电力储能技术及应用

本书是“十三五”国家重点出版物出版规划项目、国家科学技术学术著作出版基金资助出版项目！

本书关注电力储能系统及其应用技术，凝聚了作者近年来在电力储能、分布式发电、微电网及智能电网等领域的理论积累与实践经验。

本书关注电力储能系统及其应用技术，凝聚了作者近年来在电力储能、分布式发电、微电网及智能电网等领域的理论积累与实践经验。全书分为3篇，第1篇为概论，面向电力系统的变革性发展，分析了储能应用于系统调频、调峰、可再生能源消纳、输配电阻塞管理、分布式发电与微电网等的作用，介绍了目前典型储能的技术原理与应用发展态势。第2篇重点介绍了电池和飞轮储能的系统构成、电网接入拓扑及其控制技术，分析了复合储能的理论基础与控制方法，以及储能大数据分析方法与应用。第3篇分析了基于储能的微电网双模式运行与对等控制方法，储能应用于可再生能源发电波动平抑与调频调压特性改善的方法，以及基于储能的虚拟电厂优化调度方法。

本书旨在从电力系统的未来发展出发，为储能技术和电力系统之间搭起一座桥梁，以适宜的储能，更好的技术经济性，满足电力系统的应用需求。本书可供电气工程、新能源发电、智能电网等相关领域的工程技术人员，以及高等院校相关专业的师生阅读使用。

唐西胜，博士，中国科学院电工研究所研究员，博士生导师，IEEE高级会员。长期致力于电力系统稳定与控制、分布式电力与储能、交直流微电网等方面的研究与产业化工作。

目录

前言

第1篇概论1

第1章储能在电力系统中的作用3

11参与电力系统辅助服务3

12参与电力系统调峰5

121常规调峰手段5

122用户侧储能调峰6

13提高可再生能源发电消纳能力8

131改善可再生能源发电特性8

132通过时移消纳弃风弃光9

133提高电力系统的供电充裕度10

14延缓输配线路升级改造11

15分布式发电和微电网13

16主辅结合，展现储能多重价值14

第2章主要电力储能技术16

21抽水蓄能16

22压缩空气储能17

23电化学储能18

24飞轮储能21

25超级电容器22

26超导储能23

27其他24

第2篇电力储能系统25

第3章电池储能系统27

31电池储能系统组成27

32储能PCS主电路拓扑32

321基于△/变压器拓扑33

322三单相变压器组合式拓扑33

323基于直流母线分裂电容拓扑34

324三相四桥臂拓扑34

325基于级联H桥的中高压拓扑34

33储能PCS控制技术35

331PCS数学模型36

332V/f控制45

333PQ控制46

334下垂控制47

目录电力储能技术及应用第4章飞轮储能系统50

41飞轮储能系统的结构50

42飞轮储能系统的主电路拓扑51

421主电路拓扑51

422永磁同步电机数学模型52

423电机侧控制器参数设计与稳定性52

43飞轮储能系统的运行控制55

431并网准备55

432并网运行56

433飞轮储能实验56

第5章复合储能系统66

51复合储能的提出66

52复合储能系统模型与分析67

521复合储能系统建模67

522功率能力的提高69

523内部损耗的降低72

524运行时间的延长75

53复合储能的控制策略76

531直接并联复合储能系统76

532通过电感器并联复合储能系统77

533有源式复合储能系统78

54复合储能应用案例81

第6章储能系统的大数据分析86

61大数据技术及其在储能中的运用86

62储能系统的数据分析88

621铅碳电池89

622BMS数据91

623PCS数据94

624储能系统数据采集及数据特点97

63基于聚类的储能系统数据分析方法98

631储能大数据分析思路98

632聚类算法介绍99

64储能大数据应用案例104

641数据预处理104

642数据清洗105

643初步统计107

644聚类的预处理——权重分配109

645聚类的预处理——手肘法确定聚类数112

646k-means聚类结果115

647电池健康状态分化120

第3篇储能在电力系统中的应用125

第7章储能在微电网中的应用127

71微电网中储能的作用和微电网的主要应用形态127

711微电网中储能的作用128

712微电网的主要应用形态131

72基于储能的微电网并/离网控制132

721并网运行控制133

722离网运行控制134

723并/离网切换控制142

73基于储能的微电网对等控制146

731对等控制146

732改进下垂控制148

733主从下垂控制158

74微电网应用案例163

第8章储能用于可再生能源波动平抑166

81风电功率波动特征及其影响分析166

811风电功率波动特征分析与建模166

812风电功率波动对系统频率和电压的影响175

813风电功率波动对系统低频振荡的影响181

82储能平滑风电有功功率波动187

821多类型储能平抑风电功率波动的总体架构188

822基于一阶低通滤波器的储能控制189

823基于模型预测控制的储能控制194

第9章风储联合参与系统调频调压204

91风储联合参与系统调频204

911电力系统调频204

912风电机组调频207

913储能参与风电调频211

914风储联合调频控制212

92风储联合参与系统调压214

921电力系统调压214

922风电机组调压216

923风储联合调压控制219

93风储联合参与系统调频调压220

931风储联合调频调压方案220

932风储联合调频调压控制策略222

933风储联合调频调压案例224

第10章基于储能的虚拟电厂231

101虚拟电厂概述231

102虚拟电厂资源模型234

1021可控电源模型234

1022不可控电源模型235

1023可中断负荷模型236

1024储能系统模型236

1025其他资源237

103考虑不确定性的VPP优化调度237

1031两阶段分布鲁棒优化模型238

1032求解算法241

1033虚拟电厂案例242

参考文献247

前言

电力系统稳定与高效运行的关键，是要处理好能量的瞬时平衡与时空协调，由于可再生能源发电的规模化接入显得尤为突出，而储能则是维系这种平衡与协调的重要手段。近年来多种新型储能技术逐步实用化，如先进抽水蓄能、新型压缩空气储能、锂离子电池、铅碳电池、液流电池、钠硫电池，以及飞轮储能和超级电容器等，它们具有各自独特的技术经济特点，大大丰富了电力储能技术的内涵，也为其应用增添了更多选择。

目前关于储能应用于电力系统的研究、示范和运营越来越多，多种储能技术及其系统正在其适宜的领域不断完善。但由于电力储能系统涉及多学科和专业，如何根据不同的应用需求选择适宜的储能技术、设计合理的应用系统，并实现高效调控，是提高其技术经济性的重要保证。

本书从电力系统应用需求出发，介绍了典型的电力储能技术、系统组成、控制架构，结合储能在微电网、虚拟电厂、可再生能源发电波动平抑与调频调压等方面的应用，重点从系统设计、运行控制等方面展开分析，并给出了储能大数据分析及应用方法。