儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉麾　徐恩慧

摘要：在我國進入21世紀快速發(fā)展的新時期，國內(nèi)高速發(fā)展的經(jīng)濟使得各行業(yè)對能源的需求量激增，火力發(fā)電等傳統(tǒng)發(fā)電方式為國家的可持續(xù)發(fā)展帶來了較大壓力，新能源電力系統(tǒng)的研究與應(yīng)用成為電力行業(yè)發(fā)展的重要方式。為了實現(xiàn)對風能、太陽能等新能源的高效應(yīng)用，儲能技術(shù)成為電力企業(yè)的重點研究技術(shù)內(nèi)容，相關(guān)企業(yè)希望通過高效的儲能轉(zhuǎn)化技術(shù)為電力系統(tǒng)的可靠運行提供支持，推動新能源在電力系統(tǒng)中的可靠應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：儲能技術(shù);新能源;電力系統(tǒng);應(yīng)用;研究

引言

儲能技術(shù)的應(yīng)用能夠存儲風電系統(tǒng)發(fā)電電力，根據(jù)電力供應(yīng)情況進行充放電，起到調(diào)峰效果，使電力系統(tǒng)更為穩(wěn)定，并減少資源浪費。基于此，本文首先闡述了常見儲能技術(shù)類別及其特點，指出風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的具體應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上展望儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的未來應(yīng)用前景，旨在深入探討儲能技術(shù)在風電系統(tǒng)中的應(yīng)用價值，以供參考。

1研究背景

通過對新能源電力系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實踐成果進行調(diào)查，總結(jié)出該系統(tǒng)具備以下幾個方面的關(guān)鍵特征：（1）高滲透性。我國新疆、甘肅等地區(qū)已經(jīng)較好地實現(xiàn)了對新能源的集中應(yīng)用，而在未來一段時期內(nèi)，新能源電力系統(tǒng)也必將在我國部分地區(qū)獲得集中式的發(fā)展。（2）基于側(cè)向供應(yīng)的多能源互補性。該特征的具體呈現(xiàn)可分為兩個方面：①通過運用恰當?shù)募夹g(shù)手段，對太陽能、風能等清潔能源進行充分利用，可在很大程度上避免電力供應(yīng)中出現(xiàn)的能量波動問題。②在新能源電力系統(tǒng)中融入先進技術(shù)的應(yīng)用，可實施對用戶用電情況的實時化監(jiān)測和信息獲取，根據(jù)實際用電狀態(tài)去調(diào)整電價的變動。（3）隨機性和波動性。新能源電力系統(tǒng)在運行期間，受到新能源集成作用的影響，會產(chǎn)生不同程度的震蕩效應(yīng)，繼而威脅到系統(tǒng)運行的安全性。

2儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

2.1蓄電池儲能技術(shù)

蓄電池儲能技術(shù)為傳統(tǒng)化儲能手段，經(jīng)長期開發(fā)與探索，蓄電池儲能出現(xiàn)多種類型，并在多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著蓄電池儲能的發(fā)展，電池存儲容量逐漸提升，大幅度提高了蓄電池應(yīng)用價值。（1）鉛酸蓄電池。該類蓄電池存儲容量已達20MW，遠超蓄電池初期發(fā)展水平，因鉛酸蓄電池可靠性高、制作成本低、環(huán)境要求低，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)中較為常見。鉛酸蓄電池在環(huán)保與資源再利用方面存在劣勢，當鉛酸蓄電池使用壽命結(jié)束后將不具備任何用途，且鉛酸蓄電池在降解期間無法無公害化處理，若處理不當則會污染環(huán)境，與新時代生態(tài)環(huán)保理念相悖。（2）鎳氫電池。該類電池最早于2008年在北京用于混合電動車，在實際應(yīng)用期間發(fā)現(xiàn)，鎳氫電池能量轉(zhuǎn)化情況與周圍環(huán)境存在緊密關(guān)聯(lián)，即受環(huán)境影響大。若在電流較小的情況下，放電時的能量密度至少為80kWh/kg，但若電流較大，放電時的能量密度降至40kWh/kg。（3）鏗離子電池。該類電池同樣受環(huán)境影響較大，且制作工藝復雜，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)不適用。（4）全釩液流電池。汞在電解液環(huán)境中將產(chǎn)生化學反應(yīng)，在電極表面進行氧化還原，繼而完成蓄電池的充放電。在釩液流電池實際應(yīng)用期間，其高效率、低成本的特點逐漸被業(yè)界關(guān)注，現(xiàn)已取得一定成效。

2.2分布式儲能系統(tǒng)放電模式控制策略

在放電模式中，儲能系統(tǒng)可以根據(jù)分時電價數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)在電價高峰期、尖峰期進行無功補償或放電。在第一個電價的尖峰時刻中，儲能系統(tǒng)需要盡最大能力滿足負荷側(cè)用電需求。在負荷側(cè)功率超出儲能系統(tǒng)額定功率的情況下，系統(tǒng)以額定功率輸出，反之則以負荷側(cè)功率輸出。在第二個電價的尖峰時刻中，儲能系統(tǒng)需要根據(jù)容量剩余情況盡可能滿足負荷側(cè)的用電需求，相關(guān)要求與第一次尖峰時刻相同，但在容量低至下限時需斷開儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接，負荷側(cè)的功率需求轉(zhuǎn)由電網(wǎng)滿足。在電價的高峰時刻，負荷側(cè)的電能需求由儲能系統(tǒng)以及電網(wǎng)共同滿足，雙方各自滿足50%的功率要求，在實際應(yīng)用時，如果儲能系統(tǒng)額定功率比50%的負荷測需求功率高，則系統(tǒng)以50%的負荷測需求功率輸出，電網(wǎng)輸出功率與儲能系統(tǒng)一致;如果儲能系統(tǒng)額定功率不滿足負荷側(cè)50%的功率需求，則儲能系統(tǒng)以額定功率輸出，電網(wǎng)以負荷側(cè)功率需求與儲能系統(tǒng)額定功率的差值功率輸出。在第二個電價高峰時刻，電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)分別承擔負荷側(cè)功率需求的70%與30%，后續(xù)若仍有電量剩余可參考第二個尖峰時刻的運行模式為負荷側(cè)供電。

2.3儲電網(wǎng)運行技術(shù)

相較于一般儲能電站的運行，儲電網(wǎng)運行更加關(guān)注內(nèi)部各儲能電站的協(xié)同和作為整體對電力系統(tǒng)的支撐。對內(nèi)來說，儲電網(wǎng)需要協(xié)調(diào)其內(nèi)部各儲能電站的運行來響應(yīng)系統(tǒng)需求?，F(xiàn)有儲能運行過程中，常針對系統(tǒng)某一信號（如頻率、電壓等），根據(jù)自身控制策略作出響應(yīng)。然而，從系統(tǒng)角度來看，不同儲能電站的響應(yīng)行為可能會互相抵消，如充放電對沖，造成調(diào)節(jié)資源的浪費。因此，如何在滿足各儲能電站自身的運行目標的同時，協(xié)調(diào)其各自的響應(yīng)動作，發(fā)揮儲電網(wǎng)的規(guī)模效應(yīng)，提高整體利用效率，將是儲電網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。對外來說，儲電網(wǎng)需要合理分配其調(diào)節(jié)能力來參與不同類型系統(tǒng)服務(wù)。相比于現(xiàn)有社區(qū)共享儲能、儲能聚合商和云儲能等儲能發(fā)展形態(tài)，儲電網(wǎng)具有體量更大、分布范圍更廣的特點，面向大電力系統(tǒng)提供服務(wù)的能力更強，能夠更加深入地參與到系統(tǒng)范圍的調(diào)峰、調(diào)頻、備用、潮流調(diào)控等場景中。因此，如何協(xié)調(diào)儲電網(wǎng)參與不同類型系統(tǒng)服務(wù)，實現(xiàn)其多場景融合運行，降低儲能資源的閑置率，最大化地發(fā)揮其價值，將是儲電網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.4實時預(yù)測系統(tǒng)

近年來，我國可再生能源的消耗量正在逐漸增加，為推動新能源發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展，維護電網(wǎng)的運行安全，必須做好新能源開發(fā)和調(diào)度方面的工作。在這方面，相關(guān)企業(yè)需要將重點放在新能源調(diào)度技術(shù)的優(yōu)化上，盡快建立起先進的、完善的風電機組仿真模型，設(shè)置新能源并網(wǎng)發(fā)電及監(jiān)測管理系統(tǒng)，實施對整個發(fā)電、送電流程的實時化監(jiān)控，方便及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的安全隱患。另外，要注重增強各區(qū)域電網(wǎng)之間的連通性，確保新能源的及時調(diào)度和利用，一方面降低新能源電力系統(tǒng)的運營成本，減少企業(yè)的經(jīng)濟損失，另一方面提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制能力，使綠色能源得到合理的運用。同時由于新能源電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)較為復雜，為增加系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)性，還應(yīng)加強云計算技術(shù)的科學使用，從而全方位地預(yù)測和分析電力系統(tǒng)的運行狀況，讓新能源輸電安全有保障，為廣大用戶提供更優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

2.5雙電池儲能

現(xiàn)階段主要有兩種緩解風電功率波動的方式，即借助儲能裝置與功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用儲能裝置，但無法確保風能采集應(yīng)用效果，而運用儲能裝置搭建儲能系統(tǒng)，能夠良好采集風力發(fā)電量，通過電能存儲，為電網(wǎng)輸送穩(wěn)定電能。電池儲能效果優(yōu)異，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來，電池儲能技術(shù)發(fā)展迅速，為延長電池儲能裝置使用壽命而提出雙時間尺度協(xié)調(diào)控制的方式，用于控制風電功率波動，確保電池儲能裝置能夠在風電系統(tǒng)中發(fā)揮良好作用。此外，為縮減系統(tǒng)運行成本而出現(xiàn)了大型電池儲能裝置，由多個電池組成，通過雙層控制方式調(diào)節(jié)風電功率波動，并配置不同電池儲能單元的功率，在此基礎(chǔ)上，逐漸出現(xiàn)了雙電池儲能技術(shù)，由兩個電池裝置構(gòu)成，分別用于充電與放電，當實際風電功率高于電網(wǎng)調(diào)度功率時，充電電池將始終保持充電狀態(tài)，當實際風電功率低于電網(wǎng)調(diào)度功率時，充電電池將停止工作，而放電電池進入工作狀態(tài)，兩個不同功能的電池充放電狀態(tài)根據(jù)實際風電功率而切換，因狀態(tài)切換由兩個電池單獨進行，可避免單個電池裝置進行狀態(tài)切換的弊端，相較于單個電池裝置，能夠有效延長電池儲能裝置使用壽命，并優(yōu)化調(diào)度功率，使不穩(wěn)定性風電能夠持續(xù)化送入電網(wǎng)。

2.6物理儲能

物理儲能包括壓縮空氣、飛輪以及抽水儲能幾種類型，能夠以物理能的形式存儲電能，在實際應(yīng)用時，電力企業(yè)通?？梢越Y(jié)合發(fā)電類型、環(huán)境現(xiàn)狀等合理選擇儲能方式，實現(xiàn)對能源的高效應(yīng)用。抽水儲能雖然儲能容量較高，但是該技術(shù)容易受環(huán)境限制，在環(huán)境位置不合適的情況下往往會消耗更多的應(yīng)用成本，該技術(shù)在風力資源豐富的西北地區(qū)缺少應(yīng)用的環(huán)境基礎(chǔ);飛輪儲能主要是將電能存儲為機械能，雖然具有較高的功率密度，但是缺少足夠的能源存儲量，在磁懸浮、材料相關(guān)技術(shù)的限制下，該技術(shù)難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用;壓縮空氣儲能與抽水儲能類似，對環(huán)境要求高，通常需要在密封良好的空間內(nèi)使用，其建設(shè)快且造價低，但是在儲能效率方面存在欠缺。

2.7以抽水蓄能為主體構(gòu)建電力系統(tǒng)儲電網(wǎng)

結(jié)合我國儲能發(fā)展現(xiàn)狀和前述抽水蓄能的發(fā)展優(yōu)勢，本文提出以抽水蓄能為主體，電化學儲能等新型儲能輔助的方式建立電力系統(tǒng)儲電網(wǎng)，特指各大中小型儲能電站，以及連接它們的輸配電線路。儲電網(wǎng)的核心在于有功功率的全網(wǎng)統(tǒng)一性，即有功功率是作用于電力系統(tǒng)整體功率平衡，儲能并不局限于解決某一節(jié)點的問題，而是具有系統(tǒng)全局性的價值。儲電網(wǎng)運行過程中，作為一個整體應(yīng)對新能源消納等電力系統(tǒng)面臨的問題;組成儲電網(wǎng)的各儲能電站，由調(diào)度部門從系統(tǒng)全局的角度協(xié)調(diào)其各自的運行，或者通過各中小型儲能電站自組織協(xié)同的方式，實現(xiàn)儲電網(wǎng)的整體性能最優(yōu)。儲電網(wǎng)作為一個整體運行時：（1）可以有效避免不同儲能電站各自為政可能引發(fā)的充放電對沖，減少資源浪費，從而減少電力系統(tǒng)整體儲能需求，延緩投資壓力;（2）可以減少儲能資源的閑置，實現(xiàn)儲能在電力系統(tǒng)不同場景下的綜合價值。以抽水蓄能為主體構(gòu)建電力系統(tǒng)儲電網(wǎng)，將從以下三個方面支撐儲能自身的發(fā)展和未來電力系統(tǒng)的安全高效運行：（1）可以充分利用我國地形特點，在東南地區(qū)配置更多技術(shù)更為成熟、成本相對較低的抽水蓄能，在起到對電力系統(tǒng)同樣支撐作用的同時，減少電源側(cè)電化學儲能等新型儲能的配置需求，實現(xiàn)資源的合理配置。（2）通過建立儲電網(wǎng)，將區(qū)域內(nèi)各大型儲能電站的運行納入電力系統(tǒng)調(diào)度體系中，通過調(diào)度部門的統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)儲電網(wǎng)與輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)及電源側(cè)和負荷側(cè)的協(xié)同運行，中小型儲能電站可以通過自組織協(xié)同調(diào)控，充分發(fā)揮儲電網(wǎng)在電力系統(tǒng)各應(yīng)用場景下的綜合價值。（3）儲電網(wǎng)主體與未來“外電內(nèi)送”新格局下的負荷中心高度重合，既能夠提高電力供應(yīng)可靠性，又能夠極大增強電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，有助于提高負荷中心消納能力，支撐未來新格局電力系統(tǒng)的安全、高效、低碳運行。

結(jié)語

綜上所述，儲能技術(shù)主要包括物理儲能、電化學儲能以及電磁儲能技術(shù)應(yīng)用方式，新能源電力系統(tǒng)需要根據(jù)系統(tǒng)運行環(huán)境、技術(shù)條件、并網(wǎng)運行需求的多方面的因素合理選擇儲能技術(shù)。在太陽能、風能等電力系統(tǒng)中，電力企業(yè)需要充分考慮能源的不穩(wěn)定特點，利用儲能技術(shù)規(guī)避并網(wǎng)時的電網(wǎng)波動問題。在并網(wǎng)運行時，電力企業(yè)需要建立智能化的儲能控制系統(tǒng)，結(jié)合負荷需求、分時電價、蓄電池功率、蓄電池容量等合理控制蓄電池組的充放電過程，滿足電網(wǎng)運行需求。

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