儲能技術在電力系統中的應用

王涵，姚興

（河南師范大學國際教育學院，河南新鄉，453007）

儲能技術以其自身所具備的諸多優勢，在電力系統中得到廣泛應用。但從實際情況來看，單獨的儲能技術或多或少存在一定的缺陷，影響了實際的應用效果。為使儲能技術在電力系統中的應用優勢得以最大限度地發揮，需要通過有效的方法，彌補這些技術缺陷。比較簡單的方法是復合儲能技術，通過一些技術措施，將不同的儲能技術有機結合到一起，以此來提升該技術在電力系統中的應用效果。

1 儲能技術的主要類型

從本質的角度上講，儲能技術即存儲電能，這是一項比較先進且實用的技術，它的提出及其在電力系統中的應用，使一些傳統的問題得到有效解決。該技術的主要類型如下：

■1.1 機械儲能

這是比較成熟的儲能技術，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用較為廣泛，其最為突出的特點是存儲容量大。相關統計數據顯示，我國抽水蓄能裝機容量居于世界首位，截止到2020年末，投運的抽水蓄能機組總容量已經超過4000萬kW。抽水蓄能機組的運行效率大約在75%左右，使用年限約為50a，適用于電力系統調峰、調頻等環節。唯一的不足是機組建設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力進行發電。當電力負荷處于低谷期時，通過空氣壓縮，可將電能存儲到相應的容器當中。待到用電高峰期時，可對壓縮的空氣進行釋放，借此來對渦輪機進行驅動，從而達到發電的目的。這種儲能方式的特點體現在如下幾個方面：能量的轉換效率非常高、且存儲容量較大、運行時間長。該技術在發達國家應用的較為廣泛，典型的項目如表1所示。

表1 國外壓縮空氣儲能典型項目

■1.2 電磁儲能

電磁儲能是一種較為先進的儲能形式，大體上可細分為以下兩類：一類是超導磁，另外一類是超級電容器[1]。

1.2.1 超導磁儲能

這種儲能形式又被稱之為SMES，它是利用超導線圈對電磁能進行儲存，具有響應速度快、儲能密度大等特點[2]。由于超導磁儲能裝置的造價相對較高，并且運行時會產生強磁場，從而制約了該儲能方式的推廣應用。

1.2.2 超級電容器

該儲能形式的理論基礎為電化學，利用電解質完成充電/放電，其特點是使用年限長、功率密度高、響應速度快等。在實際應用中發現，這種儲能形式的能量密度比較低，耐壓水平也不是很高，從而限制了其應用。

■1.3 電化學儲能

這是一種利用電池完成電能存儲與釋放的過程，電池儲能系統是該技術的主要儲能形式，如鋰離子、鉛酸以及液流電池等[3]。其中鋰離子電池的循環壽命比較長，且能量密度相對較高，但具體應用時發現，其安全性和穩定性偏低；鉛酸電池的循環壽命較短，并且使用過程中會對環境造成污染；全釩液流電池的輸出功率高，且響應速度非常快，結構簡單、設計靈活，可實現模塊化組合拼裝，典型項目如表2所示。

表2 液流電池儲能典型項目

2 儲能技術在電力系統中的應用

■2.1 儲能技術的作用

在相當長的一段時間里，我國的電力系統以火電為主，通過燃煤進行發電會對環境造成一定的污染，風電的出現使這一問題得到有效解決。風電以風能作為動力源，風是一種自然現象，具有隨機、波動等特性，由此對風力發電的穩定性造成不利影響。通過儲能技術，可以使風電出力變得更加穩定。

近年來，在全球性能源危機的背景下，利用可再生能源進行發電已經成為必然趨勢。正因如此，使得風電和光伏發電在電力系統中的占比不斷增大。然而可再生能源發電雖然能夠緩解能源緊缺的現狀，減輕環境污染，但這種發電方式卻具有穩定性低、無法保證連續性等缺陷。以目前應用較為廣泛的風電為例，風是這種發電方式的基礎，而風速的變化具有不確定性，波動變化非常大，由此使得風電機組的輸出呈現為波動性和間歇性的特點。從國內目前的總體情況來看，越來越多的風電接入到電力系統當中，其對電網運行的影響逐步顯現，想要最大限度地發揮出風電的作用，并減輕其對整個電力系統的影響，就需要對儲能技術進行合理應用。

■2.2 多元復合儲能模式

在電力系統中對儲能技術進行應用的過程中，除要考慮所選儲能系統的技術性能之外，還應當將經濟性作為考慮因素。不同的儲能裝置技術參數有所差別，具體包括以下幾個方面：循環壽命、能量、周期效率等等。然而，現階段并沒有任何一種儲能裝置可以完全達到上述要求，解決這一問題最為有效的途徑是多元復合儲能。所謂的多元復合儲能實質上就是將機械儲能、電磁儲能、電化學儲能等不同類型的儲能技術或裝置，通過合理的方法組合到一起，形成一個全新的儲能系統，該系統具備多種儲能技術的性能，并且能夠實現技術方面的優勢互補。根據上文中對儲能技術類型的分析，提出SMES與蓄電池復合的儲能系統，通過該系統對風電場的功率波動進行平抑，確保風電處理的平穩性與可控性。

■2.3 復合儲能系統的應用要點

本文提出一種全新的復合儲能系統，它由兩個不同的儲能技術組合而成，一個是SMES技術，另一個是蓄電池技術。復合儲能系統在風電并網中的應用模式如圖1所示。

圖1 風電并網系統中的具體應用模式示意圖

超導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入到電力系統當中，需要對直流進行轉換，使其變為交流，這個過程可以通過變流器來實現。變流器會按照控制器實時傳輸的指令，對兩個儲能單元的充電與放電過程進行精準控制，通過變流器與復合儲能系統的協同運作，可實現電力系統電流的動態調節[4]。圖1中各個部分的功率存在一定的數學關系，可用下式進行描述：

在上式當中，Pwind表示風電場的實際出力；sb P與P分別表示復合儲能系統中兩個儲能單元的有功功率；Pgrid表示風電場與復合儲能系統疊加在一起后的總輸出功率的負值。本次提出的復合儲能系統的電路拓撲結構如圖2所示。

圖2 復合儲能系統電路拓撲結構示意圖

從圖2中可以清楚的看到，復合儲能系統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，斬波器會同時輸出電壓和電流反向。故此，需要在開關位置處以反并聯的方式加裝二極管，從而使能量經由二極管后反饋給電源。用L表示系統側濾波器和線路的電感等效，用R表示內阻與器件的開關損耗。C2是直流母線側的電容，它的主要作用是提供穩定的直流電壓，保證雙向變流器的正常運行。超導磁本身具有電流源的特性，在這一前提條件下，需要通過并聯的方式加裝斬波器，對超導磁體兩端的電壓進行調節。因為蓄電池的電壓源基本均為等效，所以只需要通過變流器對其工作電源進行調節即可。儲能單元的能量變換由斬波器與變流器配合實現，在此基礎上，可通過直流電流的形式，對能量進行存儲[5]。之所以采用上述結構，與其所具備的優勢密切相關，具體如下：復合儲能系統中的儲能單元能夠擁有屬于自己的獨立變流器，這樣便可按照上層傳輸過來的指令實現精確控制。

為便于研究，假設復合儲能系統中兩種不同儲能裝置同時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，變流器的工作狀態共有4種。需要闡明的一點是，設計控制器時，以復合儲能系統的功率和能量控制作為重點，變換器為理想器件，即不計算其運行時的損耗。

為確保復合后的儲能系統能夠保持運行穩定、可靠的運行狀態，需要對其進行有效控制。基于此提出一個兩層的控制系統，實現對復合儲能的有效控制。該控制系統除了能夠確定復合儲能的功率需求之外，還能控制變流器的開關，在這一前提下，使儲能裝置完成充、放電。復合儲能中，控制系統的控制重點是變流器，通過對變流器的控制，來達到調節電流和電容電壓的目的[6]。對此，可以采用前饋解耦的方法進行控制，將電流調節作為內環，電容電壓調節作為外環，這樣能夠使控制過程變得更加簡單，具體可通過PI控制予以實現。

3 結論

綜上所述，為提高電力系統的運行穩定性，解決風電并網對系統造成的不利影響，可對先進的儲能技術進行合理應用。在具體應用時，為最大限度地發揮出儲能技術的作用，達到預期中的應用效果，可將兩種以上的儲能技術聯合到一起，組成復合儲能系統。本文的研究結果表明，經復合后的儲能系統可以彌補單一系統的缺陷和不足。