1、 第 40 卷 第 1 期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.40 No.1 Jan.5,2020 2020 年 1 月 5 日 Proceedings of the CSEE 2020 Chin.Soc.for Elec.Eng.1 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.190212 文章编号：0258-8013(2020)01-0001-18 中图分类号：TM 73 利用储能系统实现可再生能源微电网 灵活安全运行的研究综述 刘畅1，卓建坤1*，赵东明2，李水清1，陈景硕2，王金星1，姚强1(1热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学)，北京市 海淀区 10
2、0084；2中国华能集团有限公司，北京市 西城区 100031)A Review on the Utilization of Energy Storage System for the Flexible and Safe Operation of Renewable Energy Microgrids LIU Chang1,ZHUO Jiankun1*,ZHAO Dongming2,LI Shuiqing1,CHEN Jingshuo2,WANG Jinxing1,YAO Qiang1(1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Enginee
3、ring of Ministry of Education(Tsinghua University),Haidian District,Beijing 100084,China;2.China Huaneng CO.,LTD.,Xicheng District,Beijing 100031,China)ABSTRACT:Energy storage is a key technology to protect the safe and stable operation of microgrids,and has become one of the important measures to p
4、romote commercial application of renewable energy microgrids.In this paper,after analyzing the technical characteristics of renewable energy microgrids,the role,classification,design optimization and application of energy storage systems in microgrids were thoroughly reviewed.The results show that a
5、 joint optimization method for energy storage and demand response can effectively improve the economy,reliability and comprehensive utilization of energy of microgrid.By comprehensively evaluating energy density,power density,response time and rated power,the applicability of different energy storag
6、e technologies in microgrid can be obtained.Energy storage technology has an important application prospect in the flexible operation of microgrid.KEY WORDS:microgrid;safe and stable operation;energy storage;demand response;optimal configuration 摘要：储能技术是保证微电网稳定运行的关键技术手段，也是推动可再生能源微电网技术广泛应用的重要措施之一。该文从
7、可再生能源微电网技术特点出发，对储能系统在微电网中的作用、分类、设计优化方法和应用情况进行综述。研究表明，通过储能系统的优化配置和需求响应相结合的控制策略可有效提高微电网的经济性、可靠性以及能源的综合利用率。综合评估能量密度、功率密度、响应时间以及额定功率，基金 项目：国家重点研发 计划项 目(中美清 洁能源 联合 研究中 心-政府间国际科技创新合作重点专项)(2016YFE0102500)。National Key R&D Program of China(CHINA-U.S.Clean Energy Research Center-Advanced Coal Technology Cons
8、ortium(CERC-ACTC)program)(2016YFE0102500).可获取不同储能技术在微电网中的适用性。储能技术在微电网的灵活调峰应用中具有重要的应用前景。关键词：微电网；安全稳定运行；储能；需求响应；优 化 配置 0 引言 近年来，随着来自能源消耗和环境治理两方面的压力不断增加，人类社会对能源系统的需求也在不断更新。控制电力成本，替换老化的基础设施，改善电力系统的灵活性和可靠性，减少二氧化碳排放、减缓大气环境变化，以及为偏远地区提供可靠的电力支持等越来越高的电力要求，意味着能源结构转型已成为能源革命的关键1-2。因此，风能、太阳能等可再生能源将逐步替代化石能源，不断提高其在
9、能源消费中的比例3-4。然而，大规模部署具有多时间尺度间歇性的可再生能源不仅深刻地影响着电力系统的预测和调度准确性，还可能在与电网进行功率交换时引起运行安全和电能质量问题，进而导致传统配电网的集中式平衡机制无法接纳这些可再生能源5-7。因此，对于因接入大容量可再生能源而产生局域波动和运行安全隐患的电力系统，急需一种既考虑到发电容量充裕度又考虑到发电灵活性的调控技术，以便于对间歇性可再生能源进行运行控制和能量管理8。自进入 21 世纪以来，关于含有可再生能源的多能源互补一体化系统的研究呈指数上升趋势。微电网(microgrid)技术就是在这样的需求背景之下逐渐成型，最早于 1999 年由2 中
10、国 电 机 工 程 学 报 第 40 卷 美国电力可靠性技术解决方案协会(the consortium for electric reliability technology solutions，CERTS)对其思想进行了描述和总结，于 2002 年提出较 为完整的定义9。微电网被认为是促进分布式能源友好接入电网的一种有效技术手段，是多能互补集成优化的解决方案之一10-12。微电网从本质上改变了传统配电网单一电力潮流的拓扑结构，将连接在配电网等级的分布式电源与储能、负荷划分为一个小整体进行协同规划、设计、运行控制以及保护13-14，可以满足从大都市到偏远村落等不同区域的能源需求。国家能源局20
11、15 年发布 的 关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见 中将新能源微电网作为可再生能源和分布式能源发展机制创新的重要方向，为新能源技术创造巨大的发展空间15。微电网是当 前重要的研 究热点之一，内容涉 及微电网的结构设计、运行控制、电能质量、经济运营、仿真分析、示范工程等诸多研究方面16-20。随着分布式能源、储能装置和直流负荷的逐步渗透并与现有交流电力系统建立深度结合，可以最大程度地满足能源就地消纳、负荷需求响应等个性化需要，使电网规划设 计更具 灵活 性16。储能 技术的 蓬勃 发展对 促进可再生能源消纳、提升电力系统灵活性能以及推动微电网技术的广泛应用均具有十分重要的意义。储能系统
12、的使用，实现了与可再生能源发电机组的互补，保证其能够在较大的功率范围内工作，在并网和孤岛模式下维持系统的高效、稳定运行，减缓可再生能源间歇输出所引起的功率波动17-18。为了进一步提高微电网系 统的经 济效 益和环 境效 益19，储能 系统的 使用范围进一步扩展，如一种由太阳能光伏(PV)、聚光太阳能光热(CSP)以及蓄热系 统(TES)构成的混合能源 微电网，在超过 500kW 规模的社区内经济性可与大型商业化混合电站相媲美，TES 与 PV 和 CSP 之间可形成具有易管理性的优势互补，减少或消除单纯使用蓄电池所带来的成本问题。因此，本文将结合微电网与储能技术的优势与特点，对近年来国内外通
13、过储能技术实现可再生能源微电网安全运行所取得的进展进行系统性的介绍和讨论，并针对储能技术在微电网系统中存在的问题以及未来研究方向进行综合分析与展望。1 储能系统在微电网中的作用 1.1 可再生能源微电网技术特点 微电网实质上是一种配电方法，是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、相关负荷、监控 和保护装置等汇集而成的小型发配电系统，它能够实现自我控制和管理，以能源的优化利用为导向，依据实际运行环境和经济要求对这些组成单元进行灵活调度、控制并使用，同时也是智能电网的重要组成部分21-25。图 1 为可再 生能源微电网的组成以及与外部公用电网之间的结构关系图。微电网中的分布式电源可以是风、光、水力
14、、生物质、热电联产、燃料电池等发电系统，一般以可再生能源为主、多种能源协同互补。由于微电网秉承靠近用户侧的构造理念，容量规模通常相对较小。微电网能够独立于公用电网，根据本地供能需求提供自主电力或者以其他形式(如冷、热和天然气等)供给能源。微电网 也可以为公用电网提供单点连接，即微电网与公用电网之间可以进行能量交换，电压等级视应用情况而定。然而，微电网的电压和容量等级现如今并没有标准规范，常见微电网的容量规模和电压等级可 划分为以下几类26-27：1）单用户级微电网，应用于单幢建 筑 物，容量 小 于 2MW，电压为 0.4kV；2）多用户级微电网，应用于包含了多种建筑物 或多样负荷的区域，容量
15、在 25MW 之间，电压为0.4kV 或 10kV；3）馈线级微电网，适用于公共设施或政府机构，容量约 510MW，电压 等级为 10kV；4）变电站等 级微电网，适用于变电站供电的区域，设计容量可达 10MW 以上。根据我国配电网发展实际情况，电压一般在 35kV 及以下，系统容量原则上不大于 20MW28。此外，日本学者拓展了美 国CERTS 协会 对微电网的定义范围，将传统电源的独立电力系统也纳入了微电网的研究范畴之内，如日本三菱公司在对微电网进行规模分类时，考虑了发 供能需求可检测可控制能量平 衡住宅 应用商业 应用工业 应用发 电机组可 再生能源电动 汽车 储 能系统公 用电网 图1
16、 可再生能 源微电网组成及公用电网结构关系图 Fig.1 Topological structure of a microgrid with renewable energy,and access method to a utility grid 第 1 期 刘畅等：利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 3 电容量为 1000MW 级别的 以 石 油和煤 为 燃 料的工业区应用电力系统29。20 年来，人 们对微电网技术的研究逐步深入，并围绕微电网的控制、保护、经济性以及储能优化配置等关键技术进行展开。随着新能源技术产业的高速发展、可再生能源渗透比例的逐年攀升以及互联网+和工
17、业 4.0 等概念的 推进，对微电网的优化控制提出了更高的要求，未来的微电网系统还应具备适应新设备接入和系统扩展的能力，这意味 着系统的通用性、鲁棒性以及智能化水平也还需要得到不断的升级30-31。微电网 的保护策略与传统配电网的保护策 略 有着极大的不同，典型表现在32：1）潮流存在双向流通；2）微电网在并网和孤岛 运行 2 种工作 模式下，短路电流存在较大差异；3）微电网的容量和惯性相对较小，且含有分布式电源，需要更短的切除故障时间；4）微电网的拓 扑结构会根据微电网内的运行控制和能量管理需求而发生变化。因此，如何在传统配电网的保护技术基础之上进行改造、优化和升级，使之具有更高度的故障识别
18、技术、更可靠的通信网络、更高速的信息传输速率，是微电网保护研究的关键内容。此外，也要考虑发电机和负荷的容量、发电机类型、运行方式以及设计结构等可变因素对微电网保护所产生的影响。经济效益是微电网在设计、建设和运行过程中都必须考虑的问题之一，也是评估微电网发展可行性的关键指标之一。为了保证微电网的供电可靠性，需要相应地提高系统设备的安全性、稳定性和准确性，而这又意味着经济成本投入的提高。所以，微电网待解决的经济效益问题主要集中在系统的优化配置和经济性调度上33。1.2 储能技术对可再生能源微电网的作用 由于微电网受到系统内可再生能源的随机性、间歇性、不确定性的影响，以及系统在出现故障时通常需要切断
19、与电网之间的连接，这些都势必导致了微电网需要通过合理的规划储能系统与可再生能源之间的集成利用，以实现提高系统的供电可靠性的目的。储能系统在微电网的运行方面所贡献的功能包括34-36：1）维持微电网运行的稳定。当微电网中间歇性能源存在电能质量问题或检测到电网故障时，储能设备可以为用户提供短时备用能量，使机组出力与预测值相匹配，使具有间歇性的能源可作为可调度能源运行；2）参与调频。确 保可再生能源微电网的能量输出与需求之间达到平衡；3）参与调峰。当微电网中分布式能源的总 出力大于负荷需求时，储能系统可以对富余的能量进行储存，避免能量的浪费；当微电网中分布式能源的总出力小于负荷需求时，储能系统可将储
20、存的能量释放出来，消除或改善能量短缺的状况，提高微电网的供电能力，起到系统调峰的作用。除此之外，储能系统的优化配置，尤其是规模尺寸设计，对于微电网系统的建设投资与长期运营也具有重要的影响，合理的储能尺寸设计能够有效改善微电网系统的运营成本37。图 2 所示为储能系统对可再生能源微电网整体运行的作用关系示意图，其中配置储能设备时直接供电曲线指的是公用电网与可再生能源机组输出功率直接用于供电的部分。非高 峰时 段储 存的可 再生 能量从公 用电 网中 储存的 能量储能 系统 释放 的能量配置 储能 设备 时直接 供电 曲线无储 能设 备时 供电曲 线可再 生能 源出 力尺 寸优化 降低 投资 与运
21、营 成本在 非高峰 时段 将可 用能量 转移 到需 求高峰 时段储能 系统平衡 供需、维持 频率 与电压消除 可再 生能 源的发 电间 歇现 象负荷需求时刻1:003:005:007:009:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:00 图2 储能系统 对微电网整体灵活运行的平衡作用 Fig.2 Key roles of energy storage systems on the flexible operation of the microgrid 随着微电网中受控设备数量的逐步增多，在实现微电网“灵活、可靠、可接入、经济”运行的设计和策略研究过程中，储能技术的
22、优化配置从中起到了核心纽带作用，它在不同程度上联结了公用电网、分布式能源、用户侧以及系统的整体设计。通过综合考虑各项设备以及储能技术的特性，选择存储类型、寿命、经济效益、环境效益以及容量相匹配的储能装置，并将其体现在微电网的运行优化目标和约束条件上，有助于实现系统的准确灵活控制，提高可再生能源的利用率和微电网的整体运行效率。1.3 微电网中储能技术的应用现状 随着微电网技术的不断发展，微电网的结构组成和应用目的是多样化的，因此具有不同效用的储能设备被灵活地运用其中。近年来，欧洲、北美、拉美、非洲以及包括我国在内的东亚地区均开展了微电网的相关示范工程研究，其中美国居于领先位置，约占全球微电网数量
23、的 50%38；欧洲和日本也4 中 国 电 机 工 程 学 报 第 40 卷 是开展微电网研究和示范工作较早的地区，欧洲于2005 年提出 了“Smart Power Networks”的概念，针对分布式能源的集成、微电网接入、配电网的协调与控制等内容开展了重点研究，相继建成了一批微电网示范工程；而日本则着重于解决能源供给多样化、减少污染以及提升电力在自然灾害下的可靠性等方面的研究。在我国，微电网示范项目主要应用于城市园区、边远地区以及海岛等地区23，依 托于 863 计划 立项了近十个微电网方面的研究课题；“十三五”期间，依靠各项国家政策和标准的发布与实施，28 个新能源微电网示范项目获批。
24、截至2018 年 7 月，全国已有 9 个新能源微电网示范项目投入运营，另有 8 个项 目在建39。表 1 为微电网与储能系统结合的典型项目情 表 1 含有储能系统的已建及在建微电网项目 Tab.1 Existing and under construction microgrid projects that are equipped with energy storage system 项目 No.项目/位置/机构 储能设备 电源组成 储能系统实现功能 储能设备 储能容量 量级/(kW h)规模 相同/相似 类型微电网(参考文献)能量 平衡 调峰 调频 电网 可靠 低碳 清洁能 源利用 1
25、Mannheim-Wallstadt/德国/欧洲 FP640 飞轮储能 热电联产、光伏、燃料电池 1.2kW 居民 生态庄园 40 2 Milford 微电网/美国/施耐德电气41 蓄电池 光伏、燃气轮机、柴油发电机 30kW 示范项目 42 3 Baikampady Mangalore 微电 网/印度/SELCO 基金 会43 蓄电池 光伏 200Ah8 社区 示范项目 44-46 4 微电网中试装置/韩国/韩 国电子技术研究所47 蓄电池 光伏、风电、风 光混合系统、柴油发电机 10 中试装置 48-53 5 集成微电网试验系统/中国浙江/浙江省电力 试验研究院54 蓄电池、飞轮储能 风电
26、、光伏、双馈感应发电机、柴油发电机 100 试验项目 6 天津大学微电网试验台/中国天津/天津大学55 全钒液流电池、飞轮储能、超级电容、压缩空气储能 光伏、风电、质子 交换膜燃料电池、冷热电联合循环 100 试验平台 7 Santa Rita 监狱微 电网/San Francisco/美国能源 部56 锂电池 光伏、燃料电池、柴油发电机 1000 大型 示范项目 57-59 8 Hachinoe 项目/日本青森县 八户市/日本新能源产业技术 综合开发机构40 铅酸蓄电池 生物质(树木)沼气 发动机、光伏、风电、燃木锅炉、燃气锅炉 100 市政 示范项目 40 9 Lolland Hydrog
27、en Community/丹麦/Lolland 市政 府、IRD 燃料电池公司以及波罗的 海解决方案公司60 储氢 热电联产、燃料电池 25m3 社区 示范项目 10 SPIDERS/美国/美 国国防部、能源部、国土安全部61 双向电动 汽车充电器 光伏、柴油发电机 军方 示范项目 11 仙台微电网示范工程/日本 仙台/日本新能源产业技术 综合开发机构62 天然气(储存或输送)燃气轮机、燃料电池、光伏(天然 气管道)示范项目 58,63 12 TB-MMEG/中国合 肥/合肥工业大学64 电池组、超级电容器光伏、风电、燃料电池、模拟火电、模拟水电 实验平台 13 LABEINs Commerc
28、ial feeder/西班牙 Derio65 飞轮储能、超级 电容、蓄电池 光伏、风电、柴油发电机、微型燃气轮机 10 中试装置 66 14 天津生态城动漫公园/中国天津/中国政府67 蓄电池、蓄热蓄冷、电动汽车充电器 冷热电联产、光伏、地源热泵 10-100 示范项目 15 El Hierro 微电网/西班牙/ABB68 抽水蓄能 风电、水电、柴油发电机 581 Mm3 岛屿示范项目 第 1 期 刘畅等：利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 5 况，发展趋势具有以下几个特点：1）微电网仍 处于研发 示范 项目阶段；2）储能技术在微电网示范项目中 还没 有得到 100%的覆盖
29、 率，具有较 大的 上升空间；3）微电网示范项目中可再生能源部分 的设计主要以风能、太阳能光伏和水电为主，其他多种可再生资源的优化整合还未进入示范阶段；4）微电网示范项目中传统能源部分主要依靠热 电联产机组和柴油发电机，其中柴油发电机作为微电网的紧急备用电源；5）微电网项目中储能设备 大多采用蓄电池，其中又以铅酸蓄电池和锂电池为主要被选类型，其他储能系统的相关理论研究尽管已有很多，但在项目建设方面被采用的还很少。2 储能系统及其容量优化方法 2.1 储能技术分类 储能技术作为微电网的一个重要的功能单元可以有效地解决可再生能源高比例应用时对电网带来的负面影响，不仅可以用来削减或者消除发电和需求之
30、间的不匹配，解决需求预测的不确定性，对微电网的安全性运行具有重要意义，还为移峰填谷提供了必要的手段，在微电网中具有极大的应用空间。主要应用于可再生能源系统的能量存储装置，按照储能形式分为化学储能(如储氢、储甲烷)、电化学储能(如液流电池、铅酸电池、锂离子电池)、机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电磁储能(如超级电容、超导磁储能)以及蓄热(如熔盐蓄热、导热油蓄热)等69-75。从功能方面还可将储能装置分为能量型储能和功率型储能，能量型储能以蓄电池和压缩空气等储能装置为代表，功率型储能以超级电容和超导磁储能装置为代表75-76。能 量型储能装置具有较高的能量密度，可进行较大容量的能量
31、存储，但放电时间相对比较长，且循环寿命相对较短；功率型储能装置则可在功率密度和响应速度方面具有较好的表现，同时具有相对较长的循环寿命77。将 2 种在功 能上形成互补的储能装置组成混合储能系统，由此获得更优良的运行性能和经济效益，也是储能技术的研究方向之一78。表 2 综 表2 储能系统 技术特点及发展现状 Tab.2 Technical characteristics and the current situations of energy storage systems 技术 分类 储能 系统 超级电容 超导磁 储能 飞轮储能 抽水蓄能 压缩空气储能 蓄热 铅酸蓄 电池 锂离子 电池 钠硫
32、电池 液流电池 氢气 甲烷 存储 功能 功率型储能 能量型储能 储存时间 s-min hr-weeks weeks-month 容量范围 Wh-kW h MW h-GW h kW h-GW h MW h-TW h 能量密度(Wh/l)10-3070 0.2-2.579,670 20-8079 0.27-1.576,0.5-1.579,1-270 3-1270,30-6079 80-120,120-200,200-50070 50-10076 200-50079 150-300,200-35076 16-33,30-60,16-6079,20-7076 500-300079 2000-72007
33、9,1500-400076 功率密度(W/l)2.5-1580,15000-5000076,100000+79 1000-500076 1000-200070,5000-1500076 0.5-1.576 0.5-276 80-12080 10-40081 1500-1000070 120-16079,140-18076 0.5-2579 循环效率/%65-7581,77-8376 84-9582,90-9780 80-9076 95-9882 80-9576 65-8579,8770 40-6070,60-7076,75-9570 30-6080,50-90,75-10079 63-9083
34、 75-9084,90-9770 68-7576,70-9079 60-8579 30-50,60-8079 40-60,25-3579 响应 时间量级 ms79 ms79 ms-s79 min79 min70 ms79 ms70 ms76 ms79 s-min79 min79 寿命(年)15-2079,20+85 15-2079,20+85,50000+cycles81 15-2079,20000+cycles81 30-6079,8076 4081,20-6085 5-4085 5-1579 5-2076,3500 cycles81 10-1576,2000 cycles81 5-1579
35、,15-2081 5-1576,20-3079 5-1576,3079 单位能量成本($/kWh)250-35081,300-200079 1000-1000079 380-250081,1000-500079 5-10079,500-150081 2-20079,72-24086,100-35081 0.1-10,8-10079,3-5085 200-40079,150-130081 600-250070,27387 300-50070 120-100079,150-130081 1-1070,800-120081 1-1070 单位功率成本($/kW)100-36079 200-35079
36、 250-35079 600-200079,2500-430084 400-200079 200-30085,100-40070,1000-3000,3400-4500,6000-1500079 300-60079 1200-400070 1000-300070 600-150085,330-250079 1900-630070 3500-500070 运维成本 5-6$/kW/yr88 8-26$/kW/yr88 20$/kW/yr70,7.5-8$/kW/yr88 13.3$/kW89,高88 2-4$/kW/yr88,19-25$/kW/yr90 很低88,0.005$/kWh91 50
37、$/kW/yr70 0.46$/kW87 80$/kW/yr70 70$/kW/yr70 发展阶段 示范 商业前 79 示范 商业前 79 商业 79 成熟 79 研发示范,商业 76 研发商业 70,研发成熟 79 成熟 79 商业 79 商业 79 示范商业 79 研发商业前 79 研发示范 79 6 中 国 电 机 工 程 学 报 第 40 卷 述归纳了不同储能系统的技术特点及发展现状，目前多数储能系统的技术经济性还需得到进一步的提高，因此与达到全面商业化推广这一目标之间还有一定的距离。2.2 储能系统容量优化方法 2.2.1 容量 规划 储能系统的容量对微电网的整体经济性和运行安全性都
38、具有很大影响，需要在微电网规划设计阶段进行优化设计。因为过小的储能系统无法实现微电网电能质量和整体运行性能的提升，而过大的储能系统则对微电网施加更高的投资和维护成本92。微电网 系统中电源种类、数量及结构具有多样性，设备功能也不尽相同，且负载既可以是电负载，也可以是热负载，因此储能系统的容量规划与微电网的运行策略密切相关，运行策略决定了微电网系统内分布式单元的运行时序和启停时长，进而影响着储能系统的储存和释放能量行为。1）运行策略。微电网具有并网和离网 2 种网络拓扑，并且不同供能需求的微电网运行策略也将有所差异。并网型微电网运行策略。在并网模式下的微电网通常采取可再生能源优先发电(或 提供其
39、他形式的能量)给用户，当可再生能源无法满足用户的负荷需求时，再根据实际情况选择利用公用电网、备用电源(如燃机、柴油机等)或储能设备来为用户进行能量补给；当新能源能量产生剩余时，也将根据微电网的实际情况选择向公用电网进行售电或者向储能设备进行储能93-94。如，当微电网内可再生能源机组由于气象因素无法满足用户的负荷需求时，启动储能设备来平衡微电网内的能量供需，若储能设备也无法满足用户的用能需求时，再通过向公用电网购买电力进行补偿供电95。在文献96 中所提到的并网型微电网系统中，储能设备的充放电行为取决于当时的电价情况，当电价较低时，微电网内的缺口电力从公用电网购买获得，冗余的电量则通过储能设备
40、储存起来；当电价较高时，匮乏的电力通过储能设备放电获得，而可再生能源冗余的电量可出售给公用电网。当微电网内还有冷、热需求时，则可能还存在储冷和储热设备，其启停原则与蓄电相类似，即能量富余时进行存储，能量匮乏时进行释能。对于冷热电联产系统，电能和冷/热能通常存在相互耦合的关系，储冷/热装置能够对其之间的解耦以及提升微电网系统内灵活性具有积极作用97。离网型微电网运行策略。在离网模式下，可再生能源微电网的电力负荷主要由可再生能源提供，但由于系统内没有公用电网作为备用支撑，则通常会导致对储能装置的容量需求相对更大，运行策略上着重考虑系统的安全性和可靠性98-99。以负荷跟随策略为例100，在可再生能
41、源总输 出功率不能满足负荷需求时，功率缺额由储能系统释放能量提供；当可再生能源出力大于负荷需求时，多余的能量通过储能系统进行储存。当储能系统所储存容量也无法满足负荷需求时，才启用备用电源。整个系统的联合出力可以满足对计划出力的实时跟随。在需要综合考虑能源系统响应特性时，混合储能系统的应用满足了功率和响应时间的需求101，当系统中电源设备的输出功率与计划出力之间存在差值时，首先判断差值的正负，当差值为正表示电源设备出力富余，需要储能设备进行充电，此时富余电量优先储存在功率型储能设备当中，功率型储能充满却仍有电量富余时，再储存在能量型储能设备中；当差值为负表示电源设备无法满足负荷需求，需要储能设备
42、进行放电，利用功率型储能设备的可用容量进行快速的供电，并随着放电时间的延长逐渐切换到能量型储能设备的供电模式，之后功率型储能停止工作。在独立自治微电网的运行控制中，储能系统和备用发电机组的运行控制还需要 考虑气象的 季节性变化，例如 Flinders岛在春夏季时，负荷需求因可再生资源情况较好由可再生能源与储能设备提供，柴油发电机以低功率运行；从秋季至冬季，可再生能源出力逐渐降低，大部分负荷需求由柴油发电机提供102。当风、柴油、储能微电网以及相同或相似类型微电网中以柴油发电机作为主电源时，系统将优先启用柴油发电机来弥补风电(或其他可再生能源)以满足功率需求，储能系统将在柴油发电机也无法满足输出
43、需要时，启动并参与功率调节，该情况下的储能系统容量相对较小103。2）储能系统 的充放电运行过程。功率缺额。功率缺额即为微电网系统中电源设备的输出功率与负荷需求之间的差值，其大小决定了储能系统的运行情况104。因此，功率缺额可表述如下：ref1()()()niiPtP tP t，nm(1)第 1 期 刘畅等：利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 7 式中 Pi(t)为 微电网内分布式电源 i 在 t 时刻的输出功率，Pref(t)表示微电网在 t 时刻的负荷需求。当P(t)0 时，储能系统考虑是否储存能量；当P(t)0时，储能系统考虑是否释放能量。储能系统充、放电荷电状态(以
44、蓄电池为例)105。充电：ESES()()(1)(1)cPttSOC t SOC tEt(2)放电：ESdE S()()(1)(1)P ttSOC t SOC tEt(3)式中：PES(t)为储能系统在 t 时刻的运行(充放电)功率；SOC(t)为 t 时刻储能系统的荷电状态；t 为充电(或放电)时间；c为储能系统储能效率；d为储能系统释放能量效率。需要注意的是这里没有考虑储能设备的自放电率。储能容量。系统中电源设备的输出功率与计划出力之间的差值P(t)决定了储能系统的充、放电运行模式，P(t)与坐标轴之间所围成的面积记为参数E(t)，其正负分别表示储能系统处于充电状态和放电状态。在时间区间
45、T 内，储能系统需要储存(或释放)的电量总量为 E(T)，E(T)的表 达式为：()()dtTtET Et t(4)储存的能量形式除了电之外还包括储冷/热和储气，其中冷/热和气体储量可分别根据使用情况进行功率到体积的换算。2.2.2 目标 函数 考虑到储能系统对微电网运行的经济性和 可靠性的影响，以及在改善可再生能源利用率方面的积极作用，储能系统的优化配置目标一般可分为经济性目标、可靠性目标和能源利用率目标等27,106-111，见图 3。在已有研究中，经济性常作为储能系统容量优化的单一优化目标，以投资及运行成本最小化或运营效益 最大 化为优 化目 标建立 数学 模型107-108。文献109
46、中选取微电网运行成本最小化作为优化目标，基于可再生能源孤立微电网开展了优化调度研究，并通过数值分析评估了优化框架的有效性。文献110 中以等效供电成本最小作为优化目标，提出了一种遵循储能单元荷电状态日前计划的微电网能量优化调度方法，有效将微电网的日供电成本降 经济性目标 可靠性目标 利用率目标微电网全寿命周期成本微电网投资总收益储能 设备成本平抑能源功率波动失负荷率可再生能源利用率能量供 需平衡燃料消耗量优化目标 图3 储能系统 的优化目标 Fig.3 Optimization parameters of energy storage system 低了 30%以 上。此外，一 些研究也通过多
47、目标来进行微电网系统中的容量优化。文献111 在对微电 网储能系统进 行优化配 置的过程中，同时关注了微电网的投资成 本、可再生 能源功率波 动平抑情况 和 能量供需平衡情况。文献48在微电网的储能系统优化设计过程中 兼顾了柴油 发电机运行 成本最小化、可再生能源利 用率最大化 和储能系统 使用寿命最 大 化3 个优化目标。还可以根据能源利用要求同时建立环境排放最小或能源利用率最大等目标函数112-113。在储能系统的容量优化过程中，根据微电网的实际结构、分布式能源能量补偿需求的不同，模型中优化目标和运行策略会产生一定的差异，进而影响优化的结果。系统的投资及运营成本最小化是当前储能系统设计优化
48、的主要目标之一，该优化目标包括前期建设投资成本 C1和 后 期微 电 网运营成本 C2两个主要部分，其中前期建设投资包括微电网系统内各分布式单元的建设与采购成本，储能装置容量规模的大小将影响这一部分成本，旨在通过该优化目标寻找储能装置的最佳设计尺寸；后期运营则包括微电网系统内各组成部分的运行和维护成本、燃料成本、装置替换成本、环境补偿成本、微电网与公用电网之间的交易成本、以及当系统内出现欠电或弃电时的惩罚成本，微电网通过对该部分成本进行优化来实现储能及其他分布式设备在调度期间内提供可控负载，并能够符合运行约束114-115。目标函数：12min min()CC C(5)式中：1I N ICC(
49、6)2 OM FUEL REP EM GRID PENCCC CCC C(7)CINI表示初始成本；COM、CFUEL、CREP、CEM、CGRID和 CPEN则分别表示微电网的运维成本、燃料成本、8 中 国 电 机 工 程 学 报 第 40 卷 替换成本、环境补偿成本、与公用电网的交易成本以及惩罚成本，计算式分别为：iniINI1NiiCC(8)omOM1NiiCC(9)FUEL1NiiiCF(10)REP,1Nit iiCR(11)emEM0Mj jjCC(12)gridGRID0QkkkCE(13)penPEN0QkkkCE(14)式中：N 表 示微电网中设备数量；iniiC、omiC
50、分别 为设备 i 的初 始成本和运维成本；i和 Fi分别表 示设备 i 使用的 燃料单价和燃料用量；i,t和 Ri分别表示设备 i 需要更换时当时的市价和运营时间范围内 需要更换的次数；M 代表污染物的数量，j和emjC 分别代表污染物 j 的排放量和排放惩罚金额或治理 成本；Q 代表时段的数量情况，k、gridkE、k和penkE 则分别代表时段 j 内电网的交易价格、微电网与电网交易的电量、欠电或弃电的单位惩罚金额以及欠电或弃电量。根据微电网系统运行场景的不同，目标函数中各项的取值与计算方法也将不同，例如微电网为自治微网时，与公用电网之间不存在电力交易，此时CGRID项可取 值为零。在已有
