碳中和碳達峰背景下儲能系統關鍵技術要點分析

趙亞韋 國網山西省經濟技術研究院

實現 2030 年前碳達峰、2060 年前碳中和（簡稱“雙碳”目標）是國家進行的重大戰略部署，其內容具備了非常重大的世界意義。在電力系統運行過程中，儲能系統屬于重要的組成內容。基于“雙碳”目標，做好儲能系統關鍵技術梳理，這樣不僅可以優化儲能系統內容，而且對于實現“雙碳”目標有著積極的促進作用。

一、碳中和碳達峰相關內容論述

（一）基礎內容

“雙碳”目標是我國按照《巴黎協定》規定更新的國家自主貢獻強化目標以及面向21 世紀中葉的長期溫室氣體低排放發展戰略，表現為二氧化碳排放水平由快到慢不斷攀升、在年增長率為零的拐點處波動后持續下降，直到人為排放源和吸收匯相抵。從碳達峰到碳中和的過程就是經濟增長與二氧化碳排放從相對脫鉤走向絕對脫鉤的過程。電能作為推動社會經濟發展的重要動力，做好儲能系統優化屬于非常重要的工作內容，對已有儲能系統進行優化，可以為“雙碳”目標的實現奠定良好的技術基礎。

（二）約束條件

從目前的發展情況來看，在“雙碳”目標的實現過程中，存在以下約束條件：第一，根據目前統計數據顯示，我國人均碳排放量已經超過了7t，超過許多西方國家，而且在達到碳排放峰值前，所預留出的空間不足10%，若不能對其進行有效控制，也會影響到碳中和活動的順利進行。第二，基于2018年統計數據顯示，目前國內人均GDP超過1萬美元，而西方國家的人均GDP超過3萬美元，和西方國家之間存在較大的經濟差距，這樣在推行“雙碳”任務時，也會遇到許多經濟阻礙，進而限制“雙碳”目標的順利實現。

二、傳統儲能技術重要類型分析

（一）電儲能技術

電儲能又稱電磁儲能，現階段較為常見的包括超級電容器和超導磁儲能。超級電容器通過電磁場來存儲能量，具有充放電效率高、循環壽命長、功率密度大、適用工作溫度范圍大等優點，但其能量密度較低，因此在微電網中一般與蓄電池配合使用。超導磁儲能系統利用超導線圈及變流器等快速存儲電磁能，能量密度大，但造價昂貴、維護成本高。

（二）熱儲能技術

熱儲能通常被進一步分為顯熱儲熱、潛熱（相變）儲熱和熱化學儲熱三種形式。顯熱儲熱是以改變材料溫度的方式實現熱能的存儲與釋放，具有成本低和技術成熟的優勢，已經被廣泛應用于電力調峰調度、火電廠余熱回收和可再生能源發電等領域。潛熱儲熱是利用材料在相變時的吸熱和放熱過程進行儲能，其儲能密度高、溫度變化小，是目前熱儲能領域的研究重點。熱化學儲熱通過可逆熱化學反應的方式實現熱能存儲，是目前儲熱密度最大的儲熱方式，目前仍處于技術研發階段。

（三）機械儲能技術

機械儲能是通過機械能與電能的相互轉換實現能量的存儲與釋放，主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等技術。抽水蓄能技術的發展較為成熟，抽水蓄能電站在電力系統中可以起到削峰填谷、調頻調相、提供備用容量等作用，但其局限性在于受地理和氣候條件的限制。在壓縮空氣儲能系統應用中，主要應用在燃氣輪機當中，借助空氣壓縮機可以順利完成能力存儲，隨后壓縮空氣的膨脹做功會驅動發電機進行發電，此時儲能系統也可以將電能及旋轉過程中的動能進行相互轉換，以滿足系統運行要求。該儲能方式在應用中具備了運行功率高、使用年限場等優勢。

（四）電化學儲能技術

該儲能方式在應用中，其儲能原理是利用可逆的氧化還原反應進行電能的存儲和釋放，整個過程中，整個過程會以電池為載體進行，在應用中具有安裝便捷性、電能響應速度快、技術成熟度高等，目前應用較多的電化學存儲系統包括鋰電子儲能電池、鉛酸電池，液態流動電池等。以鋰電池為例，該電池目前的應用范圍非常廣泛，在手機制作、新能源汽車等領域中應用較多，并且也具備了良好的推廣前景。

（五）化學儲能技術

除上述提到的技術種類外，化學儲能技術也屬于經常使用到的儲能技術，該技術在應用中的應用原理在于，基于電能驅動化學反應，來完成能量存儲工作，目前經常使用到的應用載體為氫氣、天然氣等，利用氫氣進行儲能系統設計時，其原理在于對水進行電解處理，過程涉及氫氣制備、氫氣儲備、氫氣輸送、氫氣使用等環節，具備了維護成本較低、沒有污染等優勢。但是其轉換過程中會對外釋放許多熱量，能量轉換率只有30%～50%，但是其在風力系統中具備良好的適用性，被廣泛應用在風力發電領域。

三、雙碳背景下儲能系統關鍵技術要點分析

（一）優化儲能發電模型

基于“雙碳”應用背景下進行儲能系統設計時，優化儲能發電模型屬于非常重要的工作內容。在具體實踐中，需要細化儲能發電模型內容，包括電流控制器、功率控制器、升壓電路、電網變頻器、蓄電池等內容。在具體設計中也可以利用信息技術來構建發電模型，同時也需要細化模型中的應用參數，利用仿真模擬系統來校核參數合理性，從而提升設計方案內容的合理性。在發電模型出的設計中，也需要考慮和其他設備之間的關聯性，以此為基礎來完成施工方案設計。在具體設計中，會利用BIM技術來搭建管理系統，協調和其他設備之間的關系，并且利用系統來完成總平面圖繪制，在具體繪制時會進行分段處理，從而為后續施工活動的順利進行奠定基礎。

（二）完善系統控制結構

在儲能系統設計中，也需要做好控制結構的完善工作，基于“雙碳”背景，可以考慮設計綜合型控制系統，改善儲能系統充電和放電過程，以提高電能資源的利用效率。在具體設計中，第一，對于儲能系統線路進行考量，目前主要使用到的線路類型有串聯線路和并聯線路兩種，同時也需要充分考慮到其他能源利用，例如，借助太陽能來輔助充電過程，以減少其他形式的電能損耗[1]。第二，對于系統控制結構進行合理優化，可以借助信息技術輔助控制結構模型設計，確保控制系統具備以下功能：①確保儲能系統輸出功率的安全性和穩定性；②提升系統充放電過程的穩定性；③協調儲能系統輸出和輸入功的協調性；④具備儲能系統運行安全保護、有效監測等功能。

（三）優化儲能控制技術

在對儲能控制技術進行優化設計時，應注意以下幾點：第一，在社會用電量不斷增加的背景下，電力系統的負荷等級也在不斷提升。這樣也提高了系統運行維護的難度，干擾到系統運行過程的安全性。基于此，進行儲能設計時，需要充分考慮系統電容，在安全允許范圍內擴大儲能上限，從而提升所設計系統的安全性。第二，在儲能系統中增加預警系統，其作用是對整個過程進行監測，如果出現異常問題，如功率不合理、輸入電流過載等，系統在提出預警的同時，也會啟動繼電保護，避免故障問題影響到系統運行安全性。第三，在儲能系統中也會融入自動化技術，起到優化控制系統的作用，具體內容接下來將進行詳述[2]。

（四）完善系統保護方式

在儲能系統優化設計中，也需要做好系統保護方式的完善工作，這也是提升儲能系統運行安全性的重要基礎。在具體實踐中，也需注意以下內容：①在儲能系統的工作中，需要做好科學保護工作，如建立繼電保護結構，對于儲能系統運行情況進行監測，從而提升隱患問題發生結果的有效性，提升所擬定技術保護效果的可靠性。②在儲能系統保護過程中，也需要做好系統調度工作，基于信息技術應用優勢，對于應用數據進行采集，跟進分析結果來調整儲能信息參數，從而為電力調度活動的推進提供有效參考。③考慮到系統荷載的不斷提升，在對系統進行保護處理時，也需要定期做好系統保護方式更新，使保護方式更加契合系統運行要求，提升儲能系統工作狀態的安全性[3]。

（五）引入自動化技術

在系統運行過程中，也需要充分利用自動化技術優勢，提升儲能系統運行過程的安全性，提高運行問題發現過程的及時性。在具體應用中，也需要注意以下內容：第一，在合適位置布設傳感器，其作用是對儲能系統工作數據進行監測，如輸入功率、輸出功率等，這些數據最終會在總系統中進行整理，若突破安全值范圍會啟動繼電保護系統，保護其他設備不受影響[4]。第二，自動化技術在應用中，也需要針對其他不同環節進行集中化管理，作用是滿足統一的管理要求，便于儲能系統和其他設備之間的協調性。第三，做好自動化技術維護工作，并且將新技術融入儲能系統管理當中，這樣也可以更好地發揮技術的應用價值，確保儲能系統工作狀態的節能性與可靠性。

（六）優化儲能系統規模

在儲能系統應用過程中，也需要優化儲能系統規模，使其可以滿足電力系統運行要求。在具體實踐中應注意以下內容：（1）為了滿足更大功率系統的運行要求，需要在系統中設置超級電容器，作用是優化配電系統、輸電系統和發電系統，從而滿足不同情況下系統運行要求。同時也需要對開關元器件進行科學選擇，使其可以滿足儲能系統運行過程的相關要求，以提升儲能系統運行過程的安全性。例如，目前推行的滅磁開關具備了良好的兼容性，在儲能系統中有著良好的應用價值[5]。（2）在儲能系統優化過程中，也需要做好新技術的應用，如目前應用較多的大數據技術、信息技術、智能技術等，這樣也提高了數據處理過程的高效性，同時也可以優化系統內容，提升其儲能系統運行過程的安全性。

（七）做好儲能配置工作

除了上述提到的應用內容外，基于雙碳要求，在儲能技術應用中，也需要做好儲能配置工作。在具體設計中，也需注意以下幾點：第一，對于電力系統運行期間涉及內容進行梳理，如輸電線路、儲能要求、輔助要求等，針對實際情況來優化系統管理方案，提升儲能系統和其他設備之間的協調性[6]。第二，在具體應用中，也可以將PLC技術融入儲能系統管理中，使其可以對電力系統兼容性進行優化，利用I/O擴展口來提升系統運行過程的安全性。第三，在應用中也需要對儲能配置方案進行動態調整，使儲能系統可以契合不同階段的運行要求，提升系統運行過程的安全性。

四、結束語

綜上所述，在碳中和碳達峰背景下，如何提高電能應用過程節能性，屬于非常重要的工作內容。通過采取合理措施來提升儲能系統運行穩定性，對于減少電能損耗，減少碳排放有著積極的意義。