中国储能网讯：内容

1 简介

2 输电应用的选址和选型方法

3 作为输电资产的储能 (SATA)

4 配电应用的选址和设计

5 技术经济比较分析方法

6 储能可选方案的估值

7 控制系统建模和调整

8  案例研究

参考文献

1 简介

储能越来越吸引政策制定者、监管机构、项目开发商和电力公司的兴趣。这些模块化资产不仅可以快速注入和吸收电网的无功功率，还可以快速注入和吸收电网的有功功率，使其在从发电厂到消费者的电力价值链中可普遍发挥作用。美国能源部和桑迪亚国家实验室 [1] [2] 发布了服务于多类利益相关方的 17 个储能应用的汇总列表：电表后 (BTM) （小刘：用户侧）、配电、输电、发电和电力批发市场，如图 1-1。随着储能用到的化学原材料价格的下降和供应链的进一步开发，与传统解决方案相比，储能应用正变得越来越经济。本节的重点是储能在输配电 (T&D)中的应用。

图 1.1 储能提供的多达 17 项服务

根据基尔霍夫定律，输配电线路上的潮流取决于功率流入和流出的位置和功率大小、线路的阻抗和电网拓扑结构。为了保持电力系统可靠性，避免违反系统运行准则中的一项或多项，例如线路的电流过载、电压越限、动态或瞬态不稳定性、闪烁、谐波失真或正常系统运行期间的次同步谐振运行条件或应对一组预选的计划突发事件，功率流入和流出受到约束。一个典型的例子是将两条平行输电线路上的电流之和限制在任一线路较低的紧急额定值之内，以避免在其中一条线路突然停运时另一条线路出现过载。在大多数系统中，这种运行理念事实上导致输电线路的平均负载与其额定值的百分比在任何时候都需要低于 50%。这些对功率流入和流出的约束虽然必要且慎重，但这会产生巨大的经济代价。很多时候，它们受到偶发的负载情况的限制，这类负载情况在一天或一个季节中可能仅仅持续几个小时。

储能可以在其设计和运行限制范围内注入和吸收电网功率，因此，如果位置合适，可以通过储能在偶发的负载情况或事故后吸收多余功率或供应不足功率来帮助提高电网应对事故的能力。人们应该意识到，如果系统过载水平或持续时间很高，与其他传统解决方案相比，储能将不再是一种可行的技术或经济解决方案。

当配备四象限逆变器时，储能系统在注入和吸收有功功率时可实现快速动态响应，无功功率及其随时可用的能量储备（尽管有限）可以帮助系统规划人员减少拥塞节点位置受热限制、稳定性限制或电压限制的输电限制。它还可以减轻配电网中太阳能间歇性的影响，从而提高分布式能源 (DER) 的自主能力，并在需要时提供差异化的可靠性或弹性电网服务。一个适当大小和选址的储能系统可以提供多种电网可靠性和效率服务，同时促进公共政策举措，如图 1-2 所示。

本文的目的是提出分析方法，以帮助输配电规划人员正确检查储能作为非电线解决方案 (NWS) 的技术和经济效率，以解决电网可靠性和电网性能问题。重点将放在选址、规模、收入的累计和技术经济寿命分析上。本文的范围不包括其他重要的规划方面，例如控制系统设计，包括测量信号的选择和控制器参数调整，以及保护系统设计和继电保护设置。

图 1.2 储能系统在电网可靠性和市场效率方面的优势

1.1 储能作为输配电资源的战略价值

电力系统本质上管理起来很复杂。能源的即时生产、传输和分配需要主要在发电厂、输配电网、负载和监控中心的多层自主保护和控制系统，以确保在这个大规模的即时交付质量的时代电力系统。储能可以适当调整规模并进行管理，从而为现有系统增加战略价值，如下所示：

通过功率流入和流出的时间转移来提高现有输配电线路的利用率，以减少系统过载，从而提高潮流的允许值。

提供极大的灵活性，帮助电网逐步走上现代化道路，以经济地适应新形式的间歇性能源和消费模式。

利用储能的模块化来降低电网投资的风险，尤其是在规划不确定性日益增加和审批过程冗长的情况下。

1.2 储能如何影响系统可靠性？

储能在其与电网互连点 (POI) 快速注入和吸收功率，从而改变输配电线路潮流。潮流可以在某些区段上增加而在其他区段上减少。同样，当配备四象限逆变器时，储能能够注入和吸收无功功率，因此可以增加或减少母线/节点电压。如果储能系统位于电网内，它们可以减少过载线路的潮流和/或将母线/节点电压置于可接受的工作范围内，那么它们可以提供电网可靠性服务并用作电网资产来替代或补充常规资产。然而，由于逆变器的过电流额定值有限，在低压或短路情况下，基于逆变器的电源提供的无功功率与传统旋转设备提供的无功功率相比要显著降低。此外，对于具有高水平可再生发电资产取代传统发电资产的系统，储能系统可以额外提供其他基本可靠性服务，包括：

•将频率变化率 (RoCoF) 限制在规定的惯性频率响应限值内

控制频率偏移的一次频率响应而不触发减载方案

增强电网的短路强度，使基于可再生能源逆变器的电网能够正常运行

减轻可再生能源逆变器的潜在闪烁问题。

1.3 储能系统充电还是放电会影响电网可靠性吗？

过度的负载增长或发电渗透率（例如，可再生能源）可能会引发电网的热问题和电压越限。对于主要由过载导致的电网事故，在放电模式下运行储能是有帮助的，而对于主要由超发驱动的电网违规，充电模式是有帮助的。在具有多个电网热问题和电压越限的一般环境中，可能需要一个或多个协调储能系统，其中一些在放电模式下运行，而另一些在充电模式下运行，可能需要有效解决这些电网可靠性问题。

1.4  需要多少容量的能量？

所需储能容量水平最明显的初始动机是线路每小时的过载情况。过载越高，应充电或放电的功率则越大；而过载的持续时间越长，储存能量的规模就需要越大。

但是，还有有一个不那么明显的动机。就储能性质而言，是是一种能量有限的资产，因此，如果它被要求放电以满足电网需求（或者如果它已经充电以满足电网需求，则应该放电），如果在电网容量充足的情况下没有充电，由于储能系统充电同样会增加电网的负载，容量不足可能会引发电网违规。在某些情况下，这些对储能系统再充电时间的可靠性限制会导致对更高的能量容量要求。例如，如果在连续五天的时间里，每小时的负荷预测很高，需要储能系统每天放电6个小时来削减负荷，但在每天剩余的时间里，只能对储能进行充电释放能量的一半，那么储能容量将不得不扩大到每日能量释放需求的3.0倍。在第一个高峰日，储能将以 3.0 倍的容量进入峰值负荷期，然后以2.5倍的容量进入第二天，第三天以2.0倍，第四天1.5 倍，第五天1.0 倍。储能应设计为具有足够的能量容量以渡过过载持续时间或提供充足时间直到电网运营商完成负载切换或实施新的发电调度。

1.5 储能系统能否增加电网输送或自治容量？

与传统输配电线路不同，储能不会创造新的电网容量。相反，它利用每小时的负荷和可再生能源断面来最大限度地利用现有电网容量。输电系统通常在预计停电时负荷减半运行，以避免在重新调度发电之前输电电路过载的风险。这是由于输电网中自动控制的固有有限可用性，例如线路切换。储能提供了必要的控制，以将电网负载或传输限制增加到但不超过热限制。同样，在配电网络中，储能可以削减峰值负载，减轻逆流和间歇性的影响，从而增加自治容量。

1.6 储能系统何时可以提供其他服务？

电网违规可能发生在正常或完整 (N-0) 电网运行期间，但更普遍地发生在电网突发事件下（例如，N-1 或 N-1-1）。这些电网违规通常是季节性的（例如，夏季高峰或春季非高峰），因此，储能资产提供电网服务的需求通常是不常见的和季节性的。例如，一个冬季高峰期的公用事业公司可能会在冬季期间预测几个小时或几天，届时该公用事业公司的可靠性标准将被违反。缓解电网违规的 MW 和 MWh 储能容量要求将每小时变化，具体取决于这些违规的程度。可以优化存储资产的操作以提供市场服务，例如容量或辅助服务，和/或在电网可靠性不需要全部储能容量时向本地主机提供服务，例如备用电源。这种价值堆叠能力是存储系统的一个重要特性，可以帮助抵消其成本。但是，就优先级而言，可靠性是首要功能并具有优先权，而收益叠加是次要功能，可在可靠性需要允许时加以利用。

1.7 储能规划分析技术

由于分布式能源 (DER) 和可变可再生资源 (VER) 的激增，输配电电网中潮流的可变性和不可预测性增加，这增加了电网规划的复杂性，因此需要开发更先进的分析工具和流程。假设可调度集中发电资源和配电网单向潮流的传统容量规划正在让位于旨在确保在遵守可靠性标准的同时可以实现成功集成DER和VER的性能规划。仅仅在有限数量的运行时刻快照（例如，夏季高峰期或春季非高峰期）检查电网性能的传统做法不再适用，在许多情况下，更复杂的每小时（例如，一年共计8760点）系列电力潮流和应急分析是必需的。可再生能源发电曲线和负载曲线的可变性及其不确定的匹配可能需要使用概率分析，例如围绕8760时间序列分析的蒙特卡罗模拟。此外，在发电或负载任一侧的系统事件发生后，输配电网上基于逆变器电源 (IBR) 之间的动态相互作用正日益推动对集成输配电分析的需求。

一方面，与传统输配电线路被动执行、无时间限制、无主动控制以增加传输容量不同，储能提供类似容量增加但时间窗口有限的核心功能，这需要主动监控来协调和管理其输电能力。实现有功和无功输出放电和充电状态，另一方面，在部署在负载中心附近和地理位置偏远的电网应用时，储能的占地面积、模块化和潜在的可移动性是一个显著的优势。对储能作为传统电线解决方案的替代或补充进行适当分析，不仅应探索储能的核心功能，还应探索每种技术和支持系统固有的灵活性和脆弱性，以及它们降低资本投资风险的能力。这使得规划面临越来越多的不确定性。

对于成功规划储能作为电网资产至关重要的六个关键方面：

选址

选型

收入累计

技术经济寿命对比分析

控制系统信号与中继的调谐

保护系统设计与设置

在本基础知识中，针对前四个方面的每一个方面提出了一种方法，以及应用和案例研究。第 2.1 节和第 2.2 节分别介绍了输电网应用的选址和选型分析方法和公式。随后在第 3.1-3.4 节中给出了在市场效率、电网可靠性、可再生能源并网、子输电系统中断和负载备用应用中使用选址和选址方法的代表性示例。第 4 节介绍了用于配电网应用的储能选址和选型的方法和示例。第 5 节介绍了技术经济比较分析方法，而第 6 节介绍了评估储能可选性的技术。第 7 节提供了电力系统分析工具中的储能建模，用于稳态、稳定性和瞬态分析应用。此外，第 8 节提供了三个案例研究，说明了储能作为 NWA 的应用；第一个案例研究侧重于传输可靠性应用；第二个关于配电可靠性的应用；第三个关于将风能资产并入输电网的问题。第 8.2 节中的第二个案例研究详细介绍了收入累积。

1.8 输电可靠性标准

输电网规划必须符合最低的性能标准，例如北美的 NERC TPL-001-4。性能要求确保在规划范围内，大容量电力系统 (BES) 将在广泛的系统条件下可靠运行，并遵循表 1.1 中总结的各种可能的突发事件。根据 NERC TPL-001-4 标准的应急分类可以总结如下：P0 是完整系统（N-0）；P1为单一元件失效（电路、发电机、变压器、分流装置）；P2也是单一元件失效（线路分段、母线、断路器）；P3是发电机失效一段时间后第二个元件失效（N-1-1），P4是多元件失效（断路器拒动），P5也是多元件失效（继电保护故障清除延迟）失效）; P6 是单个元件（线路、变压器、分流装置）失效后的另一个单个元件（N-1-1）失效，P7 是多个元件（一般结构）的失效。

表 1.1 NERC TPL-001–4：P1–P7 类别