多元復合儲能技術在電力設備能源自動集成中的運用研究

劉振宇

（國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

多元復合儲能技術具有高效性、經濟性的鮮明特征，其中集成了電池儲能技術、飛輪儲能技術、超導磁儲能技術等多種新型技術手段，能夠顯著優(yōu)化系統(tǒng)的負荷調節(jié)能力，降低設備冗余度，提升系統(tǒng)的響應反饋速度。新時期電網系統(tǒng)建設規(guī)模擴大、服務對象增多，接入的電力設備類型和規(guī)格也更加多樣，如何利用好不同來源、不同格式能源，如何發(fā)揮多元復合儲能技術的優(yōu)勢，緩解電力設備能源應用壓力，成為諸多電網工作者關注的焦點問題，有必要進行深入探究。

1 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統(tǒng)框架設計

多元復合儲能技術即綜合使用多種儲能手段的集成技術類型，既包含物理儲能、化學儲能，也包含電磁儲能，引入電力設備能源自動集成系統(tǒng)中，可以較好地緩解能源出力間歇性、波動性問題，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效地運行?，F階段，我國新能源研究不斷深入，適用的技術主要包含以下幾類：（1）飛輪儲能。主要利用電力電子變流器裝置，對電動機、發(fā)電機狀態(tài)進行實時管控，從而實現電能的存儲和輸出。（2）超磁導儲能。該種儲能裝置通常由超導線圈、低溫容器等結構組成，整體的響應速度極快，一般僅需1 ～5ms 即可給出反饋，儲能效率更是達到了90%以上。（3）超級電容器儲能。與常規(guī)電容器相比，該種儲能方式的容量可以達到20～100 倍，能量密度高且循環(huán)潛力大，經過1 ～50 萬次循環(huán)后，容量和內阻仍舊有較為驚人的表現，降幅一般不會超過10%～20%。（4）電池類儲能。包含鉛酸電池、鈉硫電池等，發(fā)展時間較早，大容量儲能較為可靠，但具有充放電速度較慢、充放電次數受限等局限性。不同儲能技術性能特征可見表1。

表1 適用于電力設備能源自動集成的幾種儲能技術

本次選用飛輪儲能技術、超級電容器儲能技術、鉛酸電池儲能技術作為能源自動集成系統(tǒng)平臺設計技術集，在前端設置能源采集模塊，經過處理后由射頻傳輸技術傳送給儲能模塊，儲能模塊在特定算法支持下計算各單元的荷電狀態(tài)，并實現能源的自動集成。所有能源存放在緩沖區(qū)內，當電力設備需要電能時，統(tǒng)一釋放，以達到提升能源利用效率的目的。

2 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統(tǒng)功能配置

2.1 設備能源采集板塊

在能源自動集成系統(tǒng)中，電力設備需要根據實際情況反饋能源需求信息，采集并獲取相關能源，以確保設備的持續(xù)平穩(wěn)運行。因此，系統(tǒng)設計時，需要重點優(yōu)化設備能源采集模塊，綜合考慮其可靠性與高效性，確保能源采集充足、適宜。本次設計實踐中，為提升設備的運行效率和精簡程度，采用了嵌入式處理器方式，在各電力設備中配置了TMS320C5504 DPS 處理器，處理器使用C55x 芯片，保安CPU、存儲空間、片內外設等部分，內部設置了12 組獨立總線，可以完成指令緩沖、解譯、傳送等工作任務。模塊的刷新速度為200ms，最小有用電能變量為0.001kW·h，工作電壓為3.3V DC，工作溫度為-20 ～40℃，能夠較好地適應不同地區(qū)的模塊使用需求。提前設置處理器工作邏輯，使用周期化采集方式與電力設備形成對接，保證自動電能集成系統(tǒng)中能源儲量的充足性，為后續(xù)的釋放和分配做好鋪墊。

2.2 設備儲能板塊

設備儲能板塊是整個能源自動集成系統(tǒng)的核心所在，需要合理配置儲能技術，協(xié)調好不同技術之間的關系，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行。本次設計過程中，采用超級電容器技術作為設計基礎，功率密度預計可以達到102～104W/kg，明顯高于現有的蓄電池功率密度水平。電容器內部配備了導體聚合物材料，可以作為電容器陽極使用，當電力設備能源自動集成系統(tǒng)運行時，內部的正負離子會在電場影響下發(fā)生變化，形成電層并開始儲能，后期需要提取電能時，電層則會逐漸變薄并釋放能量，保障設備的持續(xù)運行，如此一來，既保證了原有電力系統(tǒng)架構的正常運轉，又避免了電力設備遭受不利影響的問題，超級電容器結構簡圖可見圖1。另外，配置飛輪儲能裝置、鉛酸電池儲能裝置，形成多元復合儲能系統(tǒng)，并根據不同情況計算儲能單元荷電狀態(tài)，計算方法如下：

圖1 超級電容器結構簡圖

式中，ew代表電容內剩余電量；dt代表集成過程中電容容量。

當電容容量或電容內剩余電量不明時，也可以用下式進行計算：

式中，Amin和Amax分別代表電力設備中能源的最小值和最大值；A代表當前電力設備電能。

2.3 設備能源集成板塊

能源集成模塊設計時，需要采用廣泛聯(lián)通、有序連接的基本思路，找出可連接儲能裝置的核心電力設備，科學裝配集成器并完成單元之間的聯(lián)通。考慮到電力設備系統(tǒng)中，大多存在多個儲能單元，集成和應用環(huán)節(jié)很可能出現混淆、錯用問題，因此，可以根據實際需求設置“一對一”“一對多”形式，明確不同單元的分類標準，同時配置能源“看門狗”，以儲能技術為依托搭建能源緩沖區(qū)，將收集的能源集成到緩沖區(qū)之內，后續(xù)需要使用能源時，統(tǒng)一釋放和分配，以確保能源利用效率的提升。為確保能源種類合理區(qū)分，還可以設計專門的分類算法，區(qū)分度控制公式如下：

式中，C1,C2為能源種類；sim(C1,C2)為能源種類的相似度。通過區(qū)分度控制，可以更好地對集成后的能源進行分類存儲，為后期電能的有效利用提供支持，避免出現電能浪費等問題。

3 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統(tǒng)測試情況

為驗證多元復合儲能技術的應用效果及電力設備能源自動集成系統(tǒng)的應用狀況，本文設計和編制了專門的測試方案，測試過程如下。

3.1 測試平臺

測試平臺設計時，需要綜合考慮易實現性和經濟性問題，結合電力設備能源自動集成系統(tǒng)的實際使用和運行場景調整平臺細節(jié)。其中硬件環(huán)境部分配置了Intel i5 處理器，以及1TB 的HDD 硬盤，以及8G 內存容量的DDR4 集成顯卡、UHD Graphics630 集成顯卡，通信能力更加可靠。由于處理器中融入了圖形處理核心，因此兼容性、穩(wěn)定性會更有保障，采用集成內存控制器，也能夠較好地規(guī)避原有內存模式下存在的響應延遲困境，保證測試過程的順利進行。軟件環(huán)境中，主要采用了Windows10 操作系統(tǒng)，以及SQL 2016 數據庫，該種數據庫軟件支持分布式數據組織形式，可以與其他服務器軟件建立良好聯(lián)系，響應速度較快，可以提供對外可擴展標記語言。環(huán)境準備完成后，還需要對其他測試設備進行檢查，設備類型主要包含電壓表、電流表、傳感器、LPC2132 芯片等。運用該測試平臺開展電力設備能源自動集成系統(tǒng)測試，以及其他對照組系統(tǒng)運行情況的測試。

3.2 測試指標

測試環(huán)節(jié)共設計了以下幾種指標：（1）集成能源利用效果。考慮到電力設備能源應用系統(tǒng)對電能儲存的要求是不同的，部分情況下，儲能目的是提供電壓補償，保證供電品質；部分情況下，則是為了提供不間斷電源，保證供電的可靠性。這些目的背后隱藏的功能性需求是存在差異的，比如，作為電壓補償時，要求儲能系統(tǒng)快速響應；作為不間斷電源使用時，要求儲能容量滿足負荷需求。因此，能源自動集成系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，設計了差異化的利用效果評估指標，比如，快速響應指標、負荷調節(jié)指標等，以全面、客觀地評估系統(tǒng)運行效果。（2）能源集成經濟效益。經濟效益是自動能源集成系統(tǒng)運行中極為關鍵的衡量指標，主要研究多元儲能技術及集成系統(tǒng)應用后，電力設備能夠節(jié)省多少用于電力補償、負荷調節(jié)、不間斷電源設置維護的資金。通過計算，將單位能源利用效益確定為2.5 元，則總效益計算方式如下：

式中，E為能源集成經濟效益；Re為額定能源；Rs為集成后的再利用能源。將各組別計算得到的效益綜合記錄下來，對比不同方案下的效益水平，為電能集成系統(tǒng)運行效果評估提供依據。

3.3 測試過程

測試過程中，另外選擇了兩種電力設備能源供應方案作為對照組，對照組一使用單一儲能技術，對照組二不使用儲能技術，按照3.2 所述內容計算集成經濟效益，對比不同方案之間的效益水平。同時，選定燃氣輪機、發(fā)電機、電站鍋爐等電力設備作為試驗設備，觀測能源自動集成系統(tǒng)作為電壓補償、不間斷電源供應、負荷調節(jié)中介時的響應速度情況、目標實現情況。根據電力設備的日常運行狀態(tài)，共選擇和確定了高壓運行、低壓運行兩種測試場景，每種場景下設置5 次重復試驗，將所有測驗結果記錄在表格中，為后續(xù)的分析討論提供依據。

3.4 測試結果

本次測試得到的經濟效益對比情況可見表2。從表中可以看出，基于多元復合儲能技術的自動電能集成系統(tǒng)運行效益要明顯高于單一儲能模式及未使用儲能技術模式下的系統(tǒng)效益，節(jié)省電能及資金總額更為可觀，能夠為電力設備的運行提供良好支持。同時，進行了電能利用效果評估，結果發(fā)現，基于多元復合儲能技術的自動電能集成系統(tǒng)無論在高壓還是低壓環(huán)境下，均可以較好地完成設定任務，5 次測試下的系統(tǒng)響應平均耗時僅有27ms 左右，而單一儲能需要耗費6 ～7s，可見其響應速度之快。同時，該集成系統(tǒng)還可以用于不間斷電源供應，以2.1kW 為實際輸出功率時，儲能容量可以達到262.5AH，延時時間可以達到12h 左右，相比之下，單一儲能系統(tǒng)儲能容量僅有175AH，延時時間也僅有8h。

表2 多元復合儲能技術經濟效益測試情況

4 結語

綜上所述，多元復合儲能技術是提升電力設備供電能力、優(yōu)化電力設備運行性能的重要手段，可以更高效地緩解能源出力間歇性和波動性，使系統(tǒng)中的能源得到更充分的利用，實踐中務必要給予充分重視。要結合實際需求開發(fā)能源自動集成訪問與利用平臺，開通信息采集、設備儲能、集成利用板塊，做好后期的測試評估工作，對應調整技術細節(jié)，切實提升自動集成系統(tǒng)的經濟、社會效益，為電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入活力。