储能技术在电力系统中的作用越来越重要，电力储能设施已成为电网运行必不可少的重要元件，其运行灵活性对保障电网安全，促进风电光伏等新能源消纳有积极意义^[1-3]。

1、储能技术

截至2019年底，全球已,投运储能项目累计装机规模184.6GW ,同比增长1.9%[4]，其中，抽水蓄能的累计装机规模最大,为171.0GW , 占比 92.6%；电化学储能的累计装机规模紧随其后,为9520.5MW , 占比5.2%。

近几年电化学储能发展速度非常快,在各类电化学储能技术中,锂离子电池的累计装机规模最大,为8453.9MW,占88.8%。抽水蓄能技术十分成熟且装机规模大 ,适合输电网和发电应用；电化学储能技术比较成熟,装机规模从几十kW级到几百MW不等[1] ,可广泛应用于用户、配电、输电及发电侧。

2.新能源并网面临问题

风资源的不确定性造成了风电出力的多变性，风机出力具有随机性、波动性、间歇性的特点,其出力与负荷需求往往不一致 ,严重时风电存在“反调峰”特性。光伏发电受天气和太阳辐射影响较大，日间易出现出力高峰、夜间一般降为零,光伏出力与负荷需求有一定的相关性,但在夜间负荷需求较大时却无法提供出力支撑。

因为风电、光伏出力及负荷都具有不确定性,因此系统需要一定的柔性爬坡容量(Flexible  Ramp  Capacity ,简写为FRC , 指某一调度时刻为满足后续时刻更高或更低的净负荷波动而预留的容量)来维持功率平衡。图1为系统运行时的FRC需求变化图,图中L0-L3 为各个时段的预测净负荷出力值,u1-u3、d1-d3分别为考虑不确定性的净负荷出力最大值和最小值 ,FRU0/ FRU1、FRD1/FRD2分别为系统向上、向下的FRC需求值。

图1   考虑净负荷不确定性的 FRC 需求变化

3.储能与新能源协调运行策略

储能技术在电力系统的应用涉及到发-输-配-用各个环节 ,为电网调峰、调频、无功调节等提供了更灵活可靠的手段 ,促进风电光伏等新能源并网消纳,改善配电网、微网电力平衡能力和联络线控制能力,为电网事故备用和黑启动提供一种保障电源,储能系统的应用还能优化局部电网潮流从而延缓电网增容改造进度。

3.1 储能在新能源系统中的主要应用形式有[5-9]：

(1)削峰填谷

电池储能电站跟踪负荷变化能力强,响应速度快, 控制精确,且具有双向调节能力。无论是发电侧还是电网侧 ,储能系统都可发挥削峰填谷的作用,既可改善传统机组运行区间和电力系统的运行经济性,又能促进风电光伏等新能源并网消纳。

(2 )辅助调频

在风电大规模接入的背景下,传统火电机组不满足功率跟踪和调频需求,而储能系统具有快速的响应能力和高效的能量转换效率,能够弥补传统机组的调节性能不足。储能系统的调频效果是水电机组的1.7倍 ,燃气机组的2.5倍 ,燃煤机组的20倍以上。 储能调频优势主要体现在以下几个方面：①在受控情况下,可以实现功率的上下调整,减小系统中机组旋转备用；②功率上调和功率下调可以实现交替进行,调节灵活且效率高；③输出功率可以根据负荷变化进行精准跟踪,调节速度快；④传统调频机组由于调节速度慢,当AGC指令下发后,机组无法快速转变功率方向 ,容易出现调节延时、调节偏差和调节反向的问题。而储能系统响应速度快,能够双向调节,不会出现上述问题。

(3 )优化系统运行

储能充放电过程,除了可以参与系统调峰、平滑风电光伏功率波动外,还可以延缓局部电网改造、降低系统运行损耗、提高供电可靠性、改善电能质量等。通过优化储能充放电功率和容量、接入电网位置和运行方式,可以实现电力系统整体净收益的最大化。

本文提出储能容量配置优化模型的目标函数为：

maxltotal = li - Ck                                                                                                                     

|b.{ p(p)lmin一坚besltbes(坚)坚p(Σ)max一bess

s.t.〈|c.{ SoCmin 坚SoC(t)坚SoCmax

|d. Eb(t)ess =  E(E)ss(ss) 1(1)-- δ(δ)p(p)ess(ess) Δ(Δ)t(t)/(x)η(η),,0

l|e.{ pmin ,i 坚(pi(t) +Ri(t) )xsi(t) 坚pmax ,i

其中,ltotal 为系统整体净收益；li为储能系统的第i项收益,N为收益项数；Ck为储能系统的第k项成本,K为成本项数。约束条件a~e分别指：a-系统功率平衡和支路潮流约束,b-储能充放电功率约束,c-储能荷电状态约束,d-储能充放电电量转换约束,e-常规机组的出力约束。

3.2 储能系统的各项收益计算方法

( 1 )调峰收益

储能电站通过“低充高放”的方式,实现峰谷电价差下的电费差额年收益：

l1 = ( (pout  BESS (t )p(t )-pin  BESS (t )p(t )/η)Δt)Δd

一                                          一

d = 0    t  =  0

其中,t为时间(小时),d为天数；pout一BESS (t)为储能放电功率、pin一BESS(t)为储能在t时刻的充电功率 ,p(t)为t时刻的峰/谷电价,η为储能充放电转换效率。

(2 )调频收益

储能配合火电、新能源等机组参与机组一次、二次(AGC)调频的年经济收益为：

l2 =(lAGC一bess (d ))Δd+Δlgen一 1 +Δlgen一2

lAGC  bess =pAGC  bess .(ln(KAGC  bess )+1) .ηAGC

一                         一                                    一

KAGC  bess =K1 .K2 .K3     

其中,lAGC一bess为储能每天提供AGC服务的补偿收益；Δlgen一1、Δlgen一2分别为储能运营后 ,每年对常规发电机组一次、二次调频考核罚款减少费用；pAGC一bess为储能参与 AGC调频的功率调节幅度,该功率不大于储能额定功率 ,即pAGC一bess≤pN一BESS；KAGC一bess为储能调节性能参数 ,K1、K2、K3分别为储能调节速率、调节精度、响应时间参数,PAGC为AGC服务的单位补偿额度(元/MW)。

4.结束语

电化学储能技术近几年发展较快,在风电光伏等新能源大规模接入电网过程中发挥了重要作用。算例分析表明储能在削峰填谷、功率跟踪和调频等方面效果明显，而且储能可以优化系统运行、提高系统整体效益，本研究结论对于储能在新能源并网中的应用有借鉴意义。

参考文献

[1]张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术，2018，32 (7)：1一9

[2]国家电网公司项目组.大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析[J].电力系统自动化，2013，37 (1)：3一8

[3]朱永强，郝嘉诚，赵娜等.能源互联网中的储能需求、储能的功能和作用方式[J ].电工电能新技术，2018，37(2)：68一75

[4]中国能源研究会储能专委会.储能产业研究白皮书(2020)[R] .北京：中国能源研究会储能专委会，2020