电化学储能参与电网安全稳定控制的研究综述

赵鑫，钱本华，王睿，柳虎，翟硕，赵梓亦

（东北大学 信息科学与工程学院，沈阳 110819）

传统化石能源的不断开采和使用带来了很多全球性的问题，例如能源危机、环境污染、气候变暖、资源短缺等［1］。气候变暖和能源危机将深刻影响人类社会的发展。因此，节能减排和可再生能源的使用成为了目前的研究重点［2］。近年来，为实现能源结构的转型升级、低碳可持续发展，我国大力发展清洁能源产业，风电、水电、光伏等可再生能源得到了快速发展，新能源装机容量占比大幅提高；
然而，新能源机组发电具有波动性、间歇性，其并网给电网的安全稳定运行带来了负面影响，同时给电网的调频调峰带来巨大挑战，极大地限制了可再生能源的利用［3］。目前将储能装置应用于电力系统是解决以上问题的有效手段［4］。

本文首先介绍了常见储能技术的概况及其优缺点，以及目前已有的储能工程项目；
然后，分别从频率稳定、静态电压稳定以及暂态电压稳定等3 个方面，研究了电化学储能技术在电力系统稳定控制中的作用，并对研究成果进行了简要说明；
最后，对未来电化学储能技术的发展及应用前景做出展望。

1.1 储能技术类型

储能技术是指利用一些介质或设备将能量存储，并在需要的时候将能量再释放的技术。目前主要储能技术类型包括以下几种。

（1）抽水蓄能：以水作为储能介质，将电力系统负荷低谷期的电能转化为重力势能存储，在电力系统负荷高峰时将重力势能转化为电能［5］。该技术具有高可靠性、高经济性、长运行周期、高容量的特点，常用于电力系统的调频控制和频率控制，但其受自然条件限制较大，且有投资规模大、投资周期长、转化效率低等缺点。

（2）飞轮储能：利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化为飞轮动能。该技术具有能量密度高、运行寿命长、转换效率高等优点，目前国内的相关技术研究仍不多［6］。

（3）空气压缩储能：在电力系统负荷低谷时利用电能将空气压缩到高压设施中进行储能，并在需要时将压缩空气势能释放出来。该技术的优点在于项目资金投入少、运行成本低、安全性高，但缺点在于容易受自然环境的影响且比容量较低［7］。

（4）超导磁储能：将电能转化为电磁能存储在由超导材料制造的线圈中［8］。其优点在于响应速度快、维护方便、转换效率高、污染小，缺点在于超导磁材料价格昂贵，所需的相关设备也较多，投资较大。

（5）电化学储能：主要通过电池内部不同材料间的可逆电化学反应，实现能量的储存，常见的不同类型电池特点见表1。文献［9］对电化学储能以及其他储能技术的技术特征和应用场景做出了总结。电化学储能因具有响应速度快、占用体积小、灵活性高等优点被广泛地应用于可再生能源电力系统的多个环节之中，打破了原有电力系统发、输、配、变、用同步的特性［10-11］。

表1 各类电池的特性对比Table 1 Characteristics of various types batteries

2021 年全球新增储能装机13 091.0 MW，其中电化学储能装机为7 536.2 MW，占比为57.6%，超过新增总量的一半（如图1 所示）。因此，本文着眼于研究电化学储能在电力系统中应用。

图1 2021年各类型储能新增量占比Fig.1 Proportions of new installed energy storage units in 2021

1.2 应用现状

鉴于储能技术的重要性，各国均对该技术加大投入。美国、德国等发达国家在储能技术方面的研究起步较早，并早已有了落地的示范项目［12］。近年来，澳大利亚、印度、意大利等国也相继出台了相关的支持政策，并且无论是政策出台数量还是政策覆盖区域均有所增长。

2012—2021 年全球新增电化学储能规模如图2所示。2021 年全球电化学储能项目的累计装机规模已超过21.0 GW，年增长高达7 536.2 MW，首次突破7.0 GW；
相较于2020 年的装机规模，同比增长了55.4%。图2 中，2018—2021 年的新增装机规模合计为16.9 GW，占比超过10 年新增装机总数的80.0%。预计2025 年电化学储能的年装机量将增至12.0 GW，累计装机容量将到达40.0 GW，并且其中90.0%以上都将是锂电池。为顺利实现2030 年前碳达峰目标，预计2025年后电化学储能装机容量将保持12.0 GW/a以上的增量。

图2 2012—2021年全球年新增电化学储能规模Fig.2 New installed electrochemical energy storage capacities per year from 2012 to 2021

国内对储能技术的研究起步较晚，但由于政策支持，近几年得到了迅速的发展，也陆续有项目落地，如2019 年12 月并网投运的英吉沙光伏电站储能项目。国内外在电化学储能站的运行控制与应用方面已有了较多的实际工程项目，见表2。储能系统在功率输出和能量储存方面具备优良特性，能有效解决新能源并网发电的波动性、间歇性与随机性。2020 年12 月国电投新昌电厂电源侧储能电站项目并网，该项目投产后可参与电网的调频调峰，能够显著改善江西电网对可再生能源的接纳能力。2022年11月周口勇铭储能电站送电成功，该项目能有效改善火电机组系统惯性大、启停困难造成的调节延迟及调节偏差、自动增益控制（AGC）补偿效果差以及风电出力波动大等问题，提升了河南电网新能源消纳水平。

表2 国内外电化学储能项目Table 2 Domestic and international electric energy storage projects

从以上储能项目的落地情况可以看出，国内外对电化学储能在新能源发电和运行控制中的作用十分重视。随着储能电池效率的提高、运行寿命的增加以及制造成本的不断下降，未来会有更多的电池储能项目建成投产。如何利用电化学储能提高电力系统稳定性将是未来国内外学者的研究重点。

2.1 频率稳定

随着新能源容量的增加以及由此带来的高比例电力电子设备并网，使电力系统的惯性降低进而导致电网更容易出现频率波动。储能系统（Energy Storage System，ESS）通过控制电池的充放电以及功率大小，实现对电力系统的快速调节并对电力系统提供频率支撑。

储能系统在充放电能的过程中，通过使用虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术来模拟同步发电机正常运行时的工作特性，为系统惯量进行支撑［13］。VSG 有2 个特性：一是调频特性受调频下垂系数控制［14-15］；
二是阻尼特性受转动惯量系数和阻尼系数的影响。目前，储能VSG 技术的研究重点在控制策略的设计上，通过合理的策略改变下垂系数、惯性以及阻尼系数来提高频率响应特性［16］。同时，在设计控制策略时，要注意惯性系数和下垂系数的配合［13］，系数的调整有时会使系统变得不稳定。文献［17］提出一种使用调频的控制策略，但该方法无需改变惯性系数。文献［18］选择让能量密度大的储能电池承担下垂特性输出功率，功率密度高的储能电池负责惯性特性的输出功率，解决了传统VSG 单一形式储能时会出现的能量密度与功率密度相矛盾的问题。

近年来电动汽车逐渐兴起，其自身所携带的电池也受到储能领域的关注［19］。目前电力系统中配电侧的调频资源不足，导致系统调频难度大。大规模电动汽车所携带的电池为系统调频带来了大规模高灵活性调频资源。根据统计调查，私家汽车每日96%的时间均处于停驶状态，基于此研究人员提出了电动汽车向电网送电（V2G）技术，即将电动汽车的车载电池作为储能装置为电力系统提供服务［20-21］。电动汽车与电力系统相连后将成为电网中分布广泛且容量庞大的分布式电化学储能装置。随着电动汽车的快速发展，有效利用电动汽车车载电池来进行电网的频率调节，发挥其优势为电力系统进行服务，将成为储能的一个重要研究方向。

早在2002 年就有电动汽车参与电力系统调频的相关试验，AC propulsion 公司将一辆电动汽车与加州电网相连，并为电网提供调频服务［22］。在后续对电动汽车参与电力系统运行的研究中，通过计算V2G 业务的收入支出分析其商业模式，得出该服务可获得显著收益的结论。通过仿真验证了在德国用电动汽车辅助调频，每辆汽车可获得30 欧元/月以上的收益［23-24］。之后有研究人员提出了针对不同车辆进行的V2G可用容量评估方法［25］。

研究者通过线性矩阵不等式对车辆的状态进行控制达到电网频率调整的目的［26-27］。文献［28］研究了电动汽车在不同场景下参与电网一次调频的效果。文献［29-30］在考虑电动汽车实际充电需求的前提下，根据汽车接入点的频率偏差提供了分布式旋转备用。文献［31］通过判断不同储能方式的可用容量以及响应特性，提出一种协调控制电动汽车和热泵参与电力系统调频的方法，在该方法下的电动汽车电池充电状态（State of Charge，SOC）将会保持在（85±5）%的范围内。文献［19］考虑到不同电动汽车容量的不同，利用马尔科夫链理论构造了多状态切换下的电动汽车调频控制模型，所提的方法可以快速跟踪电网调频，且可调动功率的范围更宽。文献［32］采用同时提高电能收益和补偿车主电池性能损耗的方式，促进电动车参与调峰的积极性。文献［33］从维持电动汽车电池能量和补给电池能量两方面考虑，提出一种电动汽车参与电网调频的控制策略，但未考虑不同车主用车需求不同而导致的调频容量不同。文献［34］在满足电动汽车车主用车差异性的前提下，提出了电动汽车参与电网调频的控制策略，但只考虑了电动汽车车主个体的差异性，并没有对电动汽车电池容量在满足用户出行需求的前提下的合理分配。文献［35］考虑了不同类型电动汽车参与电网调度时可提供的容量不同，允许荷电状态达到可供调度状态的电动汽车参与电网调频，但是没有将其视作可控负荷参与系统调频。

2.2 静态电压稳定

2.2.1 电化学储能调压调频

电力系统中常用的静态电压稳定性分析的指标有阻抗模、灵敏度以及特征值等。可再生能源的不断接入可能会导致电压越限。传统的投切电容器、有载变压器等调压设备由于机械限制无法快速响应电压波动［36］。电化学储能系统可以通过控制逆变器的有功出力和无功出力来改变电力系统的潮流分布，进而改善系统电压。与传统的调压设备相比，电化学储能调压具有较高的响应速度以及配置更灵活的等特点，尤其是在中低压配电网中的应用特别广泛。

传统用于调频的水电、火电机组均具有各自的限制与不足［37］，而电化学储能设备具有极快的响应速度，而更快的响应速度会使得频率控制更加高效和精准；
同时，相比于传统调频机组，电化学储能调频需要更少的调控容量［38］。电力系统中常用的调频指标为有频率变化率、频率最低点和静态频率偏差［39-41］。文献［42］对比了电池储能系统与传统参与调频的火电机组，25.0 MW 的储能设备的调频效果相当于83.3 MW 的火电机组，由此推算，电化学储能的调频效率约是火电机组的3.3 倍。另外，文献［43-44］分析了储能设备对火电机组的调频效果，结果表明储能调频的效果为火电机组的6～25倍。

2.2.2 优化控制算法

随着储能项目的陆续落地，配电侧的可控设备数量将大幅增加，传统的集中式电力系统电压优化控制在计算成本和计算时间上面临巨大的考验［45］。分散式电压控制为该问题提供了解决的方向：其基本思路是先将整个电力系统网络划分为几个集群，并让集群内的各个节点相互强耦合而与其他集群中的节点松散耦合；
另外，在每个集群中都设有一个本地的控制器，可以采集集群内所有设备的信息并控制该区内的电压。这种控制方法不但可以实现每个集群内部的最优化，还可以实现最优在不同集群间的灵活协调。这种控制方法适用于运行条件复杂的大规模配电系统［46］。有学者通过建立基于电气距离划分的储能集群，根据先集群后节点以及越限严重的集群优先这2 条基本原则，提出了一种分布式储能集群调压控制策略［47］。文献［46］提出了一种新的集群划分指标，并使用考虑电动汽车接入工况下多时间尺度网络动态聚类算法，结合模型预测算法（Model Predictive Control，MPC）对集群内的区域电压进行优化。文献［48］考虑到储能具有四象限运行的特性，利用PV 曲线对储能容量以及配置地点对静态电压稳定的影响，提出利用节点静态电压稳定裕度和系统风电并网容量值来确定储能配置地点以及容量。

在解决静态电压稳定问题时，分布式储能的调压策略需要与传统的调压策略相结合，还要与逆变器电压控制策略相协调［49］。在采用分散式电压控制时，集群的划分指标需要考虑对应电网的网络拓扑结构、电压灵敏度以及系统的调节能力，并由此来确定调压的关键节点。

2.3 暂态电压稳定

由于电力系统中并网逆变器的无功支撑有限，会出现当系统故障时，系统动态无功支撑能力不足的情况，进而使系统暂态电压稳定性面临巨大挑战。当配电网发生故障时，节点电压大幅度跌落，可能导致系统中的风机、光伏脱网。电力系统中常用的暂态电压稳定性分析指标有电压跌落幅度、极限切除时间以及电压恢复情况等［50］。电化学储能站作为一种优质的调压资源，可以有效辅助电网快速调压并提供动态无功支撑，显著提高电网电压的调节能力和运行的灵活性［51-52］。目前已建成并具有电压调节能力的电化学储能项目有美国加州250.0 MW 的Gateway 储能项目。在电压恢复过程中，无功补偿装置的滞后性会导致电压快速上升，进而会导致风电、光伏等新能源机组因暂态过电压而脱网。而分布式电化学储能可对上述问题进行一定程度的改善并提高新能源并网发电系统的高电压、低电压穿越能力。文献［53］通过研究暂态电压稳定机理建立了暂态过程中电压稳定裕度评估量化模型，进而得出一种用于提升暂态电压稳定性的光–储联合协调控制策略，提高了系统的暂态电压稳定性。文献［54］提出了一种基于混合储能相互协调的暂态过电压稳定控制的策略，通过使用超级电容器来优先响应电压的暂态波动，实现快速吸收直流侧的不平衡功率。蓄电池在无功补偿状态工作时可以抑制母线电压波动，提升了新能源机组的高电压穿越能力。

当系统受到大的扰动时，电压在调整过程中可能会因为系统的负阻尼特性而出现长时间的振荡。基于此，有研究者提出利用储能系统提升系统阻尼的方法来消减电压的振荡。文献［55］通过在储能控制环节引入虚拟电阻来对系统阻尼进行调整，进而达到抑制系统暂态电压振荡的效果，提高了系统的稳定性［53］。

相比于静态电压稳定控制，暂态电压稳定控制更为复杂。目前对于新型电力系统配电网暂态电压特性机理层面的研究还较少。并且暂态电压的稳定与其控制方法有极大的关系，而传统的控制方法，例如比例积分（PI）控制具有一定的局限性：该方法的鲁棒性较差，易受到不确定因素的干扰，当系统阻尼不足时可能会发生电压振荡。目前，新的控制方法（如双闭环的滑模控制、模型预测等）将是未来一段时间内研究的重点方向。另外，将储能与各个类型调压设备进行协调配合，也是提升电压稳定性的有效手段。文献［56］提出计及风电不确定性问题对无功电压优化，对连续无功补偿设备出力计划。文献［57］提出了光伏高渗透的配电网有功功率/无功功率协调控制方法，通过长短时间尺度上滚动优化求解有功/无功出力。文献［58］中增加了实时反馈矫正环节，通过对各个可调控设备进行反馈矫正，减少投切次数，降低损耗，提高协调优化的精度。

3.1 小结与建议

（1）电化学储能技术是未来能源结构转变和电力生产消费方式变革的重要支撑，在国内外发展迅速。电化学储能技术可以解决可再生能源发电的间歇性和随机波动性问题，有效缓解高峰负荷供电的需求，提高现有电网设备的利用率和电网运行效率；
还可以应对电网的突发性故障，提高电能质量，满足经济社会发展对优质、安全、可靠供电的要求。

（2）目前，电化学储能参与电网调频的主要问题基本得到了解决，但仍需在保证储能响应频率偏差快速性的同时保证储能运行的安全性、经济型。尤其是对于V2G 技术而言，主动抑制电池老化具有重大的研究价值。

（3）对电压稳定而言，分布式储能调压策略的优化是关键。一方面，集中式控制方法计算效率低、控制不灵活，难以适应海量分布式储能调度要求。建议采用分散式控制策略协调各分布式储能。另一方面，建议整理不同区域的电气特性，制定合理的集群划分指标，将区域划分为不同的集群，并合理选择储能配置地点和容量。

（4）对暂态电压稳定而言，分布式储能能够在短时吸收大量暂态能量，提高新能源机组的并网能力以及微电网的暂态稳定性。但这也给分布式储能控制提出了更高的要求，控制策略不当、系统阻尼不足可能会引发电压振荡。建议利用储能对系统阻尼进行适当调整，并进一步改进储能系统的暂态电压稳定控制策略；
建议储能系统与并网逆变器协调提升系统的动态无功支撑能力。

3.2 展望

在可再生能源日渐成为未来能源消费主力的同时，配电侧安全稳定问题逐渐显现，主要表现在：系统惯量不足且频率特性复杂，导致系统调频难度增加；
节点电压因潮流逆流出现电压越限；
另外，暂态电压的稳定性较差容易导致新能源脱网、电压振荡等问题。

暂态稳定控制可通过概率稳定评估实现电源投退、负荷投退、故障等大扰动时动态调控频率和电压，这是未来研究提高暂态稳定性的一个重要思路，但目前该方法在微电网中的实际应用很少。如何在具体环境下有效使用暂态稳定控制值得继续研究。另外，随着电动汽车的不断增加，随之到来的谷峰差可能继续增大，关于电动汽车的集群管理以及最近兴起的电动汽车换电站的集群管理将变得非常重要，协调控制具有移动特性的电动汽车必然需要有强大的集控系统。随着大量电动汽车入网，需要物联网平台以及云计算技术结合多层次、多终端、大数据、云处理等手段来解决海量数据的处理问题，以求实现全局最优。在满足使用者所需电量要求的同时，减轻电网的负担，并适当参与电力系统的调频、调峰等任务。最后，现阶段配电侧分布式储能应用场景仍存在局限性且考虑目标单一，加强多元分布式储能在多场景、多目标下应用也是未来的发展趋势。

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