淺談新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

成都大匯智聯(lián)科技有限公司 李 煒

在新能源發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中，要結(jié)合實(shí)際控制規(guī)范維持應(yīng)用的合理性，并且發(fā)揮不同儲(chǔ)能元件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)作用，打造完整的儲(chǔ)能應(yīng)用控制平臺(tái)，結(jié)合算例分析明確控制效果和仿真重點(diǎn)，提升機(jī)組綜合運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

1 新能源發(fā)電概述

1.1 新能源發(fā)電

所謂新能源發(fā)電，指的就是在新技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際情況，充分利用可再生能源實(shí)現(xiàn)發(fā)電，較為常見(jiàn)的新能源包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮芤约俺毕艿?，利用能源完成發(fā)電工作。目前新能源發(fā)電已經(jīng)成為環(huán)保型發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)體系，也在電能管理工作中發(fā)揮了重要的作用。

一方面，新能源發(fā)電具有資源豐富、可持續(xù)、環(huán)保的特性，整體資源結(jié)構(gòu)使得新能源發(fā)電項(xiàng)目的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展布局更加清潔可行，尤其是資源豐富的特性，為經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的平衡創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)；另一方面，新能源發(fā)電依舊存在隨機(jī)性、間歇性以及波動(dòng)性特點(diǎn)，這就使得對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)調(diào)度管理產(chǎn)生影響，需要更加科學(xué)合理的智能化建設(shè)模式，才能為儲(chǔ)能、調(diào)峰、調(diào)頻等工作的全面優(yōu)化予以支持。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較強(qiáng)的時(shí)間性和空間性特點(diǎn)，借助裝置更好地完成能源的利用，并且借助對(duì)應(yīng)的裝置完成多余能量的存儲(chǔ)，在使用高峰能提取對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存的能量，將其應(yīng)用在能量緊缺的地方。也正是基于這種處理機(jī)制，能更好地提升資源利用率。需要注意的是，能量本身的時(shí)間特性、形態(tài)特性以及數(shù)量差異特性都會(huì)對(duì)新能源開(kāi)發(fā)過(guò)程、轉(zhuǎn)換過(guò)程等產(chǎn)生影響，此時(shí)，就要結(jié)合新能源的具體情況適當(dāng)采取更加匹配的儲(chǔ)能系統(tǒng)，才能最大程度上發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，完成新能源能量的存儲(chǔ)和釋放，調(diào)節(jié)能量的應(yīng)用環(huán)境，一定程度上保證儲(chǔ)能效果最優(yōu)化。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件分類

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的研發(fā)和推廣也進(jìn)入高速運(yùn)行的狀態(tài)，儲(chǔ)能裝置的發(fā)展和儲(chǔ)能元件的進(jìn)步，能結(jié)合不同環(huán)境以及使用要求落實(shí)相應(yīng)工作。其具體特征分析如下：

基本參數(shù)對(duì)比，主要包括額定的容量、比容量以及比功率，評(píng)估不同儲(chǔ)能元件的應(yīng)用基礎(chǔ)性能（表1）[1]。應(yīng)用效率，對(duì)于儲(chǔ)能工作而言，不同儲(chǔ)能形態(tài)的應(yīng)用效率是影響其實(shí)際應(yīng)用效能的關(guān)鍵，要結(jié)合實(shí)際情況和具體應(yīng)用空間落實(shí)對(duì)應(yīng)的選擇方案。各類儲(chǔ)能形式的效率分別為：鉛酸電池60%～80%、鋰電池85%～95%、飛輪70%～80%、抽水儲(chǔ)能60%～70%、超導(dǎo)儲(chǔ)能80%～95%、液流電池70%～80%。

表1 各類儲(chǔ)能形式的基本參數(shù)

應(yīng)用成本。在選取儲(chǔ)能元件的過(guò)程中不僅要綜合考量其相關(guān)應(yīng)用參數(shù)，也要結(jié)合實(shí)際環(huán)境從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，綜合分析成本因素[2]。各類儲(chǔ)能形式的成本分別為：鉛酸電池25$/kW/年、鋰電池120$/kW/年、飛輪40～80$/kW/年、抽水儲(chǔ)能200$/kW/年、超導(dǎo)儲(chǔ)能200$/kW/年、液流電池60$/kW/年；使用壽命。任何系統(tǒng)元件都具備相應(yīng)的使用年限，各類儲(chǔ)能形式的使用年限分別為：鉛酸電池2×102～5×103/次、鋰電池103～104/次、飛輪104～6×104/次、抽水儲(chǔ)能104～5×104/次、超導(dǎo)儲(chǔ)能104～105/次、液流電池＜1.4×104/次。

在全面評(píng)估不同儲(chǔ)能元件應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用效能的同時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)受到了更多的關(guān)注，利用蓄電池組（鉛酸電池）和超級(jí)電容予以混合處理，能在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用處理的基礎(chǔ)上，更好地維持項(xiàng)目成本和使用頻率，減少不確定性問(wèn)題和能源波動(dòng)性造成的影響。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

要明確儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用原理，結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境和要求選取適配的儲(chǔ)能元件，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能發(fā)揮其實(shí)效性價(jià)值，從而為新能源發(fā)電創(chuàng)設(shè)良好的平臺(tái)，減少資源損耗的基礎(chǔ)上，促進(jìn)環(huán)保效能的全面提升。

3.1 工作原理

鉛酸蓄電池工作原理。由圖1可知，正負(fù)極的兩側(cè)匹配對(duì)應(yīng)的活性物質(zhì)，正極是PbO2，負(fù)極則是海綿狀的鉛單質(zhì)，電解質(zhì)溶液為硫酸水溶液，利用內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)完成充電、放電工作，并且建立對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程[3]：Pb+HSO_4→PbSO_4+H++2e-、PbO2+3H++HSO_4+2e-→PbSO_4+2H2O、PbO2+Pb+2H2SO_4→2PbSO_4+2H2O。結(jié)合化學(xué)方程式可知，在能源轉(zhuǎn)化的前后沒(méi)有物質(zhì)的損耗，能實(shí)現(xiàn)雙向的放電、充電過(guò)程，基于此，蓄電池組在應(yīng)用過(guò)程中維護(hù)成本較低，利用反復(fù)充放電的處理方式提升能源系統(tǒng)應(yīng)用效率和儲(chǔ)能價(jià)值。

圖1 鉛酸電池內(nèi)部構(gòu)造

串并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)原理。在內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)中，將電感和電容濾波作為應(yīng)用運(yùn)行的根本，將其并聯(lián)在電網(wǎng)的兩端位置，配合補(bǔ)償變換器就能建立完整的工作狀態(tài)。與此同時(shí)，變換器要對(duì)變壓器予以處理，從而進(jìn)一步控制系統(tǒng)的電壓參數(shù)和負(fù)載電壓參數(shù)，在調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率的過(guò)程中就實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部運(yùn)行的平衡態(tài)[4]。值得一提的是，串聯(lián)補(bǔ)償變換器則是利用穩(wěn)定內(nèi)部電壓的方式全方位補(bǔ)償電壓體系，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，更好地將電池組和超級(jí)電容連接起來(lái)，維持整體應(yīng)用效率。

超級(jí)電容器工作原理。由圖2可知，集電極和電解液共同作用下，利用多孔電極匹配隔膜結(jié)構(gòu)，就能實(shí)現(xiàn)充電和放電的處理，形成雙電層結(jié)構(gòu)。盡管單體超級(jí)電容器的能量一般，若是將大量的超級(jí)電容器予以串并聯(lián)，則形成電容器組，就能在提升電容參數(shù)和電壓參數(shù)的同時(shí)，維持良好的儲(chǔ)能量[5]。

圖2 超級(jí)電容器內(nèi)部構(gòu)造

3.2 儲(chǔ)能裝置模型的建立

首先，建立蓄電池組模型，完成單體建模工作，給予額定電壓和容量參數(shù)，假設(shè)m個(gè)單體蓄電池構(gòu)成基礎(chǔ)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，則裝置的總能量為Ebatm=mCbatUbat/106；其次，對(duì)超級(jí)電容器組予以建模，針對(duì)超級(jí)電容器單體完成建模，確定端電壓和電容參數(shù)后，假設(shè)n個(gè)單體超級(jí)電容器構(gòu)成儲(chǔ)能裝置，則裝置總能量為；最后，對(duì)儲(chǔ)能模型予以優(yōu)化，匹配對(duì)應(yīng)的粒子群算法，并結(jié)合應(yīng)用要點(diǎn)維持算法處理的最優(yōu)化。

3.3 控制策略

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用工作中，不僅要對(duì)模型和應(yīng)用實(shí)效性予以監(jiān)管，也要匹配相應(yīng)的控制系統(tǒng)策略機(jī)制，維持控制合理性。在系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中，借助閉環(huán)調(diào)節(jié)的方式，能對(duì)每個(gè)環(huán)路中的內(nèi)環(huán)電流予以監(jiān)管，并且匹配外環(huán)電壓控制模塊，建構(gòu)完整的分析和應(yīng)用體系，保證升壓變換器和外環(huán)電壓控制工作都能按照標(biāo)準(zhǔn)化流程有序推進(jìn)。與此同時(shí)，結(jié)合截止頻率低通濾波器完成濾波處理工作，之所以建立電壓控制環(huán)，就是為了能更好地完成電流控制環(huán)相關(guān)參考信號(hào)的控制和處理[7]。

第一，要維持電容器C1的輸出參考電壓，結(jié)合對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析模式維持參數(shù)處理的合理化，確?？刂骗h(huán)內(nèi)具體操作有效且可行性高；第二，要將高頻的電流變化分量集中分配到對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容器中，維持對(duì)應(yīng)元件控制的合理性和科學(xué)性，提升應(yīng)用效率和綜合儲(chǔ)能水平；第三，要維持超級(jí)電容器的電壓能在預(yù)設(shè)參考電壓數(shù)值范圍內(nèi)，保證參考數(shù)值的規(guī)范效果；第四，要對(duì)蓄電池組進(jìn)行超級(jí)電容器的控制和處理，確保初始充電電流應(yīng)用的最優(yōu)化；第五，要結(jié)合HESS進(jìn)行電感和交流母線的連接處理，并對(duì)蓄電池予以SOC控制器監(jiān)督，結(jié)合PI控制器落實(shí)對(duì)應(yīng)的控制策略。

除此之外，若是超級(jí)電容器電壓沒(méi)有固定的參考數(shù)值，則超級(jí)電容器會(huì)趨于充滿或放滿狀態(tài)，此時(shí)要利用PI控制器維持超級(jí)電容器電壓參數(shù)在規(guī)定的預(yù)設(shè)數(shù)值范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，為了保證超級(jí)電容器能量使用率能達(dá)到75%，就要保證工作電壓設(shè)定在額定電壓的50%到100%之間，維持綜合電壓環(huán)控的合理性。

3.4 具體算例分析

本文以某地區(qū)能源發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，在獲取風(fēng)力發(fā)電全面預(yù)測(cè)數(shù)值和光伏發(fā)電全年預(yù)測(cè)數(shù)值后，假設(shè)對(duì)應(yīng)逆變器的效率為0.95，對(duì)系統(tǒng)的供電缺電率以及約束條件參數(shù)予以設(shè)定。匹配的蓄電池和超級(jí)電容器參數(shù)如下：額定電壓，蓄電池為12V、超級(jí)電容器為2.7V[8]；蓄電池額定容量100Ah、放電深度為0.4，充電效率75%、放電效率85%，超級(jí)電容器電容為3500F，充電效率98%、放電效率98；蓄電池循環(huán)次數(shù)為1500/次、超級(jí)電容器循環(huán)壽命為500000/次；處置系數(shù)。蓄電池為0.08、超級(jí)電容器為0.04。

結(jié)合地區(qū)新能源發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件完成仿真算例分析，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法還是改進(jìn)粒子群算法，得出的結(jié)果都滿足最小負(fù)荷缺電率的基本要求，并且都能貼合供電可靠性的應(yīng)用規(guī)范。其中，改進(jìn)粒子群算法獲取的最小生命周期費(fèi)用更低，具有更加突出的尋優(yōu)能力。超級(jí)電容能實(shí)現(xiàn)波動(dòng)較快功率的快速響應(yīng)，蓄電池功率波形則較為穩(wěn)定，這就有效延長(zhǎng)了電池的使用壽命，在維持較好儲(chǔ)能狀態(tài)的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提升奠定基礎(chǔ)。

4 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

互聯(lián)網(wǎng)+智能能源的發(fā)展將成為發(fā)展常態(tài)，主要建設(shè)以太陽(yáng)能、風(fēng)能為可再生能源主體的多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)能源互聯(lián)網(wǎng)，積極突破分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、智能微網(wǎng)、主動(dòng)配電網(wǎng)等技術(shù)瓶頸，打造智能化電力運(yùn)行監(jiān)測(cè)和能源監(jiān)管平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享的能源網(wǎng)絡(luò)模式。

與此同時(shí)，探索新能源消費(fèi)新模式，積極實(shí)現(xiàn)綠色電力交易服務(wù)區(qū)域試點(diǎn)也將成為主流，實(shí)現(xiàn)以智能電網(wǎng)為核心的配送平臺(tái)，確保儲(chǔ)能設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)、智能用電設(shè)施等硬件以及碳交易、互聯(lián)網(wǎng)金融等衍生服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展，促進(jìn)能源消費(fèi)生態(tài)體系的多元化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一，保證能源管理的最優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能設(shè)備具有功率密度大且響應(yīng)時(shí)效性高的特點(diǎn)，借助混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，能在維持各項(xiàng)儲(chǔ)能元件應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，打造更加合理且科學(xué)的運(yùn)行體系。在新能源發(fā)電工作中，最大的問(wèn)題就是能源存在一定的波動(dòng)性和不確定性，為了維持新能源發(fā)電中能源供給的穩(wěn)定性，就要匹配相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，從而提升可再生資源的利用率，維持整個(gè)供電運(yùn)行工作的水平，實(shí)現(xiàn)可行性和經(jīng)濟(jì)性并行的目標(biāo)，更好地實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電目的。