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。