新型电力系统中电化学储能应用与关键技术综述

任子俊,曲小慧,王敏之,陈国剑

(东南大学电气工程学院,江苏 南京 210096)

0 引 言

随着世界能源需求的持续增加,传统能源结构难以满足现代社会的绿色生产及可持续发展需求,优化能源结构、实施减污降碳成为满足我国经济社会发展全面绿色转型的迫切需要。“双碳战略”的提出和《“十四五”现代能源体系规划》的制定明确了我国以新能源发电为主体的新型电力系统的发展方向,推动了电力系统向“三高”,发电侧新能源比例高、配电侧电力电子化程度高与负载侧用能自由度高的态势演化。大力开发新能源,加快风能、太阳能等可再生能源的并网消纳,成为构建新型电力系统的首要任务[1-4]。截至2023年上半年,全国可再生能源发电量达1.34万亿千瓦时,其中,风电光伏发电量达7 291亿千瓦时,同比增长23.5%[5]。

风电和光伏等新能源具有强波动性和强随机性,并受季节和日夜变化的影响[6],随着新能源在电力系统中的占比不断提高,新型电力系统的不确定性、非线性及复杂性增强,新能源与负载之间双侧不确定性和供需不匹配问题显著[7]。另外,由于新能源发电侧的能量转化装置需要采用电力电子变流器,配电侧的变压变频与功率传输控制也大量采用电力电子变流器,负载侧亦广泛接入了采用电力电子器件进行电能变换的有源负载[8-10]。新型电力系统的动态特性正发生深刻变化,由同步机主导的机电暂态过程逐步过渡到由电力电子控制主导的类机电-电磁耦合暂态过程[11],传统电力系统与新型电力系统的对比如表1所示。新型电力系统呈现出电网强度弱、惯性低、抗干扰能力弱以及宽频带响应等问题[12-16],这对电力系统的功率能量平衡和安全稳定控制提出了严峻的挑战[17]。在控制层面容易出现暂态电压不稳定、系统频率特征复杂等问题,在运行调度层面存在“弃风弃光”现象严重以及调度灵活性不足等问题,当电力系统发生故障时,频率、电压波动较大,容易引发新能源发电机组脱网等问题[18-20]。

表1 传统电力系统和新型电力系统对比

由此可见,新型电力系统在短时间尺度的功率平衡与稳定控制、中长时间尺度的运行调度与能量优化以及故障状态下的系统支撑与故障穿越等方面均存在较大风险,亟需接入能在较宽时间尺度范围内响应系统需求的设备。储能设备能够将用电低谷时段的电能转化为其他形式的能量进行存储,并在用电高峰时段或其他必要时刻再将储存的能量转化成电能,可以满足新型电力系统多时间尺度内功率能量平衡和安全稳定运行的需求。从现有技术来看,按照能量储存形式进行分类,可将电力系统中常见的储能分为机械储能(抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等)、化学储能(氢储能等)、电磁储能(超级电容储能、超导储能等)和电化学储能(锂电池储能、铅酸电池储能等)[21-24]。不同储能方式的技术特征不同,因此适用场景也不同,体现储能特征的技术参数主要有:1)配置容量、额定功率和放电时长,主要体现储能的应用规模大小;2)动态响应时间,主要体现储能设备从接受指令到首次达到额定功率运行的时间;3)能量循环效率,主要体现储能装置存储/释放能量过程中的电能利用率。表2总结了不同储能方式的关键技术参数及一般适用场景。

表2 不同储能技术对比分析

多样化储能技术在不同电源结构、电网规划及运行调度的电力系统中发挥着重要作用,极大改善了新型电力系统的动态特性和运行稳定性,其中,电化学储能技术在千瓦级至兆瓦级储能装备中有着其他储能方式不可比拟的优势[25],加上近几年分布式微电网和电动汽车的蓬勃发展,电化学储能成为目前发展最快、应用最广的储能技术。基于上述情况,本文对电化学储能的关键技术及其应用功能进行综述和展望,首先分析新型电力系统的发展与挑战;然后根据新型电力系统的需求梳理电化学储能的特点和发展情况;进一步分析电化学储能在新型电力系统中的应用技术;最后对电化学储能在新型电力系统中的应用前景进行展望,为利用电化学储能应对新型电力系统的多场景需求及关键技术挑战提供支撑。

1 新型电力系统发展及挑战

1.1 新型电力系统发展现状

新型电力系统是清洁低碳、安全高效的现代能源体系的重要组成部分,在“碳达峰、碳中和”目标下,构建新型电力系统成为建设新型能源体系的关键内容和重要载体[26]。当前,我国电力系统正向清洁低碳、安全可控、灵活高效、开放互动、智能友好的新型电力系统演进[27]。“十四五”期间,我国大力推进风电、光伏等新能源供给消纳体系建设,一方面,持续完善发电装置与输电网架的建设,支撑和促进大型电源基地集约化开发、沙戈荒及远海等远距离发电基地电能外送;另一方面,加快建设现代智慧配电网,促进微电网和分布式能源发展,满足各类电力设施便捷接入[28-30]。

《新型电力系统发展蓝皮书》提出,制定新型电力系统“三步走”发展路径,即加速转型期(当前至2030年)、总体形成期(2030年至2045年)、巩固完善期(2045年至2060年),有计划、分步骤推进新型电力系统建设。目前我国电力系统清洁能源发电装机容量、远距离输电能力、电网规模等指标均稳居世界第一。截至2022年底,非化石能源装机规模达12.7亿千瓦,占总装机的49%,超过煤电装机规模(11.2亿千瓦)。2022年,非化石能源发电量达3.1万亿千瓦时,占总发电量的36%。其中,风电、光伏发电装机规模7.6亿千瓦,占总装机的30%;风电、光伏发电量1.2万亿千瓦时,占总发电量的14%,分别比2010年和2015年提升13%和10%。图1为我国2013-2022年发电装机情况[31]。

图1 我国2013-2022年发电装机情况

1.2 新型电力系统面临的挑战

传统电力系统遵循“源随荷动”的电网平衡模式[32],根据负荷需求随时调整同步机的发电量,传统电力系统电网惯量较大、具有良好的稳定性,同时负载需求可预测,电网运行调度问题易于解决。随着新能源并网规模不断扩大,能源结构清洁化转型的持续推进,电网中同步机的数量不断减少,新型电力系统发电侧将以新能源为主体,负荷侧随机性波动的增加,电力系统的平衡特征和方式正在发生深刻变化,维持系统平衡的难度不断加大。电网惯量降低,电压、频率调节能力减弱,电网不稳定风险大幅增加。

与传统电力系统不同,新型电力系统发电侧为高比例新能源,电能变换装置高度电力电子化同时负载用能有着较高的自由度,新型电力系统结构示意图如图2所示。新型电力系统的控制由电力电子器件主导,具有快速调节和柔性控制的优点,同时也存在低惯量、弱抗扰、易发生宽频振荡以及故障穿越能力不足等缺陷,加上新能源发电的随机性和波动性问题,多呈现“反调峰特性”,给电网带来较大功率能量平衡调节的压力[33]。综上所述,新型电力系统在安全稳定运行、多时间尺度功率能量平衡以及运行调度等过程中面临较大挑战。

图2 新型电力系统示意图

2 电化学储能特点及发展情况

随着清洁能源的快速发展和能源结构转型的推进,新型电力系统所面临的挑战愈发明显,亟需储能装置的接入对电力系统的功率能量平衡、稳定运行及调度进行调节。根据能量转换方式的不同可以将电力系统中常见储能技术分为:机械储能、化学储能、电磁储能和电化学储能等。其中电化学储能凭借动态响应速度快、配置灵活等优势成为近年来发展最快、应用最为广泛的储能技术,电化学储能主要包括锂电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能等,其中锂电池具有高能量密度、高循环效率、配置灵活等优点,是目前电化学储能中最为关键的储能技术[34]。

2.1 锂电池储能的特点

锂电池储能具有动态响应速度快、电压特性稳定、配置灵活、模块化程度高、建设成本低、高能量密度、高循环效率、充放电速度快、无记忆效应、自放电速率小等优点[35-36],在电动汽车、新型电力系统等领域应用广泛。近年来,关于锂电池储能的研究侧重于新型电极材料和电解质开发、电池成本降低、能量和功率密度提高、循环使用次数和寿命延长以及安全性增强等方面[37]。目前,商用锂电池主要有磷酸铁锂和三元锂电体系[38],磷酸铁锂电池的能量密度较低,但优势在于其更高的安全性和较长的寿命;三元锂电池则具有更高的能量密度和功率输出,但其安全性和循环寿命相对较低,需要额外的安全措施和注意。发电侧和电网侧一般有着较大的用地面积,对于储能装置的体积重量没有太多的限制,在锂电池储能配置上可以更多地采用具有更高的安全性和较长的循环寿命的磷酸铁锂电池;用户侧则对储能装置的体积重量有所限制,一般需要采用能量密度更高的三元锂电池,通过改变电池的形状、尺寸和连接方式,可以有效提高电池的体积能量密度和重量能量密度,从而能够更好地满足用户侧的储能需求。

锂电池储能装置由大量的电池单体经过串并联构成,其中小容量单体在储能系统的安全性和可控性等方面优于大容量单体。对于锂电池储能装置来说,其性能受主要受温度以及锂电池单体状态的影响,低温状态下,锂电池内部物质不够活跃,导致锂电池储能装置的性能下降;高温状态下,锂电池内部物质过于活跃,锂电池稳定性下降,容易引发储能装置安全问题。另外,锂电池单体之间存在不一致性,即便是同厂家、同批次的电池,其电压、内阻、容量等参数也有一定差异,工作运行一段时间后,其荷电状态(State of Charge,SOC)、健康状态(State of Health,SOH)、老化状态也将发生不同程度的变化,因此,由大量锂电池单体组成的电池模块之间也具有较大的差异性,一定数量的电池模块经过特定形式的串并联构成了锂电池储能装置。特别的,随着电动汽车大范围持续增长,在未来将有极大容量的电动汽车用锂电池流入储能市场[39],由于不同电动汽车品牌和型号所采用的锂电池单体规格、电池包规模与组装形式不同,所淘汰下来的二次电池在端口电压、电池内阻、最大充放电功率、SOC、SOH等特性存在明显差异,这些差异会增加锂电池储能应用中的困难。

2.2 锂电池储能的发展

从当前储能技术的发展来看,锂电池储能是最接近大规模商业化的一种新型储能技术。2015年以来,随着锂电池储能系统的制造成本和维护成本不断下降、储能设备容量及寿命不断提高,锂电储能开始得到大规模的应用,成为储能产业新的发展趋势和主要动力。2020年,全球锂电储能累计装机量达到13 100 MW,相较于2015年增长27倍,锂电储能累计装机量占总量比例从0.3%迅速提升到6.9%,从新增装机情况看,2020年全球新增储能规模中锂电储能占比达到71.5%,已成为市场的绝对主力。2020年中国新增储能规模中锂电储能占比也接近一半,达到了47.6%,在新增电化学储能规模中,锂电储能占比达到97.7%。“十三五”时期,我国锂电池储能技术持续创新、应用不断深化,锂电池储能产业开始步入商业化初期,“十四五”期间,新型电力系统建设的全面推进给储能产业和市场创造了巨大的发展空间,锂电池储能迎来了极大的增长。截至2022年底,全国新型储能装机中,锂电池储能占比94.5%,从2022年新增装机技术占比来看,锂电池储能占比达94.2%,2023年前三季度中国锂电池储能出货量达到127 GWh,同比上涨44%,锂电池储能市场的需求正在持续增长,锂电池储能技术处于绝对主导地位。图3为全球2018-2022年电化学(锂电池)储能累计装机规模[40]。

图3 2018-2022电化学储能累计装机规模

3 电化学储能在新型电力系统应用分析

3.1 电化学储能功率能量平衡应用

由于风电、光伏等新能源具有波动性、间歇性、不可预测性等特点,新型负荷也具有较高的用能自由度,新型电力系统短期随机不确定因素增多[41],负荷侧和电源侧波动同时加大,给电力系统的短期功率平衡造成威胁,因而对灵活性资源的需求快速增加。电化学储能兼具功率型和能量型特征,能够进行快速、精准的功率响应,同时锂电池具有功率密度高、配置灵活等优点,在应对不确定性因素上具有更加灵活的应对能力,因此在新型电力系统储能配置中越来越多的采用锂电池储能的方式。

通过配置一定容量的锂电池储能能够存储用电低谷期可再生能源弃电量,并在用电高峰期将储能投入并网输出能量,锂电池储能起到“削峰填谷”的作用,能够快速平衡电力系统中的功率平衡。由于风机、光伏的大量并网,新型电力系统中具有波动性的新能源以及高自由度的新型负荷会在短时间内冲击电力系统功率和能量的平衡,使得储能装置循环频次较高。传统火电调频速度慢,不能及时平抑波动,锂电池储能具有动态响应速度快、充放电速度快、循环效率高等优势,在随机性强的新型电力系统中发挥重要作用。电化学储能在短时间尺度内可以为电力系统提供调峰、平抑电力波动,不过由于锂电池储能受容量和成本的限制,难以应对中长时间尺度内新型电力系统能量平衡问题[42]。

3.2 电化学储能主动支撑应用

新型电力系统包含大量新能源发电单元和电力电子变流器装置,电力系统的惯量和阻尼特性减弱,依靠同步机旋转轴机械能提供频率、电压稳定的支撑能力大幅下降。传统的火电调频机组在调频稳压的快速性、灵活性和电能质量上已经难以满足高比例的新能源和电力电子装置新型电力系统日益增长的需求。储能技术的应用可以有效改善新型电力系统所面临的功率能量平衡和频率电压稳定的问题,在众多储能技术中,锂电池储能发展最快、应用最为广泛。当前,多数储能装置仅发挥被动支撑性作用,主要包括平衡功率和能量波动、一次调频等,其本质仍然是采用电流源控制的跟网型储能,根据电网需求来输出相对应的功率,不能从控制上改善新型电力系统的低惯量、弱阻尼特性。

新能源的广泛接入和同步机的大面积退出,使得新型电力系统电网强度变弱,频率和电压稳定性变差,需要加强锂电池储能的主动支撑作用,由此产生了构网型锂电池储能技术。构网型锂电池储能能够发挥类似同步机组的电压源支撑作用[43-45],一般通过虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制实现构网能力,为电网提供一定的惯量和电压支撑[46-48],在弱网、离网运行的电力系统中能够显著提高电网稳定水平。构网型电化学储能通过控制实现电力系统主动支撑作用,因此控制策略与控制参数的选取对于系统稳定性至关重要。电化学储能的主动支撑能力不仅受储能装置自身性能(包含容量、电压、内阻、老化程度等因素)的影响,还与并网变流器的控制方式、控制参数选取有关,在实际应用中需要对储能系统及控制过程进行优化设计[49-50]。

3.3 锂电池储能优化配置

尽管锂电池储能已经得到了广泛应用和全面发展,锂电池储能的经济成本目前仍旧比较高,这也是限制其在电力系统中配置容量和规模化应用的主要因素之一。在新型电力系统中配置锂电池储能,不仅要在平抑频率、电压波动方面提出稳定可靠的控制策略,亦需要考虑合理配置锂电池储能功率和能量等级的优化方法,在保障新型电力系统安全稳定的同时提高系统经济性。例如,文献[51]基于分布式电源系统惯量支撑和一次调频的需求,通过引入VSG控制的锂电池储能,解决了分布式电源大量接入电网惯量、阻尼缺失及稳定性下降问题,考虑系统经济性提出了一种以元件参数和控制参数为基础的锂电池储能优化配置方法。具有主动支撑作用的锂电池储能优化配置流程,如图4所示。

图4 锂电池储能优化配置流程

4 结 论

新型电力系统由于具有高比例新能源、高度电力电子化变流器和高自由度负荷,系统惯量低、阻尼弱,电网功率能量难以平衡,容易引发稳定性问题。电化学储能凭借响应速度快、能量密度高、配置灵活等优点可以在多时间尺度内平衡系统功率能量,在暂态过程中采用构网型控制的锂电池储能能够提供主动频率和电压支撑,保障新型电力系统安全稳定运行。实际应用中需要根据新型电力系统需求和经济性指标优化配置电化学储能的功率和容量等级。