電力系統(tǒng)儲能并網(wǎng)與運(yùn)行控制

王軍旗

摘要∶如何高效規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、運(yùn)行維護(hù)、調(diào)控管理不斷增加的儲能資源，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中儲能的科學(xué)智能管控與并網(wǎng)運(yùn)行，是積極推動我 國源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用的重要組成部分，對于我國能源清潔化轉(zhuǎn)型意義重大。本文對電力系統(tǒng)儲能并網(wǎng)與運(yùn)行控制 進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞∶電力系統(tǒng)：儲能并網(wǎng)：運(yùn)行控制

1儲能技術(shù)的主要類型

1.1機(jī)械儲能

這是比較成熟的儲能技術(shù)，較具代表性的有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。

1.1.1抽水蓄能

該儲能方式在電能儲存中的應(yīng)用較為廣泛，其最為突出的特點(diǎn)是存儲容量大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國抽水蓄能裝機(jī)容量居于世界首位，截止 到2020年末，投運(yùn)的抽水蓄能機(jī)組總?cè)萘恳呀?jīng)超過4000萬 kw。抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行效率大約在75% 左右，使用年限約為50a，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等環(huán)節(jié)。唯一的不足是機(jī)組建設(shè)周期過長且前期投資較大。

1.1.2壓縮空氣儲能

該儲能方式主要是借助分子內(nèi)力進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷期時(shí)，通過空氣壓縮，可將電能存儲到相應(yīng)的容器當(dāng)中。待到用電高峰期時(shí)，可對壓縮的空氣進(jìn)行釋放，借此來對渦輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，從而達(dá)到發(fā)電的目的。 這種儲能方式的特點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：能量的轉(zhuǎn)換效率非常高、且存 儲容量較大、運(yùn)行時(shí)間長。

1.2電磁儲能

1.2.1超導(dǎo)磁儲能

這種儲能形式又被稱之為 sMEs，它是利用超導(dǎo)線圈對電磁能進(jìn)行儲存，具有響應(yīng)速度快、儲能密度大等特點(diǎn)。由于超導(dǎo)磁儲能裝置的造價(jià)相對較高，并且運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)磁場，從而制約了該儲能方式的推廣應(yīng)用。

1.2.2超級電容器

該儲能形式的理論基礎(chǔ)為電化學(xué)，利用電解質(zhì)完成充電 / 放電，其特點(diǎn)是使用年限長、功率密度高、響應(yīng)速度快等。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種儲能形式的能量密度比較低，耐壓水平也不是很高，從而限制了其應(yīng)用。

1.3電化學(xué)儲能

這是一種利用電池完成電能存儲與釋放的過程，電池儲能系統(tǒng)是該技 術(shù)的主要儲能形式，如鋰離子、鉛酸以及液流電池等。其中鋰離子電池的 循環(huán)壽命比較長，且能量密度相對較高，但具體應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，其安全性和穩(wěn)定性偏低;鉛酸電池的循環(huán)壽命較短，并且使用過程中會對環(huán)境造成污染;全釩液流電池的輸出功率高，且響應(yīng)速度非?？?，結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活，可實(shí)現(xiàn)模塊化組合拼裝。

2儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1儲能技術(shù)的作用

在相當(dāng)長的一段時(shí)間里，我國的電力系統(tǒng)以火電為主，通過燃煤進(jìn)行發(fā)電會對環(huán)境造成一定的污染，風(fēng)電的出現(xiàn)使這一問題得到有效解決。風(fēng) 電以風(fēng)能作為動力源，風(fēng)是一種自然現(xiàn)象，具有隨機(jī)、波動等特性，由此對風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性造成不利影響。通過儲能技術(shù)，可以使風(fēng)電出力變得 更加穩(wěn)定。近年來，在全球性能源危機(jī)的背景下，利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電已經(jīng)成為必然趨勢。正因如此，使得風(fēng)電和光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中的占 比不斷增大。然而可再生能源發(fā)電雖然能夠緩解能源緊缺的現(xiàn)狀，減輕環(huán) 境污染，但這種發(fā)電方式卻具有穩(wěn)定性低、無法保證連續(xù)性等缺陷。以目 前應(yīng)用較為廣泛的風(fēng)電為例，風(fēng)是這種發(fā)電方式的基礎(chǔ)，而風(fēng)速的變化具有不確定性，波動變化非常大，由此使得風(fēng)電機(jī)組的輸出呈現(xiàn)為波動性和間歇性的特點(diǎn)。從國內(nèi)目前的總體情況來看，越來越多的風(fēng)電接人到電力 系統(tǒng)當(dāng)中，其對電網(wǎng)運(yùn)行的影響逐步顯現(xiàn)，想要最大限度地發(fā)揮出風(fēng)電的作用，并減輕其對整個(gè)電力系統(tǒng)的影響，就需要對儲能技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用。

2.2多元復(fù)合儲能模式

在電力系統(tǒng)中對儲能技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，除要考慮所選儲能系統(tǒng)的技術(shù)性能之外，還應(yīng)當(dāng)將經(jīng)濟(jì)性作為考慮因素。不同的儲能裝置技術(shù)參數(shù)有所差別，具體包括以下幾個(gè)方面：循環(huán)壽命、能量、周期效率等等。 然而，現(xiàn)階段并沒有任何一種儲能裝置可以完全達(dá)到上述要求，解決這一問題最為有效的途徑是多元復(fù)合儲能。所謂的多元復(fù)合儲能實(shí)質(zhì)上就是將機(jī)械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能等不同類型的儲能技術(shù)或裝置，通過合理的方法組合到一起，形成一個(gè)全新的儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多種儲能技 術(shù)的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)方面的優(yōu)勢互補(bǔ)。根據(jù)上文中對儲能技術(shù)類型的分析，提出 sMEs 與蓄電池復(fù)合的儲能系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對風(fēng)電場的功率波動進(jìn)行平抑，確保風(fēng)電處理的平穩(wěn)性與可控性。

2.3復(fù)合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用要點(diǎn)

本文提出一種全新的復(fù)合儲能系統(tǒng)，它由兩個(gè)不同的儲能技術(shù)組合而成，一個(gè)是 sMEs 技術(shù)，另一個(gè)是蓄電池技術(shù)。復(fù)合儲能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用模式如圖1所示。

超導(dǎo)磁的輸出與蓄電池的輸出相同，全部都是直流，為確保輸出能夠 順利接人到電力系統(tǒng)當(dāng)中，需要對直流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)榻涣?，這個(gè)過程可以通過變流器來實(shí)現(xiàn)。變流器會按照控制器實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹噶睿瑢蓚€(gè)儲能單元的充電與放電過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，通過變流器與復(fù)合儲能系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流的動態(tài)調(diào)節(jié)。圖1中各個(gè)部分的功率存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用下式進(jìn)行描述：

Pwind+Ps+Pb+Pgrid=0

在上式當(dāng)中，Pwind 表示風(fēng)電場的實(shí)際出力;Ps 與 Pb 分別表示復(fù)合儲能系統(tǒng)中兩個(gè)儲能單元的有功功率;Pgrid 表示風(fēng)電場與復(fù)合儲能系統(tǒng)疊加在一起后的總輸出功率的負(fù)值。本次提出的復(fù)合儲能系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以清楚的看到，復(fù)合儲能系統(tǒng)采用的是雙向變流器，該變流器為電壓源型，其在反饋無功能量的過程中，斬波器會同時(shí)輸出電壓和

電流反向。故此，需要在開關(guān)位置處以反并聯(lián)的方式加裝二極管，從而使能量經(jīng)由二極管后反饋給電源。用 L 表示系統(tǒng)側(cè)濾波器和線路的電感等效，用 R 表示內(nèi)阻與器件的開關(guān)損耗。C2是直流母線側(cè)的電容，它的主要作用是提供穩(wěn)定的直流電壓，保證雙向變流器的正常運(yùn)行。超導(dǎo)磁本身具有 電流源的特性，在這一前提條件下，需要通過并聯(lián)的方式加裝斬波器，對超導(dǎo)磁體兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)樾铍姵氐碾妷涸椿揪鶠榈刃?，所?只需要通過變流器對其工作電源進(jìn)行調(diào)節(jié)即可。儲能單元的能量變換由斬波器與變流器配合實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，可通過直流電流的形式，對能量進(jìn)行存儲。之所以采用上述結(jié)構(gòu)，與其所具備的優(yōu)勢密切相關(guān)，具體如下：復(fù)合儲能系統(tǒng)中的儲能單元能夠擁有屬于自己的獨(dú)立變流器，這樣便可按 照上層傳輸過來的指令實(shí)現(xiàn)精確控制。為便于研究，假設(shè)復(fù)合儲能系統(tǒng)中 兩種不同儲能裝置同時(shí)處于充電和放電模式，且二者之間并無功率流動。 在此前提下，變流器的工作狀態(tài)共有4種。需要闡明的一點(diǎn)是，設(shè)計(jì)控制器時(shí)，以復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率和能量控制作為重點(diǎn)，變換器為理想器件，即不計(jì)算其運(yùn)行時(shí)的損耗。為確保復(fù)合后的儲能系統(tǒng)能夠保持運(yùn)行穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行狀態(tài)，需要對其進(jìn)行有效控制。基于此提出一個(gè)兩層的控制系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合儲能的有效控制。該控制系統(tǒng)除了能夠確定復(fù)合儲能的功率需求之外，還能控制變流器的開關(guān)，在這一前提下，使儲能裝置完成充、放電。復(fù)合儲能中，控制系統(tǒng)的控制重點(diǎn)是變流器，通過對變流器的控制，來達(dá)到調(diào)節(jié)電流和電容電壓的目的。對此，可以采用前饋解耦的方法進(jìn)行 控制，將電流調(diào)節(jié)作為內(nèi)環(huán)，電容電壓調(diào)節(jié)作為外環(huán)，這樣能夠使控制過程變得更加簡單，具體可通過PI 控制予以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語

綜上所述，為提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，解決風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)造成 的不利影響，可對先進(jìn)的儲能技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用。在具體應(yīng)用時(shí)，為最大 限度地發(fā)揮出儲能技術(shù)的作用，達(dá)到預(yù)期中的應(yīng)用效果，可將兩種以上的 儲能技術(shù)聯(lián)合到一起，組成復(fù)合儲能系統(tǒng)。本文的研究結(jié)果表明，經(jīng)復(fù)合 后的儲能系統(tǒng)可以彌補(bǔ)單一系統(tǒng)的缺陷和不足。

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