能源互联网背景下的电力储能技术展望

能源互联网背景下的电力储能技术展望李建林,田立亭,来小康(中国电力科学研究院,北京市100192)摘要:基于能源互联网的特征,给出了广义电力储能的定义,提出了储能在能源互联网中的2种应用模式。对电化学储能、电动汽车、储热、储氢等将在能源互联网中发挥重要作用的储能技术现状进行了分析,并对储能在能源互联网中的关键应用技术进行了探讨。指出了新能源发电和储能的协调规划和调度技术、基于储能的能源路径和能源分配策略、储能与能量转换装置的集成设计和协调配置、考虑储能的能源交易机制是储能在能源互联网应用中的几项关键技术。关键词:储能;智能电网;能源互联网;能源互联;能源集线器;可再生能源发电;多能源耦合收稿日期:2015-09-06;修回日期:2015-10-13。国家电网公司基础前瞻项目(DG71-15-038);中国电力科学研究院创新基金资助项目(DG83-15-003)。0引言为应对化石能源开发利用带来的能源和环境危机,以电为中心、以新能源大规模开发利用为特征的新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。在此次能源变革的推进下,能源互联网概念应运而生。目前,关于能源互联网的范畴、架构和形式有多种理解[1-5],尚未形成一个公认的定义。其中文献[3]通过智能电网与能源互联网内涵的对比,将能源互联网定义为以电力系统为核心,以互联网及其他前沿信息技术为基础,以可再生能源为主要一次能源,与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。实际上,电力系统是一个天然的能源互联网,其将化石能源、核能、水、风、太阳能、地热等一次能源转化为清洁便利的电能。与智能电网相比,能源互联网的主要特征体现为:①多种能源紧密结合,即电能与其他能源以一定耦合形式形成互补关系,共同构成能源供应体系;②分布式管理机制,以能源路由器[2]为核心部件实现一定区域内的能量和信息管理;③多元主体间的交互,能源互联网中存在多个交易主体,多种交易模式并存,能源服务无处不在[6]。在友好互动、清洁高效、安全自愈、以信息通信技术为基础等方面,能源互联网与智能电网的特征[7]是相同的,因此,能源互联网也被称为智能电网V2.0[8]。能源互联网中,一次能源以可再生能源为主,终端能源消费体现为以电能为主的多种能源形式。通过电能、热能、化学能等多种能源的相互转换和互补,实现电网、气网、热力网、交通网等能源网络的紧密结合。先进储能技术、电力电子技术、新能源发电技术、智能能量管理技术、智能故障管理技术、可靠安全通信技术和系统规划分析技术等被认为是能源互联网的关键技术[6-9]。在能源互联网中,多种能源形式以最清洁高效便捷的方式进行转换、传输、存储并在用户端得到共享,储能将成为电能与其他能源灵活转换和综合利用的关键设备。储能破解了能源生产和消费的不同步性,使能源在时间和空间上具有可平移性,实现了能源共享的前提。智能电网中,储能已成为大规模集中式和分布式新能源发电接入和利用的重要支撑技术[10-13]。在能源互联网发展背景下,储能的作用和地位将发生显著变化。基于储能在电力系统中的应用基础,储能的功能将进一步得到拓展,一些储能技术将获得新的发展机遇。目前,对储能在能源互联网中的应用方式和功能地位尚未有清晰的认识。文献[14]指出分布式储能是解决能源互联网中能量源的不确定性与能量流无秩序性的支撑技术。文献[15]设想了在全球可再生能源发电基地、输电网络和负荷中心配置储能的方案。现有工作大多未能突破储能在智能电网中的应用范畴,储能在能源互联网中的应用研究和示范缺乏指导。本文基于能源互联网的特征,分析了储能的作用和地位,对未来能源互联网中将发挥重要作用的储能技术进行介绍,并对储能在能源互联网中的关键应用技术进行了探讨。51第39卷第23期2015年12月10日Vol.39No.23Dec.10,2015DOI:10.7500/AEPS201509060041能源互联网背景下的广义电力储能技术定义传统意义的电力储能可定义为实现电力存储和双向转换的技术,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能、电池储能等[16],利用这些储能技术,电能以机械能、电磁场、化学能等形式存储下来,并适时反馈回电力网络。能源互联网中的电力储能不仅包含实现电能双向转换的设备,还应包含电能与其他能量形式的单向存储与转换设备。在能源互联网背景下,广义的电力储能技术可定义为实现电力与热能、化学能、机械能等能量之间的单向或双向存储设备。如图1所示,电化学储能、储热、氢储能、电动汽车等储能技术围绕电力供应,实现了电网、交通网、天然气管网、供热供冷网的“互联”。其中,电化学储能和电动汽车实现了电力双向转换,用双框线标出,其余用单框线标出,图中箭头的方向表示能量流动的方向,FCEV表示燃料电池电动汽车,BEV表示电化学电池电动汽车。/A*4&4&!046#*!!E4&*5&!34F*6&!**B8&B8B8FCEVBEV&*!F*6*&&&*!&E图1能源互联网中的电力储能技术Fig.1Electricalenergystoragetechnologiesintheenergyinternet图1中,除储能设备外,还包含了热电联供机组、燃料电池、热泵、制氢等能源转换设备。储能和能源转换设备共同建立了多能源网络的耦合关系。在实际应用中,二者常进行一体化设计,难以区分,因此本文将具有储能能力的电力转换设备也纳入广义电力储能的范畴。图1中,通过新能源发电实现风、光、潮汐、地热等主要一次能源向电能的转换。在电网传输和消纳能力的限制下,部分新能源发电将通过制氢、制热等方式进行转换,部分新能源发电以电化学储能等双向电力储能设备存储并适时返回电网。在各电力储能技术的支撑下,新能源发电与热电联供机组、燃料电池、热泵等转换设备协调运行,实现了新能源高效利用目标下,以电能为核心的多能源生产和消费的匹配。2能源互联网中储能的应用模式储能技术已被视为电力系统“发—输—变—配—用”环节中的重要组成部分[16]。美国Sandia国家实验室将储能为电力系统提供的服务划分为5类18项[17]。在能源互联网中,储能的作用将进一步得到扩展。图2描绘了能源互联网的概念架构,包括物理系统、管理系统和能源交易市场。在能源互联网物理系统中,以实现大规模新能源发电远距离、跨区域输送的大电网为核心,结合天然气输送通道构成了能源互联的广域骨干网络;在能源骨干网络的基础上,按照一定区域对能源生产和消费进行划分,形成若干个能源局域网[2]。如图2所示能源局域网通过本地能量接口(localenergyinterface,LEI)接入骨干能源传输网,负荷、能源转换和储能设备通过各自的智能能量接口(intelligentenergyinterface,IEI)并网。能源互联网的管理系统可划分为广域能量管理系统和局域能量管理系统两大层级,广域能量管理系统实现大规模能源生产和输送的协调调度,局域能量管理系统对本地的能源生产和消费进行优化。大规模集中式能源生产商、大容量储能运营商以及局域能源网运营商共同参与能源交易市场。类似虚拟电厂(VPP),对分布式能源生产进行聚合管理,可形成虚拟能源站(virtualenergyplant,VEP),作为补充形式参与系统能量管理和能源市场交易。在能源互联网架构的基础上,可以看出储能在能源互联网中存在如下两种应用模式。1)广域能源网应用。在骨干网络中,利用大规模储能技术协调集中式能源生产,参与广域能量管理,为大规模能源生产和传输提供“能量缓冲”,为系统广域能量调度提供支撑,维持系统供需平衡。大容量储能的运营主体直接参与能源交易市场,根据能源市场价格变动灵活购入或卖出能量,或提供调节服务。2)局域能源网应用。局域能源网中,储能与能源转换装置相互配合共同维持系统经济高效运行,局域能源网管理系统根据储能的状态及供需预测信息,结合能源价格信息,对局域网内能源的生产和消耗进行决策,从能源市场购买或卖出能量。在VEP应用中,由于难以对各分散生产者的行为进行预测,因此对分布式电源、电动汽车等进行聚合管理具有较大的难度,引入储能对VEP的管理和运行有着重要意义。在储能的作用下,分散的能源生产者具有更可信的能源供应能力,使其具备参与能源市场交易的条件。612015,39(23)·信息能源系统·6F0)24
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EE图2能源互联网的概念架构Fig.2Conceptualstructureofenergyinternet3能源互联网中储能的作用和需求可见,储能为广域和局域能源互联网提供了必要的支撑。在各应用模式下,储能具有特定的作用和应用目标,对储能技术的需求也有所差异。此处,将储能在能源互联网中的作用和需求归纳如下。3.1支撑高比例可再生能源发电电网的运行能源互联网以可再生能源为主要一次能源,利用可再生能源发电、供热、制氢均是能源互联网中可再生能源利用的重要形式。全球范围内,可再生能源发电目前处于快速增长阶段。大规模波动性及间歇性可再生能源发电的接入使得电源侧的不确定性增加,加大了电网功率不平衡造成的风险。针对大规模可再生能源发电的接入,一方面通过储能技术与可再生能源发电的联合,减少其随机性并提高其可调性;另一方面通过电网级的储能应用增强电网对可再生能源发电的适应性[10]。对于后者,储能作为电网的可调度资源,具有更大的应用价值和应用空间。在电网级的应用中,对储能的需求大体可以分为功率服务和能量服务两类[18]。功率服务中储能应对电网的暂态稳定和短时功率平衡需求,作用时间从数秒至数分钟。能量服务中,储能用于长时间尺度的功率调节,作用时间可从数小时延伸至季节时间尺度,用于应对系统峰谷调节以及输配电线路的阻塞问题。对于功率服务,需要响应快速的大容量储能技术,如飞轮储能、超级电容储能、电池储能等,这些储能技术与电力电子技术相结合,具有四象限调节能力,可对有功功率和无功功率进行双向调节,对电网的电压和频率进行支撑。对于能量服务,双向的电力储能需要具有长时间尺度的存储能力、较高的循环效率及较低的成本,实现可再生能源发电在时间维度上的转移。实际上,大规模电力储能并不是解决高比例可再生能源发电利用问题的唯一手段,用电负荷的柔性调节能力也是缓解电网压力的有效方式,在负荷侧,分布式的电池储能、电动汽车、蓄热、蓄冷等分布式储能技术的应用也大大提高了电力负荷的柔性调节能力。对于高比例新能源发电电网,为提高综合能源利用效率,储氢、储热等单向的大规模储能技术,为冗余的新能源发电提供了向其他能源形式转移的途径,同时在长时间尺度,为广域能源互联网的运行提供支持。3.2提高多元能源系统的灵活性和可靠性能源互联网中存在多种能量流的相互耦合和影响。以社区热电联供系统为例,图3所示的多端口网络中电力、热力服务之间存在相互约束关系,按照能源集线器建模方法[19-20],可将k时刻能源供应的耦合关系表述为:Le(k)Lh(k)éëêêùûúú=CPe(k)Ph(k)éëêêùûúú+DShse(k)Shsh(k)éëêêùûúú(1)71李建林,等能源互联网背景下的电力储能技术展望式中:C为集线器中能源转换元件的功率耦合矩阵,包括电力变压器、热电联供燃气轮机(CHP)、电锅炉;D为系统中储能元件的功率耦合矩阵;L=[L