儲能技術在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述

文獻標志碼：A

儲能技術在新能源電力系統(tǒng)中的研究綜述

艾欣，董春發(fā)

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206)

Review on the Application of Energy Storage Technology in Power System with Renewable Energy SourcesAI Xin, DONG Chunfa

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University), Beijing 102206,China)

摘要：在總結各種儲能技術特點及其應用現狀的基礎上，分析了新能源大規(guī)模并網存在的問題，歸納闡述了儲能技術在解決系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、功率波動、電能質量、風電低電壓穿越等問題中的研究進展；針對儲能系統(tǒng)的前期規(guī)劃，綜合考慮經濟性能和技術性能要求，重點研究了儲能系統(tǒng)的組成結構和優(yōu)化配置方法，并對不同應用場合下儲能系統(tǒng)的控制策略進行歸納；最后對儲能技術的研究方向做出展望。

關鍵詞：儲能技術；可再生能源；電力系統(tǒng)；并網運行；優(yōu)化配置；控制策略

文章編號：1007-2322(2015)05-0001-09

中圖分類號：TM732

基金項目：國家自然科學

收稿日期：2014-09-18

作者簡介：

Abstract：Based on the summary on the characteristics of different energy storage techniques and their applications, the existing problems in large-scale grid-connected renewable energy sources are analyzed, and the research progress on the application of energy storage technique to solve such problems as system operation stability, power fluctuation, power quality and low voltage ride-through for wind power system are discussed. Furthermore, to meet the economic and technical requirements, the composition structure and optimal allocation method of energy storage system are mainly studied. In addition, control strategies of energy storage system in different operational situations are discussed. In the end, research direction and prospect of energy storage technology are forecasted.

Keywords：energy storage technology; renewable energy sources; power system; grid-connected operation; optimal allocation; control strategy

0引言

能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益突出，開發(fā)與利用新能源，改善能源結構成為世界各國的共識。風力發(fā)電、光伏發(fā)電作為主要的清潔能源利用形式，具有與傳統(tǒng)電源競爭的潛力，得到了快速的發(fā)展。截止2013年底，我國風力發(fā)電裝機容量達91.4GW，光伏發(fā)電裝機容量達19.4GW，均位列世界第一[1-2]。

但是，風電和光伏發(fā)電出力顯示出較強的波動性和隨機性，影響電網運行的安全與穩(wěn)定[3]。這給電網的調度帶來困難，對供電的持續(xù)性和可靠性產生不利影響[4]，同時限制了其自身的發(fā)展。

在新能源的并網過程中，通過在出口側安裝儲能裝置，可以平抑輸出功率的波動[5]，一定程度上將新能源電源轉化為可調度的電源，有助于減少對電力系統(tǒng)的沖擊[6]，提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，此外還可以提供電壓支撐，改善電能質量等[7]。因此，儲能技術被認為是解決目前和將來電網中新能源穿透率持續(xù)增加等問題的可行方案。

本文首先簡要總結了各種儲能技術及其應用現狀，對儲能系統(tǒng)解決新能源并網問題中的研究進展進行詳細分析，然后重點對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法進行研究歸納，并總結儲能系統(tǒng)在不同運行狀況時的控制策略，最后，對儲能技術的研究方向和應用前景做出展望。

1儲能技術的分類及應用現狀

電能可以轉換為機械能、化學能、電磁能等形式進行存儲，按照方式的不同可分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能四大類型。其中機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等；電化學儲能包括鉛酸、鎳隔、鋰離子、鈉硫、液流等電池儲能；電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能等；相變儲能通過儲熱物質發(fā)生相變進而吸收或者放出潛熱實現[8]，既可在夏季蓄熱也可在冬季蓄冷，主要應用場合包括蓄冷空調系統(tǒng)，熱電相變蓄熱裝置和建筑節(jié)能[9](用于墻體、天花板中)等。表1對典型的儲能形式的特點、應用和研究現狀進行了總結。

表1　應用于電力系統(tǒng)的儲能技術比較

2儲能技術在新能源大規(guī)模并網中的應用

2.1新能源大規(guī)模并網存在的問題

由于風能本身的隨機性和波動性，風電出力表現出很大程度的波動性和不確定性[10]；同時風能的不可控使得風電具有弱致穩(wěn)性和弱抗擾性[11]。在我國風電大規(guī)模開發(fā)、遠距離輸送的模式下，風電出力的上述特性對電力系統(tǒng)的供電充裕性和運行穩(wěn)定性[5,12]的影響更為嚴重；此外，電網薄弱地區(qū)的電壓穩(wěn)定性問題[13]和有功備用不足電網的頻率穩(wěn)定問題[14-15]也值得關注。另一方面，風速的隨機變化和風機本身特性，以及風電系統(tǒng)中電力電子器件應用，帶來電壓暫降[16]、諧波[12]等電能質量問題。風電機組的低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)問題也值得關注，故障發(fā)生時，若風電機組大規(guī)模同時從系統(tǒng)解列，可能導致連鎖反應，嚴重影響電網的安全運行[17]。

同樣，光伏發(fā)電大規(guī)模接入公共電網后，其出力的波動性使得電網常規(guī)的調度及控制策略難以適應，電網自身的運行調整與控制能力被削弱，給電網安全穩(wěn)定運行帶來新問題[18]。

分析上述問題，新能源出力缺乏可控性[19]是根本原因，風電、光伏等出力的波動性和不確定性使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。對新能源發(fā)電出力進行有效控制，改善出力特性，將其變?yōu)榭烧{度的電源，成為解決上述問題的關鍵。儲能作為能量的轉換手段，提供了能量高效利用和靈活轉換的方式，可以在一定程度上改善可再生能源電源的出力特性，為新能源大規(guī)模并網問題的解決提供了途徑。

2.2儲能技術在風電并網中的應用

2.2.1提高含風電電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性

提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本措施在于改進系統(tǒng)的瞬時功率平衡水平，儲能系統(tǒng)能夠響應有功及無功功率需求，改善系統(tǒng)的瞬時功率平衡水平，增強運行的穩(wěn)定性。

對于電壓穩(wěn)定性問題，文獻[3]針對并網風電系統(tǒng)中經常出現的聯(lián)絡線短路故障和風速擾動，研究了超導儲能(superconducting magnetic energy storage，SMES)在改善并網風電場運行穩(wěn)定性中的作用。仿真表明網絡故障后SMES能夠有效地提高風電場的穩(wěn)定性，而且在快速的風速擾動下能夠平滑風電場的輸出，降低風電波動對電網的沖擊。文獻[13]將SMES應用于并網型風力發(fā)電系統(tǒng)，建立了SMES模型和加入SMES后系統(tǒng)的線性化仿真模型，采用基因算法求最優(yōu)反饋矩陣，仿真結果表明SMES單元對并網型風力發(fā)電系統(tǒng)中風力發(fā)電機的輸出電壓具有極大的改善作用。

頻率穩(wěn)定性問題的研究主要集中在儲能系統(tǒng)平滑風電輸出功率方面。文獻[6]提出了將飛輪儲能系統(tǒng)應用于風電機組的運行控制中，通過對控制飛輪儲能系統(tǒng)充放電實現平滑風機輸出功率、參與電網頻率控制的任務，仿真驗證了方案的可行性。文獻[15]將風能等可再生能源作為SMES裝置的充電電源，為可再生能源的使用提出一個新的思路，SMES裝置可以根據系統(tǒng)負荷變化快速調整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡線功率流動，同時改善系統(tǒng)旋轉備用不足的問題。文獻[20]研究了采用超導儲能系統(tǒng)改善頻率穩(wěn)定性問題，仿真結果表明，超導儲能系統(tǒng)在文中既定的條件下使得系統(tǒng)的最大頻率偏差降低，有效改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，且超導儲能系統(tǒng)容量越大系統(tǒng)頻率偏差越小。

因此，增強風電并網系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要配備具有快速響應能力的儲能系統(tǒng)，如超導儲能、飛輪儲能等，它們能夠快速響應系統(tǒng)穩(wěn)定性運行的要求，補償功率差額。但是，由于風電出力本身的不確定性，基于歷史出力數據的儲能系統(tǒng)合理配置及適當的控制策略成為研究的關鍵問題。

2.2.2改善電能質量

儲能系統(tǒng)在改善電能質量方面的應用主要集中在抑制電壓波動、電壓暫降等方面。

文獻[7]針對微電網電能質量問題，分析了儲能解決電壓驟降、電壓跌落等電能質量問題的方案。文獻[21]介紹了超級電容儲能技術在分布式發(fā)電中的應用，通過在PSCAD下建模仿真說明了其在解決分布式發(fā)電電能質量等問題方面有很好的效果。

改善電壓波動、電壓暫降等電能質量問題關鍵在于短時功率的動態(tài)補償，需要儲能系統(tǒng)具備毫秒級功率動態(tài)調節(jié)的能力，因此，選擇超級電容儲能、超導儲能等是比較合適的。

2.2.3平抑功率波動

風電出力缺乏可控性是造成風電并網諸多問題的根本原因。儲能系統(tǒng)能夠有效改善其出力特性，平滑風電出力，在一定程度上使其成為可調度的電源。

目前針對儲能技術平抑風電出力波動的研究包括風電場和風電機組兩個層面。文獻[12]給出一種串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)的電路拓撲，將其用于風力發(fā)電，仿真表明并聯(lián)補償可以有效地改善風力發(fā)電的不確定因素，平滑風力發(fā)電系統(tǒng)出力；串聯(lián)補償可以有效地提高供電電壓的可靠性，抑制電壓暫降，提高風電場穩(wěn)定性。文獻[22]提出在基于全功率變頻器的永磁同步風電機組的直流母線上并聯(lián)飛輪儲能裝置，并通過模糊控制，從而實現抑制風電機組輸出功率的波動。

考慮到大型風電場的輸出功率在一定程度上具有互補性，且大規(guī)模的集中儲能有利于控制，風電場層面的儲能方式受到較大關注。

2.2.4提高風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力

在風電穿透功率較高的電力系統(tǒng)中，LVRT是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵因素之一。有LVRT功能的風電機組并網能有效解決并網中產生的電壓穩(wěn)定性問題，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強[23]。儲能系統(tǒng)在提高風電機組低電壓穿越能力的研究主要集中于儲能系統(tǒng)的選擇和控制策略的設計兩個方面。

其中，文獻[24]提出一種利用飛輪儲能提高永磁直驅風電系統(tǒng)低電壓穿越能力的控制策略，通過風電機組和飛輪儲能的功率變換器的協(xié)調控制，在電網故障期間，利用飛輪儲能的快速有功調節(jié)能力保持風電機組功率變換器的直流母線電壓穩(wěn)定，同時控制風電機組的網側變換器向電網發(fā)出一定的無功，幫助電網電壓的恢復，從而提高風電機組LVRT能力。文獻[25]研究了靜止同步補償裝置/蓄電池儲能用于增強風電機組LVRT功能的問題，并設計了相應的控制策略，仿真結果表明，該方式可有效增強風電機組的LVRT能力。

2.3儲能技術在光伏并網中的應用

儲能技術在光伏并網中的應用同樣集中在平衡系統(tǒng)瞬時功率，改善電能質量，維持系統(tǒng)可靠運行等方面。

文獻[4]建立了混合儲能的數學模型，提出一種無源式并聯(lián)儲能方案并應用于獨立光伏系統(tǒng),仿真實驗表明，在光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率和負載功率脈動的情況下,蓄電池的充放電電流比較平滑；文獻[10]將能量密度大、環(huán)境友好的磷酸鐵鋰電池和功率密度高、循環(huán)使用壽命長的超級電容組合，構成混合儲能系統(tǒng)應用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，并設計了控制結構和控制方式。仿真結果表明，在光伏電池輸出功率存在波動且負載發(fā)生脈動的情況下，儲能系統(tǒng)能迅速平衡系統(tǒng)瞬時功率，維持系統(tǒng)可靠運行。

超級電容器蓄電池混合儲能在該領域具有較大的應用價值和發(fā)展?jié)摿?，但目前相關的研究和應用還很少，將會成為重要的研究方向。

3儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置和控制策略研究

如前所述，儲能系統(tǒng)在解決新能源并網的關鍵問題，提高電網對新能源發(fā)電的消納能力等方面發(fā)揮著關鍵的作用。因此，為更好地發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用，對其優(yōu)化配置和控制策略等方面的深入研究顯得尤為必要。

3.1儲能系統(tǒng)的組成結構

儲能系統(tǒng)可分別由單種儲能形式和多種儲能形式構成。對新能源并網功率進行控制的過程中，綜合考慮系統(tǒng)成本、體積等因素，需要儲能系統(tǒng)具有高功率和高能量密度、壽命長等特點。

在風電和光伏等新能源發(fā)電大規(guī)模并網的系統(tǒng)中，兩種儲能結構均有應用；在小規(guī)模接入的微網中，由于新能源發(fā)電的間歇性要求儲能單元具有高能量密度，同時，負荷的快速波動要求儲能單元具有高功率密度，因此，由高功率密度和高能量密度的儲能單元組成的復合儲能系統(tǒng)在微網中有廣闊的應用前景。

對于復合儲能系統(tǒng)中儲能單元的選擇，由于微網的功率波動通常在幾兆瓦范圍內，蓄電池、超級電容器和飛輪儲能是比較合適的選擇，而蓄電池和超級電容器分別屬于高能量密度和高功率密度的儲能單元，它們的組合是很合適的選擇。文獻[26]表明在孤立的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)的性能優(yōu)于單獨的蓄電池儲能系統(tǒng)。文獻[27]表明蓄電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)不僅具有高能量密度和高功率密度的特點，同時可延長蓄電池的使用壽命。文獻[28]定性地分析了該混合儲能系統(tǒng)在蓄電池的功率和使用壽命方面的延長作用。

3.2儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置

鑒于儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電并網中起到提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、改善電能質量、平抑功率波動等重要作用，可明顯改善系統(tǒng)的經濟性能和技術性能。因此，考慮儲能系統(tǒng)的位置和容量，合理地對儲能系統(tǒng)進行配置，使之在滿足系統(tǒng)技術性能要求的同時，盡可能地提高經濟性能，成為目前亟待解決的問題。

儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置與新能源發(fā)電的運行特性、出力曲線以及電力系統(tǒng)運行數據等密切相關，對其優(yōu)化配置的研究一般以新能源發(fā)電的出力曲線和負荷特性為基礎，考慮系統(tǒng)技術性能和經濟性能的要求，優(yōu)化對象為含新能源發(fā)電的聯(lián)合系統(tǒng)，圖1為新能源并網中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置框圖。

圖1　新能源并網中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置框圖

3.2.1新能源大規(guī)模并網系統(tǒng)中的優(yōu)化配置

由于新能源出力固有的間歇性和波動性，加之出力預測誤差的存在，使其無法具有類似傳統(tǒng)發(fā)電形式的調度靈活性。因此，在新能源大規(guī)模并網的系統(tǒng)中，為積極響應電網調度，儲能系統(tǒng)的應用主要集中在平抑出力波動和提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等場合。

考慮技術指標，文獻[29-33]研究了儲能系統(tǒng)在平抑新能源出力波動中的優(yōu)化配置方法：文獻[29]定義了輸出功率波動率指標，并設定波動率的上限；文獻[30]考慮混合儲能系統(tǒng)能量損失率和能量缺失率等運行指標，建立優(yōu)化配置模型；文獻[31]考慮電池儲能系統(tǒng)功率容量與風功率預測誤差、準確率、合格率以及容量需求滿足率等指標；文獻[32]對大型并網風電場在不同儲能容量配比關系下出力的平滑效果進行仿真分析，得到儲能系統(tǒng)容量和風電場規(guī)模的合適配比關系，初步優(yōu)化了儲能系統(tǒng)的容量。此外，為提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，文獻[33]分析了儲能裝置在提高暫態(tài)運行穩(wěn)定性中的作用，定義系統(tǒng)偏離原穩(wěn)定狀態(tài)的指標，并與經濟性指標結合進行儲能裝置容量的配置。

在滿足技術指標的基礎上，儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置應盡可能提高新能源聯(lián)合系統(tǒng)的經濟性能。目前已有很多學者綜合考慮系統(tǒng)的技術性能和經濟性能進行研究，文獻[34-36]中以并網新能源儲能系統(tǒng)的凈收益最大為目標，進行儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置：

(1)

式中：α為新能源發(fā)電的單位上網電價，β、γ分別為儲能系統(tǒng)的功率、容量的初始投資在研究周期T內每小時內的攤銷成本；Pd為研究周期內新能源的并網功率，Pess、Eess分別為儲能系統(tǒng)的設計功率和設計容量。

文獻[34]基于負荷峰谷差改善指標，綜合考慮儲能系統(tǒng)經濟效益和投資成本，以儲能系統(tǒng)運行年限內的總收益最大為目標，構建了容量配置優(yōu)化目標函數，提出用于松弛調峰瓶頸的大規(guī)模儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配制方法，以改善風電穿透率較高時系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性；文獻[35]在保證風電并網系統(tǒng)運行穩(wěn)定和電壓合格的前提下，建立了以風電-蓄電池聯(lián)合系統(tǒng)凈收益最大化為目標的優(yōu)化函數，通過對蓄電池容量進行合理的配置，實現經濟利益的最大化；文獻[36]綜合考慮復合儲能系統(tǒng)的技術和經濟性能，建立了反映復合儲能系統(tǒng)特性參數-風電功率平滑度、復合儲能系統(tǒng)成本特性的長期數學模型，通過遺傳算法進行優(yōu)化，該方法適用于不同等級的任意風電場的復合儲能系統(tǒng)容量配置的選定；此外，文獻[37]以風電場等效輸出功率方差和最小為技術指標，建立波動水平的置信度約束，保證風電場的功率波動在合理的范圍，以儲能系統(tǒng)投資和運行成本最小為目標進行優(yōu)化；文獻[38]在保證風場功率波動在合理范圍的基礎上，引入蓄電池壽命周期成本函數，進行功率的配置，實現其運行成本的最小化。

3.2.2配電網/微網中的優(yōu)化配置

在包含風機、光伏陣列、儲能裝置和其他不間斷電源等多種電源結構的微電網中，系統(tǒng)的首要任務是保證功率平衡，因此儲能系統(tǒng)的應用主要集中于保證供需平衡和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、改善電能質量等方面。

考慮供需平衡的要求，儲能系統(tǒng)的配置考慮了相關的技術指標：文獻[39]將補償后各時段負荷與負荷均值偏差的平方和作為評判指標，同時考慮可再生能源功率波動平抑的要求；文獻[40-41]均考慮供電可靠性的要求，分別以微網缺電概率和失負荷概率作為優(yōu)化配置的技術指標；此外，文獻[42-44]也都對供需平衡問題分析了相應的技術要求。同時，儲能系統(tǒng)在配電網和微網中的應用也需考慮電能質量的要求，文獻[45]分析了儲能系統(tǒng)對于配網電壓質量的提升作用，并運用相應的節(jié)點電壓指標和饋線電壓指標作為技術標準。

與儲能在新能源大規(guī)模并網中的配置類似，其在含新能源發(fā)電的配電網/微網的配置同樣需要進行技術性能和經濟性能的綜合考慮。文獻[40-41,43-44,46-47]中均以綜合成本(包括初始投資和運行維護成本)最小為目標建立了儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型，有

(2)

式中：T為研究的周期;t為其中的時間段;S、R、H分別為儲能單元、新能源發(fā)電單元和傳統(tǒng)機組的總臺數;Ct，s、Ct，r、Ct，h分別表示在該時間段內儲能單元、新能源發(fā)電單元和傳統(tǒng)機組攤銷的投資成本和運行維護成本之和。

其中，文獻[40]、文獻[41]根據響應的供電可靠性指標要求——缺電概率和失負荷概率，建立了計及設備投資成本、運行和維護成本、燃料成本、環(huán)保折算成本的孤立風光儲系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型，分別采用改進的細菌覓食算法和改進粒子群算法求解最優(yōu)配置方案，得到微電網電源的類型及其容量的最優(yōu)方案；文獻[43]將設備的投資成本和運行維護成本等考慮在內，計及系統(tǒng)供需平衡約束，建立了成本最小化的優(yōu)化模型，同時提出分散優(yōu)化框架以解決大規(guī)模優(yōu)化帶來的求解困難問題；文獻[44]將光伏輻射利用率和光伏陣列效率等概念用于孤立光伏系統(tǒng)的設計，在考慮初始投資成本和運行維護成本的基礎上，考慮系統(tǒng)周期內電池的更換成本，進行蓄電池容量的配置；文獻[46-47]均采用基于隨機優(yōu)化的儲能系統(tǒng)定容，其中，文獻[46]運用代表性的數據，考慮傳輸能量的成本、儲能系統(tǒng)的效率等因素，文獻[47]提出隨機框架，通過儲能技術增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行經濟性，并運用遺傳算法和概率最優(yōu)潮流相結合的方法進行儲能系統(tǒng)位置和容量的最優(yōu)配置；文獻[48]提出了基于機會約束規(guī)劃的混合儲能容量配置方法，考慮混合儲能裝置的功率出力和荷電狀態(tài)約束，以裝置成本最低為目標，得到風電輸出功率波動不超過某一區(qū)間的置信度與混合儲能最佳配置成本間的關系，從而為配置混合儲能容量時為在電能質量和經濟性間取得適度折中提供了定量依據。

此外，對于儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置，也有學者運用數學方法進行優(yōu)化研究。文獻[49]通過分析光伏出力短期預測誤差和負荷短期預測誤差的概率統(tǒng)計規(guī)律和隨機過程，利用區(qū)間估計方法得出儲能設備容量配置函數，進而得到儲能容量的最優(yōu)配置。

目前，儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置的研究主要考慮含新能源發(fā)電系統(tǒng)的技術性能和經濟性能，對于儲能系統(tǒng)的合理配置與調度，優(yōu)化方法的運用以及微網中電源結構的選擇仍將是研究的熱點。

3.3儲能系統(tǒng)的控制策略分析

儲能系統(tǒng)配置完成后，設計準確高效的控制系統(tǒng)對于其補償效果至關重要，而在其中，如何合理選擇儲能系統(tǒng)的控制信號和相應的控制策略，又成為控制系統(tǒng)的核心和關鍵。針對儲能系統(tǒng)的不同應用場合，眾多學者對其中的控制策略進行了研究。

在以平抑功率波動為主要應用目標的儲能系統(tǒng)中，文獻[50-52]分析了其中的控制策略：文獻[50]給出了基于閥控式鉛酸電池的儲能系統(tǒng)主電路參數設計原則，并使用定周期比較法實現Buck-Boost電路的定功率控制，精確反饋線性化算法實現并網變流器VSC的定電壓和無功控制；文獻[51]基于風電功率短期預測技術，根據風電實發(fā)功率與預測功率與波動上下限的關系，提出了平抑風電功率波動的全釩電池儲能系統(tǒng)運行控制策略，并給出控制算法流程；文獻[52]采用飛輪儲能系統(tǒng)輔助的微網方案，利用其大功率充放電的特點，設計了并網變流器的定功率控制方案，通過測量網側功率決定變流器的輸出電流，實現平抑微型電源功率和負荷波動的功能。

為提高儲能系統(tǒng)在改善系統(tǒng)運行穩(wěn)定性中的效果，文獻[53-55]對其中的控制策略進行了研究。文獻[53]提出了改善并網風電場暫態(tài)穩(wěn)定性的超導磁儲能裝置控制策略，網側采用以電壓定向的矢量控制方案并通過附加前饋項來實現其輸出有功、無功功率的解耦；文獻[54]研究了超導儲能系統(tǒng)中不同控制信號的選取，如轉速/功率/電壓偏差量，分上層控制和底層控制兩類對超導儲能系統(tǒng)控制策略進行研究，分析了其中的自適應控制和魯棒控制等；文獻[55]提出了一種高滲透率大規(guī)模風電接入后風儲孤立電網的控制策略，包括上層的廣域功率平衡控制和下層儲能設備電壓/頻率控制，通過實時檢測電網電壓和頻率偏差生成有功和無功電流指令控制儲能系統(tǒng)進行功率補償，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

此外，針對超級電容裝置在改善系統(tǒng)電能質量中的應用，文獻[56]基于超級電容儲能的風電場功率調節(jié)裝置的工作原理和結構特點，提出了一種網級控制、超級電容能量管理和變流器控制相結合的控制策略，進行環(huán)路控制器設計，以降低風場對電網電能質量的影響。

由于新能源出力的波動平抑和并網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要儲能系統(tǒng)兼具高功率密度、高能量密度、高循環(huán)壽命的特點，而受儲能機理影響，單種儲能技術很難滿足全部要求，對此很多學者提出采用高能量密度的蓄電池與高功率密度的超級電容器相結合的混合儲能方法，以提高儲能系統(tǒng)的整體性能，相關研究已經取得了一定成果。

文獻[57]根據蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)，采用模糊控制理論將超出目標值的功率偏差在兩種儲能介質之間進行分配，算例表明所提控制策略能夠有效地平抑可再生能源功率波動；文獻[58]針對風電波動功率的平抑需求，提出一種新型混合儲能系統(tǒng)結構及其分層控制模型(能量層、系統(tǒng)層)，根據預置的專家信息庫，得到相應充放電控制器的控制算法；文獻[59]根據超級電容器和蓄電池的輸出特性和應用需求，以其能量為核心進行混合儲能系統(tǒng)控制策略的設計，該策略具有中央管理單元和本地控制兩個層次，并且具有自適應性。

需要指出，儲能系統(tǒng)在新能源電力系統(tǒng)中的應用目標往往并不單一，關于其控制策略的選擇涉及可行性、經濟性和有效性等多個指標。多元復合儲能系統(tǒng)的協(xié)調控制，風光儲系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)調控制等問題，仍將是研究的熱點。

4儲能技術的研究方向與展望

隨著新能源發(fā)電的日益普及，以及電網調峰、提高電網運行穩(wěn)定性和改善電能質量的迫切需求，電力儲能系統(tǒng)的重要性日益凸顯[60]。因此，電力儲能技術的應用前景非常廣闊。目前在儲能技術及其應用領域中，研究的熱點問題如下。

① 兼具高功率密度、高能量密度的多元復合儲能系統(tǒng)是解決新能源并網中諸多問題的必然選擇，其中蓄電池和超級電容相結合的復合系統(tǒng)受到關注，其優(yōu)化配置、協(xié)調運行控制等問題將會成為儲能技術的研究熱點。

② 儲能系統(tǒng)在新能源并網中應用場合的多樣性和多元復合儲能系統(tǒng)的協(xié)調控制等問題，使得對于其控制策略的研究尤為必要。解決系統(tǒng)干擾和參數變動的儲能自適應控制策略與用于非線性、時變、不確定系統(tǒng)的儲能模糊邏輯控制策略具有廣闊的發(fā)展前景。

③ 各種形式能量的相互轉換是非常重要的，必須解決大容量、快速、高效、低成本能量轉換技術的問題，電力電子技術將成為研究的重點。

5結語

本文在分析儲能技術解決系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、電能質量、功率波動等問題的基礎上，重點研究歸納了儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法，對不同儲能系統(tǒng)的控制策略進行了總結歸納，并對儲能技術的研究方向和應用前景做出展望。主要結論如下：

① 儲能技術是解決新能源并網諸多問題的有效途徑，其規(guī)?；瘧萌Q于本身的可靠性和帶來的經濟效益。

② 新能源電力系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置需同時考慮系統(tǒng)技術性能和經濟性能的要求，在滿足不同應用場合技術指標的基礎上，力求經濟指標的最優(yōu)。

③ 儲能系統(tǒng)的控制策略涉及其應用場合多樣性和儲能單元復雜性等多個問題，其可行性、經濟性和有效性是評價策略優(yōu)劣的重要指標。

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艾欣(1964—)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源與電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)分析、運行與控制；

董春發(fā)(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為智能電網優(yōu)化調度，電力系統(tǒng)分析、運行與控制，E-mail：chunfadong@163.com。

(責任編輯：林海文)