储能技术在电网规划中的重要作用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：储能通过这种方式可以避免电网发生网络阻塞。另外，储能技术还可以降低电力设施的热应力，也能够延长其使用寿命。

1.5.1.1 储能用于负荷平滑

电网公司从资产优化运营管理的角度出发，认为负荷平滑是储能的一个重要功能。当然，从更大的范围上讲，分布式能源系统（包括分布式发电和负荷管理）也可以发挥负荷平滑的作用。

当预期到负荷的增加在不远的将来会导致电网中某些设备容量不足时，通常的解决方案是新建配电设施或改造现有设施。由于电力设施是按照标准化的序列设计制造的，相应的容量增加通常会在短期内远大于实际需求，这就造成了新建电力资产在很长的一段时间内“利用不足”（即低利用率）。

在阻塞网络的下级电网使用储能系统是一种灵活的临时性解决方案。如图1-5所示，在非峰荷时段对储能系统进行充电以形成有功备用，当峰荷出现时储能就可以向电网注入能量，这样可以减少上级电网输送的最大电流。储能通过这种方式可以避免电网发生网络阻塞。通过控制有功功率，以及按照预定的运行曲线或闭环的实时测量进行本地无功补偿，可以大幅减少电流的流通。

图1-5 储能应用于负荷平滑的示意图

通过上述方式消除短暂的负荷高峰，能够避免电力扩容投资，至少也可以推迟投资的时间。例如，本章参考文献[NOU 07]介绍了2006年美国电力公司在12kV电网中安装了1MW/7.2h的钠硫电池储能系统。储能系统能够对20MV·A的46kV/12kV降压变压器进行削峰，使这个即将被扩容的配电系统又继续使用了几年。通过这种方式可以推迟那些投资巨大的变电站的建设。另外，储能技术还可以降低电力设施的热应力，也能够延长其使用寿命。

在推迟扩容建设阶段的末期，对电力设施的升级改造将不可避免。在这种情况下，储能系统或者原地不动，或者搬移动到其他地方继续使用。在以下几种情况下，储能的削峰作用尤其有效：

1）当由于一些制约因素（如环境问题、合法性、当地居民反对）的存在，阻碍或推迟电力工程建设，从而产生电能质量以及/或者供电连续性降低的潜在风险。

2）对于诸如工程现场等的临时供电，往往需要临时性电力接线，建设储能系统可以避免电网的升级改造。由于这些临时供电需求最多持续5～15年（这与储能系统的典型使用寿命相当），通过配置储能系统来解决电力供应问题值得考虑。

为推迟电网升级改造而配置的储能系统一般安装在用电受限节点的下游即可，这也使业主能够更灵活地规划储能的位置，比如可以将其安装在更能发挥其他辅助功能的地方。然而需要考虑的因素非常多，包括土地、施工便利性、通信需求、被当地接受的程度，以及可能的资源共享等。当然，这些问题更多地需要特殊情况特殊处理。

如果将储能设备尽可能地接近用户侧安装（以平滑负荷波动），将会增加大量新的电力资产。而如果采用更集中的储能安装方式[比如安装在高压/中压（HV/MV）变电站附近]，则可以充分利用负荷的集群效应所带来的平滑效果，并且比大量的分散储能单元更易于管理。安装于电网上游的集中式储能设备在达到同样的电网升级延迟效果的同时，所用的储能容量会更小^{[MAR 98]}。

当电网运行达到某些技术条件上限时，配电系统运营商（DSO）需要采取相应的应对方案，而无法顾及方案的经济性。然而，如果有多种不同的解决方案在技术上都是可行的，那么将能够从经济上来考虑选择最优的方案。假定几种不同的方案均可以满足负荷的增长需求（如电网改造，电网部分或全部重建，双回线路），那么往往需要对多种不同的经济费用进行综合考虑，比如投资、网络损耗、电力资产维护、停电损失等，择优选择特定时期内成本最低的方案。因此，削峰带来的经济效益也将被界定在这个框架内，通过比较“存储”削峰与其他可能的方案，来选择最佳的一种。

1.5.1.2 储能在电压控制中的作用

频率是基于电力系统发电和用电瞬时平衡的全局量，而电压则是一个本地量，电压的高低是非常重要的，电力系统需要不断地调整本地电压以确保电气设备的正常运行。因此，电网公司应该遵守与电压相关的规范和运行约束，从而确保为用户提供合格的供电电压。电网可以有多种不同的技术手段来满足电压控制的需要，比如中压/高压变压器的有载分接开关，以及中压/低压配电变电站的无载调压开关等。

由于线路上存在阻抗，电能的输送导致馈线上的电压不断下降，可以使用下面的简化公式进行计算：

式中，U表示电压；R和X分别表示线路的电阻和电抗；P和Q分别表示线路中传输的有功和无功功率。

对于配电线路，在没有分布式发电的情况下，电压从高压/中压变电站起到供电线路的末端是不断下降的（见图1-6）。因而，在进行电网规划时尤其要避免用电高峰时出现低电压。

图1-6 中压线路的电压分布图

近几年，一些研究开始关注分布式发电对于配电线路电压的调节作用，以提高分布式发电的渗透率，或减少新建线路带来的投资费用。同样地，分布式储能系统也能够向现有线路中注入有功和无功功率，以确保用电高峰时的电压质量。

因此，在一些必须进行电网改建以使供电质量达到合约要求的地方，如增加部分线路的线径以减少阻抗，进而减少线路压降时，储能可以成为一种有效的替代方案。

本章参考文献[VRB 05]和[VRB 07]给出了美国太平洋电力公司的一个应用实例。该公司2003年建立了一套350kV·A/8h的钒液流电池储能系统，用以维持一条25kV输送距离很长的线路电压。之前该公司常常由于供电质量问题而受到当地用户的投诉，而且由于电压过低的限制，该地区也无法满足新用户的并网接入需求。电网公司评估了几种不同的技术方案，包括增加新的无功补偿装置，对已有线路进行扩容改造，以及重建系统等。在环境限制非常苛刻的情况下（该地区有自然保护区），最终选择建设储能系统作为解决方案。储能系统安装在该条线路中间处，通过预先设定的程序进行负荷削峰，将电压维持于特定水平。

1.5.1.3 储能在电网运行状态下降时的支撑作用

一般地，从变电站引出的中压线路，往往会与同一变电站或其他变电站引出的其他线路连接，以便于故障后迅速恢复供电。这种备用供电方式将会改变电网的拓扑结构，进而影响电网的潮流（电流、电压、功率）。在电网规划阶段应该考虑到这个问题。对于中压系统，“N-1准则^[3]”的验证可以在峰值负荷时段进行，侧重于考察电压曲线以及流过网络中各个电力设备的电流。

从各个方面来看，使用储能都可以给电网带来好处，除了正常的功能需求外，储能还能带来一些额外的辅助服务，如能够处理一些较为少见的突发事件。对这种潜在的重要功能多投入一些是很有必要的，而对于诸如储能等电网新技术的研究也是合理的。

分布式储能通过减轻电力设备的应力，从而在电网运行状态下降时提供支撑。它可以起到两种作用（也可能同时起作用），削减性能发生恶化的变电站的负荷峰值，并提供本地电压支持。这样，在变电站发生性能下降或故障恢复过程中，用电负荷可以在允许的电压限值内继续维持运行。所以，分布式储能可以支撑电网的降额运行，类似于前面提到的负荷平滑与电压调节。当然，也可以将其看成是电压调节的一种特殊情况。

储能技术在电网规划中的重要作用

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