Battery Technologies for Grid-Level Large-Scale Electrical Energy Storage

Grid-level large-scale electrical energy storage(GLEES) is an essential approach for balancing the supply–demand of electricity generation, distribution, and usage. Compared with conventional energy storage methods, battery technologies are desirable energy storage devices for GLEES due to their easy modularization, rapid response, flexible installation, and short construction cycles. In general, battery energy storage technologies are expected to meet the requirements of GLEES such as peak shaving and load leveling, voltage and frequency regulation, and emergency response, which are highlighted in this perspective. Furthermore, several types of battery technologies, including lead–acid, nickel–cadmium, nickel–metal hydride, sodium–sulfur, lithium-ion, and flow batteries, are discussed in detail for the application of GLEES. Moreover, some possible developing directions to facilitate efforts in this area are presented to establish a perspective on battery technology, provide a road map for guiding future studies, and promote the commercial application of batteries for GLEES.

1000 MW机组储能调频运行分析研究

随着新能源电力的不断发展,电网运行方式不断变化,大型火电机组逐渐转向调频、调峰,以全面消纳新能源电力,造成大型火电机组正常运行期间机组负荷波动大,机组指标逐渐变差。为了更好服务电网,快速响应电网负荷需求,某电厂结合自身机组特性、地理位置特点及调频市场需求等,设计建设18 MW/9 MWh储能联合调频项目,在保证电网安全稳定运行的同时,提高辅助服务调频市场收益。

氢储能系统容量双层鲁棒随机优化配置方法

氢能作为一种清洁无污染、能量密度大的二次能源,是大规模消纳新能源的理想储能载体,耦合氢储能系统和可再生能源的电热氢综合能源系统为消纳新能源提供新的思路和方案。围绕电热氢综合能源系统中如何以经济合理的方式投入氢储能设备展开研究,解决氢储能设备容量的合理配置问题以及考虑源荷不确定性对电热氢综合能源系统运行的影响,提出了一种考虑季节性存储和源荷不确定性的电热氢综合能源系统中氢储能容量优化配置方法。首先针对风电功率预测误差较大,电热气负荷预测精度较高的特点,分别采用不确定集和抽样场景描述源和荷两侧的不确定性。然后建立了考虑源荷不确定性和季节性存储的氢储能容量配置双层鲁棒随机优化模型,其上层问题以年化投资成本和运行成本的总成本最小化为目标确定氢储能系统装置容量,下层问题采用两阶段鲁棒随机优化模型模拟电热氢综合能源系统典型日在风电出力最恶劣场景下的最优运行方案。由于该模型难以直接求解,提出基于粒子群优化算法和列与约束生成算法对该类复杂模型进行求解。最后,通过对某个电热氢综合能源系统算例进行分析,算例分析结果验证了所提方法的有效性,获得的氢储能系统容量优化配置方案能够促进风电消纳和提高系统运行的经济性。

可再生能源配额制下风光储联合参与现货市场的交易决策

可再生能源配额制与现货市场建设的并行推进引起风电发电商、光伏发电商及储能电站(风光储)联合参与现货市场的交易决策发生变化。通过构建双层交易决策模型,对可再生能源配额制下风光储联合参与日前电能量及调频辅助服务市场的交易决策进行求解分析。模型上层以风光储总利润最大化为目标,同时考虑到风光储的内部调控,求解风光储最优交易策略;下层实现日前电能量和调频辅助服务市场的联合出清及绿色证书市场的清算。通过库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)条件、强对偶定理等方法将双层模型转换为混合整数线性规划问题进行求解。最后,通过算例验证了所提模型的有效性。结果表明:所提框架与模型能够优化风光储报量报价决策;可再生能源配额制的引入丰富了风光储的套利手段,风光储内部调控更加活跃;风光渗透率及配额制考核权重的变化对风光储的交易决策有重要影响。

计及广义储能的园区综合能源系统低碳规划

以综合能源系统的低碳规划为目标,建立了考虑蓄电池电储能、楼宇热储能、数据中心热储能为广义储能的通用统一模型,量化分析了广义储能运行灵活性对园区综合能源系统低碳化转型的支撑作用。计及负荷长短期增长不确定性与碳排放约束,建立了以规划年扩建成本与运行成本之和为目标函数的综合能源系统低碳扩建模型;以园区各设备运行约束为基础,考虑广义储能的灵活性运行方式,建立了基于能源枢纽的园区运行模型;以江苏省某工业园区为测试算例,分析了广义储能资源的灵活性运行对园区扩建规划的影响。结果表明,广义储能资源可利用时间转移特性实现多能源跨时段高效利用,有效促进了新能源消纳,保证了综合能源系统的规划方案兼具经济性与环保性。

市场环境下考虑全周期经济效益的工业园区共享储能优化配置

为提升用户侧储能运行效率、改善投资成效,提出一种在市场环境下考虑全周期经济效益的工业园区共享储能(SES)优化配置方法。一方面,通过协调不同用户间的差异化调节需求,减少储能容量要求;另一方面,通过整合用户与SES的灵活调节能力,参与需求响应市场拓宽盈利渠道,并且考虑了SES全运行周期经济效益测算以降低投资风险。首先,结合电力市场交易规则,提出了多工业用户组建合作联盟的园区SES运营模式。其次,以运营周期内联盟总成本最小为目标,建立SES双层优化配置模型,其中,上层模型旨在形成最大化投资成效的SES规划方案,而下层模型则综合考虑分时电价、需求响应违约风险等因素形成储能的最优投标调度方式,并结合市场时序演变规律精准量化SES在全运行周期内的运营收益,对上层结果进行修正。接着,利用近似KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件将该模型转化为单层模型进行求解,结合雨流计数法与迭代法量化SES容量衰减对其配置方案的影响,并利用双边Shapley值法分摊各工业用户的投资成本。最后,算例仿真验证了所提方法的有效性,并且分析了储能盈利模式、SES容量衰减以及需求响应违约风险等因素对SES投资经济效益的影响。

面向多场景辅助服务的大规模电动汽车聚合可调度容量建模

大规模电动汽车聚合可调度容量是含电动汽车的虚拟电厂参与多层级多场景电力平衡辅助服务的重要技术指标之一。然而,现有电动汽车聚合可调度容量模型难以适应大规模电动汽车与省级电力调度中心互动场景。为此,文中从面向电力系统调峰、调频和调压多级多场景调控新视角,提出了数据驱动和机器学习相结合的双层聚类电动汽车聚合可调度容量建模方法。该方法通过构建电动汽车-充电桩广义储能单元的个体可调度容量模型,结合基于密度空间的聚类算法和改进的自组织映射深度聚类算法,有效地融合了电动汽车电量的时间分布和充电桩的空间分布特性,构建了面向调峰、调频和调压多场景调控的聚合可调度容量模型。采用了某省实际充电记录数据对提出的方法进行了验证,获得了“早间型”“中午型”“晚间型”等多种充电画像类型,实现了时空分布各异的电动汽车广义储能系统的自主聚合和省市级规模电动汽车参与电网不同辅助服务潜能的评估,并为聚合可调度容量的预测奠定了数据基础。

抽水蓄能电站与新型储能技术经济性比较

“双碳”目标提出后,能源领域迎来了新的发展契机,“十四五”期间抽水蓄能和新型储能均获得了快速发展。在新型电力系统中储能电源占据重要位置,不同电源品种的市场空间与其经济性相关,基本由经济性决定了发展规模。本文为对比研究抽水蓄能和电化学储能的经济性,采用平准化度电成本来进行比较分析。抽水蓄能可以较全面满足电力系统安全运行的要求;电化学储能是电力电子设备,无法提供转动惯量,系统调用时需要和其他电源组合使用,灵活性较差。本文分析了两者技术经济性的差异,并转换为计算参数的差异,抽水蓄能平准化度电成本0.207元/kWh,电化学储能平准化度电成本0.563元/kWh,是抽水蓄能的2.7倍。当电化学储能投资降低、充放电次数增加等情景下,其平准化度电成本依旧数倍于抽水蓄能,说明抽水蓄能技术经济性全面优越于电化学储能。

百MW级储能电站用PCS多机并联稳定性分析及其控制策略综述

针对我国已建成的多个千万千瓦级的新能源发电基地,为提升电网对大规模可再生发电能源的接纳能力,对电池储能的功率等级要求已达数十MW甚至达百MW以上,因此需要多台储能变流器(power converter system,PCS)的并联运行。该文对PCS并联系统在并网及离网运行过程中的稳定性分析方法及其控制策略进行文献调研,从并联系统的失稳特性入手,分别介绍了PCS并联系统在并网及离网模式下的稳定性分析方法,并进一步介绍了并网模式下并联系统的阻尼控制策略及离网模式下的环流抑制策略,最后得出相应结论,为百MW级储能电站的工程建设提供相应的理论支撑和技术指导。

电能型-功率型混合储能日前-日内协同滚动调度策略

混合储能可以利用不同类型储能在电量和功率上的不同优势。然而,在滚动优化调度中,电能型储能资源(如电池储能)容易因较短的日内滚动时间窗而限制其削峰填谷的能力;而功率型储能资源(如超级电容)又容易因较长的日前时间窗而影响其平抑风电波动的效果。针对以上两种问题,文中提出一种同时考虑电能型和功率型储能资源的日前-日内协同滚动调度策略。首先,针对电能型储能削峰填谷能力受限的问题,将日内滚动周期扩展到一天中的剩余时间,并将调度范围划分为时间分辨率不同的两个部分,从而使该部分储能资源尽可能参与削峰填谷,同时提升模型的求解效率。然后,针对功率型储能平抑波动能力受限的问题,通过对波动量的极值点统计分析,提出有限时间窗电量约束策略,从而避免该部分储能资源因过度参与削峰填谷而导致能量不足。算例表明,提出的调度策略能够发挥不同储能资源的调度潜力,在削峰填谷的同时平抑风电波动,提升风电消纳能力。

计及共享储能与光伏的园区多用户综合收益优化

针对含共享储能与户用光伏的园区场景,文中提出一种用户侧综合收益双层优化方法,充分挖掘共享储能灵活性及用户用电需求差异性,在实现用户整体经济效益最优的同时提升光伏消纳能力。模型上层为月前优化阶段,以用户月度用电成本最低为目标,考虑系统能量平衡、储能充放电约束以及储能荷电状态约束,优化工业用户最大用电功率,降低需量电费;模型下层为日前优化阶段,综合考虑用户综合收益及光伏消纳能力,以上层优化结果为约束条件,兼顾功率、储能等约束,提出共享储能充放电功率及用户与电网交互功率等日前优化策略,在用户月度整体经济性最优的前提下,实现用户侧每日经济效益的优化。最后,以南方某实际园区作为算例验证了文中所提方法的有效性。

新能源发电接入下储能系统双层优化模型

针对风力发电、光伏发电等可再生分布式电源接入电网带来的网损增加、电能质量降低等问题,提出了一种风光接入下储能系统的双层优化模型.综合考虑储能规划和运行两个方面的耦合效应,上层模型考虑储能规划,以储能配置的位置和容量为决策变量,以储能系统规划成本为目标函数,下层考虑储能系统运行时电网的经济性和稳定性,以储能系统每一时刻(时间刻度为1 h)的出力为决策变量,以电网脆弱性、有功网损、购电成本为目标函数.采用改进鲸鱼算法与YALMIP+CPLEX联合方法在MATLAB中进行求解,选取改进后的IEEE33节点系统进行仿真验证,结果验证了所提模型的合理性,对比不同的场景与结果得到储能的最优配置方案与运行策略.

MW级集装箱式电池储能系统研究

MW级集装箱式电池储能系统(CBESS)是未来电网发展的重要支持,能够有效提高电力系统的稳定性、可靠性和电能质量。综述了MW级集装箱式电池储能系统的研究现状,详细介绍了MW级集装箱式电池储能系统的相关概念和工作原理,全面阐述了MW级集装箱式电池储能系统的结构、设计、应用等方面的特点和优势,深入探讨其发展前景和研究方向。

聚醚酰亚胺纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运对储能性能的影响

目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化,难以满足航空航天和能源等领域的需求.为提高介质高温储能性能,常掺杂纳米填料对电介质改性,通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程,但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究.本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真.纯聚醚酰亚胺在150℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合,证明了模型的有效性.不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明,增大总陷阱密度和最深陷阱能级,会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗,提升放电能量密度和充放电效率.在150℃和550 kV/mm外施场强下,1.0 eV最深陷阱能级和1×10^(27) m^(-3)总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm^(3)和98.93%,相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%,显著提升了高温储能性能.本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑.

分散决策下分布式光伏储能系统外部性价值量化评估

近年来,随着分布式光伏补贴的逐渐下降和储能技术的日益成熟,分布式光伏储能系统已逐渐成为能源结构转型的关键性环节之一。然而,不同于传统集中式优化规划框架,大规模分布式光伏储能用户分散决策模式下其自利性行为对整体系统运行效率的影响及其外部性价值评估方法仍有待进一步研究。为此,构建了计及分布式光伏储能投资决策的双层模型来模拟需求侧市场成员分散决策行为与系统整体运行的交互关系,以量化分析分布式光伏储能系统的外部性价值。进而,从个体层和系统层两维度设计了市场运营评估指标体系。最后,基于实际系统数据验证了所提模型的有效性。

可再生能源电解水制氢系统规划优化与生产模拟

可再生能源电解水制备所得的氢气,可助力部分难以实现电气化替代的部门深度脱碳,并推动不同部门和能源网络之间形成协同效应。系统配置与生产运行方案的优化是降低绿氢制取成本、提升其经济竞争力的关键。本文提出了一种可再生能源电解水制氢系统规划优化与生产模拟模型,深入分析风电/光伏、电化学储能等关键设备以及电解槽的容量配比、电价水平等关键因素对氢气平准化成本的影响机理,并结合西北、东南2个代表性地区开展典型案例研究。研究结果表明,用电成本是影响绿氢经济性的主要因素,绿氢项目向新能源富集地区聚集,在少数优质资源地的绿氢制取成本已降至20元/kg左右。若未来电价水平与当前基本持平,绿氢项目运行模式将逐步由并网向将电网作为备用的模式转变。研究结论可为绿氢项目的规划建设提供理论指导与重要参考。

超超临界1000MW机组加热器对系统热耗率的影响

采用能级效率法对配置梯次循环(echelon cycle,EC)的超超临界1 000 MW机组中各级加热器的能量损失进行解耦分析。通过引入加热器的热耗率影响因子,获得额定工况(THA),75%THA和50%THA 3种工况下各级加热器对降低热力系统热耗率的影响和变化规律。结果表明:在相同工况下,各级加热器对于降低热力系统热耗率的贡献从低压级向高压级逐级递减,因此,通过增加高压加热器级数来增加系统热效率的效果会越来越小。本文分析方法和结果可以为EC热力系统的设计、优化和推广应用提供参考。

基于“电-氢-电”过程的规模化氢储能经济性分析

在“碳达峰、碳中和”战略背景下,氢能的重要性不断提升。当前,基于“电-氢-电”过程的氢储能总体处于示范应用阶段,储能成本是其形成竞争力的关键,但是关于规模化氢储能平准化成本(LCOES)的针对性研究未见报道。本文首先建立氢储能LCOES模型,对25 MW规模的氢储能电站系统进行了定量分析,而后预测了未来场景下的LCOES水平。结果表明,氢储能系统LCOES为4.758元/kWh,初始投资中制氢系统占比最高(44.66%),运行成本中制氢成本占比最高(42.99%)。电价对氢储能成本有一定影响,其每下降0.1元/kWh,LCOES降幅8.18%。虽然提升发电效率难度较大,但对氢储能的经济性非常关键,其每提升10%,LCOES平均降幅11.88%~12.50%。制氢系统和发电系统设备价格同时下降10%可带来LCOES 6.06%的降幅。储能时长对LCOES的影响较大,尤其是在时长较短时。当储能时长在4~8 h范围时,每增加1 h时长可使LCOES平均下降0.394元/kWh。未来随着水电解制氢和燃料电池设备价格的下降及效率的提升,氢储能有望成为长时、长周期储能领域具有竞争力的技术路线。

基于功角稳定性的区域电网储能选址定容方法

为了缓解跨传输断面的调峰压力,同时提升电网的功角稳定性,建立了兼顾经济性与功角稳定性的储能选址定容双层优化模型,并给出了模型的求解方法。上层模型考虑区域电网的运行经济性,以储能电站收益最大为优化目标,确定储能配置总容量。下层模型考虑区域电网的功角稳定性,以储能调度期间总网损最小和储能调节区域电网功角稳定性能力最大为优化目标,进行储能选址与总容量的分配。双层模型的上层采用遗传算法进行求解,下层采用改进多目标人工蜂群算法进行求解。以某实际电网为算例进行仿真验证,结果表明,根据所提双层优化模型进行储能配置可以在保证经济性的同时,提升区域电网的功角稳定性。

不同光伏渗透率下考虑需求响应的配电网储能双层规划

为应对分布式光伏大规模接入配电网造成的净负荷波动问题,提出一种考虑需求响应的储能双层规划方法。首先,分析配电网在不同光伏渗透率下的灵活性需求以及各类灵活性资源的运行特性。其次,通过主成分分析法和分层聚类算法得到典型光—荷场景。然后,建立考虑需求响应的配电网储能双层规划模型,其中上层规划层以综合成本最小为目标优化储能的规划方案;下层运行层以运行成本最小为优化目标,考虑储能、价格型需求响应以及可中断负荷等可调控对象,制定各典型场景下的配电网运行策略。同时,为有效求解双层规划模型,采用上下层关联统一的方法将双层模型转换为单层模型,再通过调用Gurobi求解器进行求解。最后,基于IEEE33节点系统对配电网不同光伏渗透率条件下进行算例分析,验证所提方法的有效性。