儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 孫翠清

國內(nèi)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)使得各行業(yè)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能、太陽能等新能源的高效應(yīng)用，儲(chǔ)能技術(shù)成為電力企業(yè)的重點(diǎn)研究技術(shù)內(nèi)容，相關(guān)企業(yè)希望通過高效的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化技術(shù)為電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供支持，推動(dòng)新能源在電力系統(tǒng)中的可靠應(yīng)用。

1 新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)分析

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能即為蓄電池儲(chǔ)能，該技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，其工作原理為依靠電池正負(fù)極反應(yīng)完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，滿足電力系統(tǒng)用電需求的同時(shí)儲(chǔ)存系統(tǒng)多余的電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源的高效應(yīng)用，為新能源的并網(wǎng)運(yùn)行提供幫助。金屬電池是各企業(yè)應(yīng)用較多的電池類型，此類電池能夠依靠金屬的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，材料應(yīng)用成本較低的同時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)化效率，如鋰電池即為蓄電池中的高效產(chǎn)品，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。

1.2 物理儲(chǔ)能

物理儲(chǔ)能包括壓縮空氣、飛輪以及抽水儲(chǔ)能幾種類型，能夠以物理能的形式存儲(chǔ)電能，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(chǔ)能方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效應(yīng)用。抽水儲(chǔ)能雖然儲(chǔ)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(huì)消耗更多的應(yīng)用成本，該技術(shù)在風(fēng)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(chǔ)能主要是將電能存儲(chǔ)為機(jī)械能，雖然具有較高的功率密度，但是缺少足夠的能源存儲(chǔ)量，在磁懸浮、材料相關(guān)技術(shù)的限制下，該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用；壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水儲(chǔ)能類似，對(duì)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(jià)低，但是在儲(chǔ)能效率方面存在欠缺。

1.3 電磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能具有無損耗、存儲(chǔ)時(shí)間長、效率高、響應(yīng)快速等性能優(yōu)勢(shì)，但是該技術(shù)的應(yīng)用需要依靠高溫超導(dǎo)材料來實(shí)現(xiàn)，在材料技術(shù)的限制性，導(dǎo)致該儲(chǔ)能方法難以得到廣泛應(yīng)用。超級(jí)電容器儲(chǔ)能需要應(yīng)用高介電常數(shù)的電容器，這種儲(chǔ)能方式在保證較長使用周期、較快響應(yīng)速度、較大功率密度以及極高瞬時(shí)功率的同時(shí)，存在端電壓不穩(wěn)定、低能量密度等缺陷。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在太陽能電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電能需要通過光伏并網(wǎng)的方式為電網(wǎng)輸送電能，為了避免新能源電能造成電網(wǎng)波動(dòng)等問題，電力企業(yè)需要積極研究高效的儲(chǔ)能技術(shù)，盡可能提升儲(chǔ)能設(shè)備的穩(wěn)定性和瞬時(shí)功率傳輸水平，確保電能輸送過程的平滑性，確保光伏并網(wǎng)的順利進(jìn)行。為了提升技術(shù)應(yīng)用效果，電力企業(yè)可以將信息化、智能化計(jì)算機(jī)技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)融合應(yīng)用，通過智能系統(tǒng)對(duì)技術(shù)應(yīng)用過程進(jìn)行自動(dòng)化控制，規(guī)避設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行隱患。在太陽能電力系統(tǒng)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，電力企業(yè)需要根據(jù)光熱、光伏等不同的系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇適宜的儲(chǔ)能技術(shù)方案，合理應(yīng)用相變儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的高效應(yīng)用。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)能電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

新能源電力系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行離不開相關(guān)技術(shù)設(shè)備或人員對(duì)瞬時(shí)功率的有效控制，相關(guān)企業(yè)需要依靠各種技術(shù)手段維持新能源電能的瞬時(shí)功率平衡性，以此來規(guī)避系統(tǒng)波動(dòng)問題。風(fēng)能電力系統(tǒng)控制難度極大，電力企業(yè)需要通過儲(chǔ)能技術(shù)將原本極不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)化為可靠輸出的穩(wěn)定能源。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)能系統(tǒng)中應(yīng)用效果較差，通常需要依靠超導(dǎo)儲(chǔ)能等穩(wěn)定性極強(qiáng)的技術(shù)來規(guī)避風(fēng)速干擾短路、聯(lián)絡(luò)線干擾短路等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，該技術(shù)還可以幫助工作人員快速定位系統(tǒng)故障區(qū)域，為風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3 新能源電力系統(tǒng)中分布式并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

基于太陽能和風(fēng)能等新能源建設(shè)的分布式并網(wǎng)電力系統(tǒng)雖然在近年來發(fā)展迅速并得到推廣應(yīng)用，但是此類系統(tǒng)相對(duì)火力發(fā)電等電力系統(tǒng)具有嚴(yán)重的不確定性和間歇性，不穩(wěn)定的電能功率也導(dǎo)致所并入電網(wǎng)的波動(dòng)。在新能源占比不斷提升的過程中，電力企業(yè)對(duì)高效儲(chǔ)能技術(shù)的需求日益增加，電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行離不開儲(chǔ)能技術(shù)的至此。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在負(fù)荷側(cè)獨(dú)立運(yùn)行，也可以與新能源發(fā)電系統(tǒng)融合應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量優(yōu)化、調(diào)峰調(diào)頻、填谷削峰等目標(biāo)，對(duì)新能源并網(wǎng)運(yùn)行具有積極意義。

3.1 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

新能源發(fā)電分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)接入點(diǎn)為并網(wǎng)開關(guān)，該點(diǎn)還用于檢測(cè)并網(wǎng)電力參數(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括蓄電池組（電化學(xué)儲(chǔ)能）、雙向變流器、能量分配系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)幾個(gè)部分。其中，負(fù)荷預(yù)測(cè)能夠預(yù)測(cè)負(fù)荷需求量，能量分配系統(tǒng)可以根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)、分時(shí)電價(jià)等信息確定能量分配方案，將相關(guān)指令發(fā)送給雙向變流器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組充放電狀態(tài)的控制。其中，放電控制需要根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)、雙向變流器容量、能量分配系統(tǒng)控制指令來實(shí)現(xiàn)，充電控制則主要依靠蓄電池充電特性的設(shè)定結(jié)果來自主實(shí)現(xiàn)控制過程。

圖1 新能源發(fā)電分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有并網(wǎng)運(yùn)行以及離網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，前者用于電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)正常期間，系統(tǒng)與電網(wǎng)直接連接，實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量調(diào)整、調(diào)峰調(diào)頻、填谷削峰等工作目標(biāo)；后者用于電網(wǎng)故障停用期間，通過與電網(wǎng)解列的方式規(guī)避故障影響，為負(fù)載獨(dú)立供電。下面主要對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的并網(wǎng)運(yùn)行模式進(jìn)行分析。

（1）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)充電模式控制策略

國內(nèi)不同時(shí)段具有不同的電價(jià)，電力企業(yè)通常將分時(shí)電價(jià)政策應(yīng)用于工業(yè)、工商業(yè)等電力客戶，在電網(wǎng)電能需求量低的電價(jià)低谷時(shí)刻，儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量分配系統(tǒng)將控制蓄電池組進(jìn)行充電。在充電過程中，蓄電池組需要經(jīng)歷恒流充電、恒壓充電以及涓流充電三個(gè)階段。在第一階段，蓄電池充電電流及效率與電池的種類存在關(guān)聯(lián)，其中隨著充電電流的變化，蓄電池本身的充電效率也會(huì)產(chǎn)生變化。在蓄電池端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，蓄電池充電模式將進(jìn)入第二階段。該階段，充電電流將持續(xù)降低，充電電壓維持不變，隨著時(shí)間的推移，充電電流將降低至極小狀態(tài)，此時(shí)充電模式將進(jìn)入涓流充電階段，蓄電池電壓將在小電流充電的作用下維持在額定數(shù)值。一般而言，蓄電池組可以在電價(jià)低谷期完成充電，在充電未完成的情況下，系統(tǒng)可以在基本電價(jià)期為蓄電池組持續(xù)充電至滿電狀態(tài)，在充電完成后將會(huì)處于放電等待狀態(tài)。

（2）分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)放電模式控制策略

在放電模式中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)在電價(jià)高峰期、尖峰期進(jìn)行無功補(bǔ)償或放電。在第一個(gè)電價(jià)的尖峰時(shí)刻中，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要盡最大能力滿足負(fù)荷側(cè)用電需求。在負(fù)荷側(cè)功率超出儲(chǔ)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(fù)荷側(cè)功率輸出。在第二個(gè)電價(jià)的尖峰時(shí)刻中，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要根據(jù)容量剩余情況盡可能滿足負(fù)荷側(cè)的用電需求，相關(guān)要求與第一次尖峰時(shí)刻相同，但在容量低至下限時(shí)需斷開儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接，負(fù)荷側(cè)的功率需求轉(zhuǎn)由電網(wǎng)滿足。在電價(jià)的高峰時(shí)刻，負(fù)荷側(cè)的電能需求由儲(chǔ)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率比50%的負(fù)荷測(cè)需求功率高，則系統(tǒng)以50%的負(fù)荷測(cè)需求功率輸出，電網(wǎng)輸出功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)一致；如果儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率不滿足負(fù)荷側(cè)50%的功率需求，則儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率輸出，電網(wǎng)以負(fù)荷側(cè)功率需求與儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的差值功率輸出。在第二個(gè)電價(jià)高峰時(shí)刻，電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)分別承擔(dān)負(fù)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(gè)尖峰時(shí)刻的運(yùn)行模式為負(fù)荷側(cè)供電。

結(jié)語：綜上所述，儲(chǔ)能技術(shù)主要包括物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)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(yùn)行環(huán)境、技術(shù)條件、并網(wǎng)運(yùn)行需求的多方面的因素合理選擇儲(chǔ)能技術(shù)。在太陽能、風(fēng)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(diǎn)，利用儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)避并網(wǎng)時(shí)的電網(wǎng)波動(dòng)問題。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電力企業(yè)需要建立智能化的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，結(jié)合負(fù)荷需求、分時(shí)電價(jià)、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(yùn)行需求。