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移動式儲能應急電源關鍵技術研究

作者:李建林等 來源:浙江電力雜志 發布時間:2020-06-16 瀏覽:
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移動式儲能應急電源關鍵技術研究

李建林1,黃 健2,許德智3

(1.北京市變頻技術工程研究中心(北方工業大學 電氣與控制工程學院),北京 100144;2.東華大學 信息科學與技術學院,上海 201620;3.江南大學 物聯網工程學院,江蘇 無錫 214122)

本文引文信息:李建林,黃健,許德智.移動式儲能應急電源關鍵技術研究[J].浙江電力,2020,39(05):10-14.

0 引言

緊急電源供給能力是一個城市應急管理能力的標志,是各種應急措施的前提和保障。防災應急電源在確保供電可靠性方面作用突出,可以在短時間內令因意外狀況中斷供電的重要負荷恢復運行。但防災應急電源往往受成本、容量限制較多,而移動式儲能系統以其配置靈活、易于現場安裝和操作、響應迅速、可靠性高、可移動性強、不受地域限制等特點,成為應急電源的首選。

目前,移動式儲能系統可解決季節性負荷問題,具有抑制系統振蕩、保障電力系統穩定、配合實現電網調壓調頻等作用。隨著儲能技術的發展,移動式儲能系統的應用范圍將會不斷擴大,除了能夠為疫情、地震、冰災等自然災害做應急搶險,還可以為手術室、運動場館、云服務器等重要設施提供應急備用電源,可為覆冰線路消除融冰、線路檢修等工作提供能源,為郊區、城市商業區等地調整用電負荷峰谷,為電動汽車充電,保障重大政治活動電源供給等。如當前的武漢新冠疫情,配置移動式應急電源可加快電力配套工程建設進度,確?;鹕裆?雷神山醫院及時通電,并保障醫院可靠供電。

移動儲能電源的缺點是受儲能系統容量限制,供電容量和時間有限。隨著分布式儲能在電力系統中的應用越來越廣泛[1-4],將配電網中大量、隨機的儲能設備通過匯聚技術接入到移動儲能電源,不僅能夠增強移動儲能電源的保障能力、拓展移動儲能電源應用場景,而且可以有效利用配電網閑置儲能資源。本文針對移動式儲能應急電源設備和關鍵技術進行綜述,討論“可調度”電源與移動式儲能系統聯合運行模擬方法、分布式儲能資源匯聚技術、集群控制技術及其他相關研究,并對國內外研究現狀進行分析和總結,最后分析移動式儲能應急電源的發展現狀與關鍵設備的研制。

1 移動式儲能電源關鍵技術

1.1 “可調度”電源與移動式儲能系統聯合運行模擬方法

以疫情、地震、冰災、礦難等突發事故應急搶修、重大保電活動場景為例,首先需研究移動式電源系統的多種接入及運行方式,根據接入方式的不同,研究能夠兼顧在線式系統接入和退出的并離網無縫切換技術,實現負荷的不間斷供電;根據系統運行的物理規律,研究適用于不同應急場景下移動式儲能技術約束條件,包括系統安全性約束、溫度場約束、機組技術出力約束,另外重要會議和賽事供電需要考慮電源的輸出電能質量和過載能力,城市電網應急和負荷保電則需要更多考慮電源的壞境適應性、靈活可靠性及投運、啟動時間等。

然后收集重要會議、賽事、突發事故等歷史電力供需數據資料,基于ARMA 模型、線性相關系數和Copula 模型研究“可調度”電源時空相關性分析方法,搭建“可調度”電源之間的時空分布特性模型??紤]移動式電源設備技術與運行特性,針對不同城市應急管理場景選取合適的優化目標及約束條件,可采用合適的凸化或線性化技術,建立“可調度”電源與移動式儲能聯合運行模型,考慮不同運行模擬時間周期的高效運行模擬計算方法,可為不同城市應急管理場景下的聯合運行模擬提供支撐。

1.2 分布式儲能資源匯聚技術

針對目前移動式儲能應急電源存在供電時間短、供電容量有限等問題,需利用各種分布式儲能設備實現移動式儲能應急電源的靈活高效,其中有兩個關鍵技術要解決,一是分布式儲能資源匯聚技術,二是多種儲能設備如何接入移動式儲能電源,即直流變換器技術。直流變換器屬于電力電子設備,目前主要應用在含有直流母線的設備中,功率較小,且未見與儲能應急電源結合以提升應急電源儲能系統供電容量的研究,因此以下主要討論分布式儲能資源匯聚技術。

目前國內微電網控制的研究主要集中在下垂控制方面。根據下垂特性曲線可知,頻率f 與有功P 以及電壓U 與無功Q 之間均呈線性相關(如圖1 所示),分別獲取微電網頻率和電壓,這種控制方法在無需機組間通信協調的情況下按比例分配功率[5],實現了微電網即插即用,具有簡單可靠的特點。

圖1 同步電機下垂特性曲線

文獻[6]提出了基于SOC(荷電狀態)的改進下垂控制方法,應用于功率等級差別小的分布式儲能系統,實現了根據各儲能單元的SOC 來對其出力大小進行合理分配。

分布式儲能主要分為集中決策和分散決策兩類運行方式。文獻[7]使用二階錐松弛技術獲得高比例光伏放射狀配電系統中分布式儲能規劃運行的最優解。而文獻[8]分析各儲能單元的迭代結果,經過相鄰單元間的協調,獲得各裝置的最優策略,在此基礎上提出一種完全分散式的分布式儲能運行方法。

此外,匯聚技術涉及電動汽車和能量信息化的研究。文獻[9]提出了電動汽車分布式儲能的概念及其控制策略,將電動汽車分成負責充電和放電的兩個群,提高了可調度性。文獻[10]在以單體電池為能量離散化單位的分布式儲能系統中應用了能量信息化思想,并設計了可重構電池架構,大幅提升了系統效率。

分布式儲能系統的匯聚過程可以套用聚合理論[11]的概念,聚合理論中的疏松聚合體是指以經濟性為目標,在常規運行中其結構及組成將根據內部資源和整體運行環境、目標的改變而可能改變的集合單元,體現聚合體的積極性。

1.3 集群控制技術

集群協調控制技術近年來得到快速發展,其在無人系統[12]、通信領域[13]及智能交通[14]等領域有不少應用。集群控制作為協調控制領域的一個重要方面,具有極強的自我組織能力和被控對象規模較大的特點[15],尤其在復雜的廣域分散系統中,集群協調控制是完成控制目標、實現最優控制的一種行之有效的方法,符合高滲透率分布式儲能系統的控制要求。集群協調控制從簡單的局部規則涌現出協調的全局行為,使被控對象行為趨于一致,體現了較強的適應性、分散性、魯棒性、容錯性和自主性。

目前,國內外只有少部分專家學者對分布式儲能中的集群協調控制技術開展研究,對其進行了初步探討。分布式儲能集群控制目前主要側重于概念的提出和框架搭建,針對其匯聚應用尚未開展系統性理論研究及模型分析。文獻[16]提出了一種考慮SOC 的多儲能系統與可再生能源間的分布式有功功率協調控制策略。更多研究集中在大型風電場的集群控制,包括風電集群、風儲集群和風光集群的協調控制構架和基本控制策略等方面,能夠為分布式儲能集群之間以及上層變電站之間的協調控制提供一種思路和啟發。

集群協調控制的核心在于集群和協調控制。集群的首要任務是進行動態劃分,將相似度高的分布式儲能系統聚合劃分為一個子區域,各分區可獨立、并行進行控制調節,如圖2 所示。

在這個過程中,聚類理論可為研究提供分組思路,文獻[17]通過k-means 提取用戶的典型用電負荷曲線,并與群體行為進行差異性比較,制定基于負荷曲線形態的用戶分類規則,在此基礎上,根據用戶的用電特征,采用“進化”主元分析法對負荷形態相似的用戶進行分類。

圖2 分布式儲能分區示意

MAS(多代理系統)是由多個智能代理形成,通過確定每個代理在系統中的作用及配合的準則,使系統易于控制與管理。在調度層面統一調配廣域布局的分布式儲能系統,是一個包含資源分散、監控數據維數高且體量大、控制方式多樣化、涉及區域電網數據隱私的集群控制問題,難以實現靈活、有效的統一調度,因而需以MAS控制方式對分布式儲能系統進行調配。目前MAS在微電網[18-20]、虛擬電廠[21]協調控制方面多有應用,為開展靈活供電的移動式分布式儲能系統的匯聚應用奠定了較好的基礎。

1.4 移動式儲能技術展望

目前國內外針對分布式儲能的研究主要集中在配電網或微電網,以促進分布式間歇式電源消納、支撐電網穩定運行為背景[22-25],或探討用戶側分布式儲能的經濟性[26-27],研究場景中僅包含單個或數個儲能系統,研究點涉及儲能系統的容量配置、接入方式、與其他電源的協調控制及能量管理、運營模式、經濟性評估等方面,為后續開展多點布局分布式儲能系統的規?;瘏R聚應用提供了相關技術支撐。

未來移動式儲能應用范圍將會不斷擴大,有望成為電力系統中極具發展前景的技術支撐,可真正實現“削峰填谷+保電+應急+備用+擴容+智能充售+移動救援”多重應用一體化的系統集成。因此有必要研究移動式儲能系統不同場景的運行技術,開發并研制電池成組集成裝備,探索適合城市應急管理的移動式儲能系統應用關鍵技術。

2 移動式儲能應急電源

2.1 關鍵設備發展現狀

目前廣泛應用的移動儲能應急電源主要基于化學電池儲能系統,其優點是:環境和噪聲污染低;可滿足用戶多種需求;輸出電能質量高,可保證重要負荷連續供電;運行和維護成本低。

常規的應急電源車以柴油發電機為主,其結構如圖3 所示。柴油發電機應急電源不僅消耗柴油,而且柴油機啟動時會產生大量煙霧,噪音大,工作時對環境影響嚴重,并且供電的穩定性不足。因此目前各種重要負荷仍依靠自備發電來維持供電。

圖3 柴油發電機應急電源車的結構

而采用鋰電池的移動式儲能系統作為應急電源,可以從根本解決上述問題。截至2019 年底,我國純電動汽車保有量381 萬輛,單臺電動汽車車載電池容量從20 kWh 到100 kWh 不等。文獻[28]研究發現電動汽車處于駕駛狀態的時間僅占全天的10%以下,同時,電動汽車對系統需求的響應足夠迅速,甚至不到60 s[29-30]。因此電動汽車可以參與電動汽車并網服務,成為配電網中一種典型的移動式儲能設備。目前市場主流電動車的儲能系統技術參數如圖4 所示。

圖4 市場主流電動汽車儲能系統技術參數

2.2 關鍵設備研制

按照實際負載運行工況需求,設計相應功率等級的儲能變流器、電池容量,并重點考慮車載式儲能系統面臨的通風、散熱、運行顛簸等特殊需求,具備交直流充電,輸出多路獨立不同電壓等級的輸出端口,需要重點考慮遠程監控、智能運維等多方面因素。

基于對電力系統頻率調節控制基本動態模型的分析,結合車輛限制和用戶需求,提出了參與電網功率調節的電動汽車控制策略[31]。文獻[32]針對電動汽車的電力系統頻率控制與經濟調度,研究了電動汽車換電站輔助調頻和含電動汽車的動態經濟調度方法。文獻[33]通過設定電池SOC滯環區間和直流微電網母線電壓波動閾值范圍,在滿足用戶用車需求的前提下,最大限度發揮電動汽車的儲能特性,穩定直流母線電壓。文獻[34-35]提出一種基于電動汽車的超級UPS 方案,利用MAS 技術實現“即插即用”功能,實現集群電動汽車的SOC 一致性均衡控制。

3 結論

移動式儲能應急電源的研究是一個綜合性的問題,涉及到移動儲能應急電源設備與分布式儲能系統匯聚技術,由此可以得到如下結論:

(1)采用鋰電池、飛輪的移動式儲能系統可以克服柴油發電機應急電源的污染問題,且具備更好的靈活性、穩定性,是移動應急電源的主要發展方向。

(2)儲能系統響應時間快速,從零到滿功率啟動時間為百毫秒級,可以快速響應緊急負載的特殊需求。

(3)將應急電源設備、分布式儲能系統匯聚技術以及直流變換器技術有機結合,有望拓展移動儲能應急電源的應用空間,增強應對突發緊急事件的保障能力,也為未來分布式儲能系統規?;瘏R聚應用奠定理論基礎和應用依據。

參考文獻:(略)

關鍵字:移動式儲能

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