電力系統中的功率平衡。由于風機、光伏的大量并網,新型電力系統中具有波動性的新能源以及高自由度的新型負荷會在短時間內沖擊電力系統功率和能量的平衡,使得儲能裝置循環頻次較高。傳統火電調頻速度慢,不能及時平抑波動,鋰電池儲能具有動態響應速度快、充放電速度快、循環效率高等優勢,在隨機性強的新型電力系統中發揮重要作用。電化學儲能在短時間尺度內可以為電力系統提供調峰、平抑電力波動,不過由于鋰電池儲能受容量和成本的限制,難以應對中長時間尺度內新型電力系統能量平衡問題[42]。

3.2 電化學儲能主動支撐應用

新型電力系統包含大量新能源發電單元和電力電子變流器裝置,電力系統的慣量和阻尼特性減弱,依靠同步機旋轉軸機械能提供頻率、電壓穩定的支撐能力大幅下降。傳統的火電調頻機組在調頻穩壓的快速性、靈活性和電能質量上已經難以滿足高比例的新能源和電力電子裝置新型電力系統日益增長的需求。儲能技術的應用可以有效改善新型電力系統所面臨的功率能量平衡和頻率電壓穩定的問題,在眾多儲能技術中,鋰電池儲能發展最快、應用最為廣泛。當前,多數儲能裝置僅發揮被動支撐性作用,主要包括平衡功率和能量波動、一次調頻等,其本質仍然是采用電流源控制的跟網型儲能,根據電網需求來輸出相對應的功率,不能從控制上改善新型電力系統的低慣量、弱阻尼特性。

新能源的廣泛接入和同步機的大面積退出,使得新型電力系統電網強度變弱,頻率和電壓穩定性變差,需要加強鋰電池儲能的主動支撐作用,由此產生了構網型鋰電池儲能技術。構網型鋰電池儲能能夠發揮類似同步機組的電壓源支撐作用[43-45],一般通過虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制實現構網能力,為電網提供一定的慣量和電壓支撐[46-48],在弱網、離網運行的電力系統中能夠顯著提高電網穩定水平。構網型電化學儲能通過控制實現電力系統主動支撐作用,因此控制策略與控制參數的選取對于系統穩定性至關重要。電化學儲能的主動支撐能力不僅受儲能裝置自身性能(包含容量、電壓、內阻、老化程度等因素)的影響,還與并網變流器的控制方式、控制參數選取有關,在實際應用中需要對儲能系統及控制過程進行優化設計[49-50]。

3.3 鋰電池儲能優化配置

盡管鋰電池儲能已經得到了廣泛應用和全面發展,鋰電池儲能的經濟成本目前仍舊比較高,這也是限制其在電力系統中配置容量和規?；瘧玫闹饕蛩刂?。在新型電力系統中配置鋰電池儲能,不僅要在平抑頻率、電壓波動方面提出穩定可靠的控制策略,亦需要考慮合理配置鋰電池儲能功率和能量等級的優化方法,在保障新型電力系統安全穩定的同時提高系統經濟性。例如,文獻[51]基于分布式電源系統慣量支撐和一次調頻的需求,通過引入VSG控制的鋰電池儲能,解決了分布式電源大量接入電網慣量、阻尼缺失及穩定性下降問題,考慮系統經濟性提出了一種以元件參數和控制參數為基礎的鋰電池儲能優化配置方法。具有主動支撐作用的鋰電池儲能優化配置流程,如圖4所示。

圖4 鋰電池儲能優化配置流程

4 結 論

新型電力系統由于具有高比例新能源、高度電力電子化變流器和高自由度負荷,系統慣量低、阻尼弱,電網功率能量難以平衡,容易引發穩定性問題。電化學儲能憑借響應速度快、能量密度高、配置靈活等優點可以在多時間尺度內平衡系統功率能量,在暫態過程中采用構網型控制的鋰電池儲能能夠提供主動頻率和電壓支撐,保障新型電力系統安全穩定運行。實際應用中需要根據新型電力系統需求和經濟性指標優化配置電化學儲能的功率和容量等級。