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移动式储能应急电源关键技术研究

作者:李建林等 来源:浙江电力杂志 时间:2020-06-16 浏览:

移动式储能应急电源关键技术研究

李建林1,黄 健2,许德智3

(1.北京市变频技术工程研究中心(北方工业大学 电气与控制工程学院),北京 100144;2.东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620;3.江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡 214122)

本文引文信息:李建林,黄健,许德智.移动式储能应急电源关键技术研究[J].浙江电力,2020,39(05):10-14.

0 引言

紧急电源供给能力是一个城市应急管理能力的标志,是各种应急措施的前提和保障。防灾应急电源在确保供电可靠性方面作用突出,可以在短时间内令因意外状况中断供电的重要负荷恢复运行。但防灾应急电源往往受成本、容量限制较多,而移动式储能系统以其配置灵活、易于现场安装和操作、响应迅速、可靠性高、可移动性强、不受地域限制等特点,成为应急电源的首选。

目前,移动式储能系统可解决季节性负荷问题,具有抑制系统振荡、保障电力系统稳定、配合实现电网调压调频等作用。随着储能技术的发展,移动式储能系统的应用范围将会不断扩大,除了能够为疫情、地震、冰灾等自然灾害做应急抢险,还可以为手术室、运动场馆、云服务器等重要设施提供应急备用电源,可为覆冰线路消除融冰、线路检修等工作提供能源,为郊区、城市商业区等地调整用电负荷峰谷,为电动汽车充电,保障重大政治活动电源供给等。如当前的武汉新冠疫情,配置移动式应急电源可加快电力配套工程建设进度,确保火神山/雷神山医院及时通电,并保障医院可靠供电。

移动储能电源的缺点是受储能系统容量限制,供电容量和时间有限。随着分布式储能在电力系统中的应用越来越广泛[1-4],将配电网中大量、随机的储能设备通过汇聚技术接入到移动储能电源,不仅能够增强移动储能电源的保障能力、拓展移动储能电源应用场景,而且可以有效利用配电网闲置储能资源。本文针对移动式储能应急电源设备和关键技术进行综述,讨论“可调度”电源与移动式储能系统联合运行模拟方法、分布式储能资源汇聚技术、集群控制技术及其他相关研究,并对国内外研究现状进行分析和总结,最后分析移动式储能应急电源的发展现状与关键设备的研制。

1 移动式储能电源关键技术

1.1 “可调度”电源与移动式储能系统联合运行模拟方法

以疫情、地震、冰灾、矿难等突发事故应急抢修、重大保电活动场景为例,首先需研究移动式电源系统的多种接入及运行方式,根据接入方式的不同,研究能够兼顾在线式系统接入和退出的并离网无缝切换技术,实现负荷的不间断供电;根据系统运行的物理规律,研究适用于不同应急场景下移动式储能技术约束条件,包括系统安全性约束、温度场约束、机组技术出力约束,另外重要会议和赛事供电需要考虑电源的输出电能质量和过载能力,城市电网应急和负荷保电则需要更多考虑电源的坏境适应性、灵活可靠性及投运、启动时间等。

然后收集重要会议、赛事、突发事故等历史电力供需数据资料,基于ARMA 模型、线性相关系数和Copula 模型研究“可调度”电源时空相关性分析方法,搭建“可调度”电源之间的时空分布特性模型。考虑移动式电源设备技术与运行特性,针对不同城市应急管理场景选取合适的优化目标及约束条件,可采用合适的凸化或线性化技术,建立“可调度”电源与移动式储能联合运行模型,考虑不同运行模拟时间周期的高效运行模拟计算方法,可为不同城市应急管理场景下的联合运行模拟提供支撑。

1.2 分布式储能资源汇聚技术

针对目前移动式储能应急电源存在供电时间短、供电容量有限等问题,需利用各种分布式储能设备实现移动式储能应急电源的灵活高效,其中有两个关键技术要解决,一是分布式储能资源汇聚技术,二是多种储能设备如何接入移动式储能电源,即直流变换器技术。直流变换器属于电力电子设备,目前主要应用在含有直流母线的设备中,功率较小,且未见与储能应急电源结合以提升应急电源储能系统供电容量的研究,因此以下主要讨论分布式储能资源汇聚技术。

目前国内微电网控制的研究主要集中在下垂控制方面。根据下垂特性曲线可知,频率f 与有功P 以及电压U 与无功Q 之间均呈线性相关(如图1 所示),分别获取微电网频率和电压,这种控制方法在无需机组间通信协调的情况下按比例分配功率[5],实现了微电网即插即用,具有简单可靠的特点。

图1 同步电机下垂特性曲线

文献[6]提出了基于SOC(荷电状态)的改进下垂控制方法,应用于功率等级差别小的分布式储能系统,实现了根据各储能单元的SOC 来对其出力大小进行合理分配。

分布式储能主要分为集中决策和分散决策两类运行方式。文献[7]使用二阶锥松弛技术获得高比例光伏放射状配电系统中分布式储能规划运行的最优解。而文献[8]分析各储能单元的迭代结果,经过相邻单元间的协调,获得各装置的最优策略,在此基础上提出一种完全分散式的分布式储能运行方法。

此外,汇聚技术涉及电动汽车和能量信息化的研究。文献[9]提出了电动汽车分布式储能的概念及其控制策略,将电动汽车分成负责充电和放电的两个群,提高了可调度性。文献[10]在以单体电池为能量离散化单位的分布式储能系统中应用了能量信息化思想,并设计了可重构电池架构,大幅提升了系统效率。

分布式储能系统的汇聚过程可以套用聚合理论[11]的概念,聚合理论中的疏松聚合体是指以经济性为目标,在常规运行中其结构及组成将根据内部资源和整体运行环境、目标的改变而可能改变的集合单元,体现聚合体的积极性。

1.3 集群控制技术

集群协调控制技术近年来得到快速发展,其在无人系统[12]、通信领域[13]及智能交通[14]等领域有不少应用。集群控制作为协调控制领域的一个重要方面,具有极强的自我组织能力和被控对象规模较大的特点[15],尤其在复杂的广域分散系统中,集群协调控制是完成控制目标、实现最优控制的一种行之有效的方法,符合高渗透率分布式储能系统的控制要求。集群协调控制从简单的局部规则涌现出协调的全局行为,使被控对象行为趋于一致,体现了较强的适应性、分散性、鲁棒性、容错性和自主性。

目前,国内外只有少部分专家学者对分布式储能中的集群协调控制技术开展研究,对其进行了初步探讨。分布式储能集群控制目前主要侧重于概念的提出和框架搭建,针对其汇聚应用尚未开展系统性理论研究及模型分析。文献[16]提出了一种考虑SOC 的多储能系统与可再生能源间的分布式有功功率协调控制策略。更多研究集中在大型风电场的集群控制,包括风电集群、风储集群和风光集群的协调控制构架和基本控制策略等方面,能够为分布式储能集群之间以及上层变电站之间的协调控制提供一种思路和启发。

集群协调控制的核心在于集群和协调控制。集群的首要任务是进行动态划分,将相似度高的分布式储能系统聚合划分为一个子区域,各分区可独立、并行进行控制调节,如图2 所示。

在这个过程中,聚类理论可为研究提供分组思路,文献[17]通过k-means 提取用户的典型用电负荷曲线,并与群体行为进行差异性比较,制定基于负荷曲线形态的用户分类规则,在此基础上,根据用户的用电特征,采用“进化”主元分析法对负荷形态相似的用户进行分类。

图2 分布式储能分区示意

MAS(多代理系统)是由多个智能代理形成,通过确定每个代理在系统中的作用及配合的准则,使系统易于控制与管理。在调度层面统一调配广域布局的分布式储能系统,是一个包含资源分散、监控数据维数高且体量大、控制方式多样化、涉及区域电网数据隐私的集群控制问题,难以实现灵活、有效的统一调度,因而需以MAS控制方式对分布式储能系统进行调配。目前MAS在微电网[18-20]、虚拟电厂[21]协调控制方面多有应用,为开展灵活供电的移动式分布式储能系统的汇聚应用奠定了较好的基础。

1.4 移动式储能技术展望

目前国内外针对分布式储能的研究主要集中在配电网或微电网,以促进分布式间歇式电源消纳、支撑电网稳定运行为背景[22-25],或探讨用户侧分布式储能的经济性[26-27],研究场景中仅包含单个或数个储能系统,研究点涉及储能系统的容量配置、接入方式、与其他电源的协调控制及能量管理、运营模式、经济性评估等方面,为后续开展多点布局分布式储能系统的规模化汇聚应用提供了相关技术支撑。

未来移动式储能应用范围将会不断扩大,有望成为电力系统中极具发展前景的技术支撑,可真正实现“削峰填谷+保电+应急+备用+扩容+智能充售+移动救援”多重应用一体化的系统集成。因此有必要研究移动式储能系统不同场景的运行技术,开发并研制电池成组集成装备,探索适合城市应急管理的移动式储能系统应用关键技术。

2 移动式储能应急电源

2.1 关键设备发展现状

目前广泛应用的移动储能应急电源主要基于化学电池储能系统,其优点是:环境和噪声污染低;可满足用户多种需求;输出电能质量高,可保证重要负荷连续供电;运行和维护成本低。

常规的应急电源车以柴油发电机为主,其结构如图3 所示。柴油发电机应急电源不仅消耗柴油,而且柴油机启动时会产生大量烟雾,噪音大,工作时对环境影响严重,并且供电的稳定性不足。因此目前各种重要负荷仍依靠自备发电来维持供电。

图3 柴油发电机应急电源车的结构

而采用锂电池的移动式储能系统作为应急电源,可以从根本解决上述问题。截至2019 年底,我国纯电动汽车保有量381 万辆,单台电动汽车车载电池容量从20 kWh 到100 kWh 不等。文献[28]研究发现电动汽车处于驾驶状态的时间仅占全天的10%以下,同时,电动汽车对系统需求的响应足够迅速,甚至不到60 s[29-30]。因此电动汽车可以参与电动汽车并网服务,成为配电网中一种典型的移动式储能设备。目前市场主流电动车的储能系统技术参数如图4 所示。

图4 市场主流电动汽车储能系统技术参数

2.2 关键设备研制

按照实际负载运行工况需求,设计相应功率等级的储能变流器、电池容量,并重点考虑车载式储能系统面临的通风、散热、运行颠簸等特殊需求,具备交直流充电,输出多路独立不同电压等级的输出端口,需要重点考虑远程监控、智能运维等多方面因素。

基于对电力系统频率调节控制基本动态模型的分析,结合车辆限制和用户需求,提出了参与电网功率调节的电动汽车控制策略[31]。文献[32]针对电动汽车的电力系统频率控制与经济调度,研究了电动汽车换电站辅助调频和含电动汽车的动态经济调度方法。文献[33]通过设定电池SOC滞环区间和直流微电网母线电压波动阈值范围,在满足用户用车需求的前提下,最大限度发挥电动汽车的储能特性,稳定直流母线电压。文献[34-35]提出一种基于电动汽车的超级UPS 方案,利用MAS 技术实现“即插即用”功能,实现集群电动汽车的SOC 一致性均衡控制。

3 结论

移动式储能应急电源的研究是一个综合性的问题,涉及到移动储能应急电源设备与分布式储能系统汇聚技术,由此可以得到如下结论:

(1)采用锂电池、飞轮的移动式储能系统可以克服柴油发电机应急电源的污染问题,且具备更好的灵活性、稳定性,是移动应急电源的主要发展方向。

(2)储能系统响应时间快速,从零到满功率启动时间为百毫秒级,可以快速响应紧急负载的特殊需求。

(3)将应急电源设备、分布式储能系统汇聚技术以及直流变换器技术有机结合,有望拓展移动储能应急电源的应用空间,增强应对突发紧急事件的保障能力,也为未来分布式储能系统规模化汇聚应用奠定理论基础和应用依据。

参考文献:(略)

关键字:移动式储能

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