儲能技術在新能源電力系統的應用研究

中國礦業大學（北京） 孫翠清

國內高速發展的經濟使得各行業對能源的需求量激增，火力發電等傳統發電方式為國家的可持續發展帶來了較大壓力，新能源電力系統的研究與應用成為電力行業發展的重要方式。為了實現對風能、太陽能等新能源的高效應用，儲能技術成為電力企業的重點研究技術內容，相關企業希望通過高效的儲能轉化技術為電力系統的可靠運行提供支持，推動新能源在電力系統中的可靠應用。

1 新能源電力系統中的儲能技術分析

1.1 電化學儲能

電化學儲能即為蓄電池儲能，該技術在新能源電力系統中應用較為廣泛，其工作原理為依靠電池正負極反應完成電能與化學能的相互轉化，滿足電力系統用電需求的同時儲存系統多余的電量，實現對新能源的高效應用，為新能源的并網運行提供幫助。金屬電池是各企業應用較多的電池類型，此類電池能夠依靠金屬的氧化還原反應實現電能與化學能的轉化，材料應用成本較低的同時具有較高的轉化效率，如鋰電池即為蓄電池中的高效產品，能夠在短時間內完成大量化學能與電能的相互轉化。

1.2 物理儲能

物理儲能包括壓縮空氣、飛輪以及抽水儲能幾種類型，能夠以物理能的形式存儲電能，在實際應用時，電力企業通?？梢越Y合發電類型、環境現狀等合理選擇儲能方式，實現對能源的高效應用。抽水儲能雖然儲能容量較高，但是該技術容易受環境限制，在環境位置不合適的情況下往往會消耗更多的應用成本，該技術在風力資源豐富的西北地區缺少應用的環境基礎；飛輪儲能主要是將電能存儲為機械能，雖然具有較高的功率密度，但是缺少足夠的能源存儲量，在磁懸浮、材料相關技術的限制下，該技術難以實現大規模應用；壓縮空氣儲能與抽水儲能類似，對環境要求高，通常需要在密封良好的空間內使用，其建設快且造價低，但是在儲能效率方面存在欠缺。

1.3 電磁儲能

超導儲能具有無損耗、存儲時間長、效率高、響應快速等性能優勢，但是該技術的應用需要依靠高溫超導材料來實現，在材料技術的限制性，導致該儲能方法難以得到廣泛應用。超級電容器儲能需要應用高介電常數的電容器，這種儲能方式在保證較長使用周期、較快響應速度、較大功率密度以及極高瞬時功率的同時，存在端電壓不穩定、低能量密度等缺陷。

2 儲能技術在新能源電力系統中的應用

2.1 儲能技術在太陽能電力系統中的應用

太陽能發電產生的電能需要通過光伏并網的方式為電網輸送電能，為了避免新能源電能造成電網波動等問題，電力企業需要積極研究高效的儲能技術，盡可能提升儲能設備的穩定性和瞬時功率傳輸水平，確保電能輸送過程的平滑性，確保光伏并網的順利進行。為了提升技術應用效果，電力企業可以將信息化、智能化計算機技術與儲能技術融合應用，通過智能系統對技術應用過程進行自動化控制，規避設備并網運行隱患。在太陽能電力系統應用儲能技術時，電力企業需要根據光熱、光伏等不同的系統運行模式選擇適宜的儲能技術方案，合理應用相變儲能、電化學儲能等方式實現對太陽能的高效應用。

2.2 儲能技術在風能電力系統中的應用

新能源電力系統的平穩可靠運行離不開相關技術設備或人員對瞬時功率的有效控制，相關企業需要依靠各種技術手段維持新能源電能的瞬時功率平衡性，以此來規避系統波動問題。風能電力系統控制難度極大，電力企業需要通過儲能技術將原本極不穩定的能源轉化為可靠輸出的穩定能源。在實際應用時，傳統的儲能技術在風能系統中應用效果較差，通常需要依靠超導儲能等穩定性極強的技術來規避風速干擾短路、聯絡線干擾短路等系統運行穩定，該技術還可以幫助工作人員快速定位系統故障區域，為風電場的穩定運行提供保障。

3 新能源電力系統中分布式并網儲能系統設計研究

基于太陽能和風能等新能源建設的分布式并網電力系統雖然在近年來發展迅速并得到推廣應用，但是此類系統相對火力發電等電力系統具有嚴重的不確定性和間歇性，不穩定的電能功率也導致所并入電網的波動。在新能源占比不斷提升的過程中，電力企業對高效儲能技術的需求日益增加，電力系統的平穩運行離不開儲能技術的至此。分布式儲能系統可以在負荷側獨立運行，也可以與新能源發電系統融合應用，最終實現電能質量優化、調峰調頻、填谷削峰等目標，對新能源并網運行具有積極意義。

3.1 分布式儲能系統架構

新能源發電分布式儲能系統結構如圖1所示，系統接入點為并網開關，該點還用于檢測并網電力參數。儲能系統主要包括蓄電池組（電化學儲能）、雙向變流器、能量分配系統、電池管理系統、負荷預測系統幾個部分。其中，負荷預測能夠預測負荷需求量，能量分配系統可以根據蓄電池荷電狀態、分時電價等信息確定能量分配方案，將相關指令發送給雙向變流器，實現對蓄電池組充放電狀態的控制。其中，放電控制需要根據負荷狀態、雙向變流器容量、能量分配系統控制指令來實現，充電控制則主要依靠蓄電池充電特性的設定結果來自主實現控制過程。

圖1 新能源發電分布式儲能系統結構示意圖

3.2 分布式儲能系統控制策略

分布式儲能系統主要有并網運行以及離網運行兩種模式，前者用于電網運行狀態正常期間，系統與電網直接連接，實現接入點電壓穩定、電能質量調整、調峰調頻、填谷削峰等工作目標；后者用于電網故障停用期間，通過與電網解列的方式規避故障影響，為負載獨立供電。下面主要對電網正常運行時的并網運行模式進行分析。

（1）分布式儲能系統充電模式控制策略

國內不同時段具有不同的電價，電力企業通常將分時電價政策應用于工業、工商業等電力客戶，在電網電能需求量低的電價低谷時刻，儲能系統的能量分配系統將控制蓄電池組進行充電。在充電過程中，蓄電池組需要經歷恒流充電、恒壓充電以及涓流充電三個階段。在第一階段，蓄電池充電電流及效率與電池的種類存在關聯，其中隨著充電電流的變化，蓄電池本身的充電效率也會產生變化。在蓄電池端電壓達到設定值時，蓄電池充電模式將進入第二階段。該階段，充電電流將持續降低，充電電壓維持不變，隨著時間的推移，充電電流將降低至極小狀態，此時充電模式將進入涓流充電階段，蓄電池電壓將在小電流充電的作用下維持在額定數值。一般而言，蓄電池組可以在電價低谷期完成充電，在充電未完成的情況下，系統可以在基本電價期為蓄電池組持續充電至滿電狀態，在充電完成后將會處于放電等待狀態。

（2）分布式儲能系統放電模式控制策略

在放電模式中，儲能系統可以根據分時電價數據控制系統在電價高峰期、尖峰期進行無功補償或放電。在第一個電價的尖峰時刻中，儲能系統需要盡最大能力滿足負荷側用電需求。在負荷側功率超出儲能系統額定功率的情況下，系統以額定功率輸出，反之則以負荷側功率輸出。在第二個電價的尖峰時刻中，儲能系統需要根據容量剩余情況盡可能滿足負荷側的用電需求，相關要求與第一次尖峰時刻相同，但在容量低至下限時需斷開儲能系統與電網的連接，負荷側的功率需求轉由電網滿足。在電價的高峰時刻，負荷側的電能需求由儲能系統以及電網共同滿足，雙方各自滿足50%的功率要求，在實際應用時，如果儲能系統額定功率比50%的負荷測需求功率高，則系統以50%的負荷測需求功率輸出，電網輸出功率與儲能系統一致；如果儲能系統額定功率不滿足負荷側50%的功率需求，則儲能系統以額定功率輸出，電網以負荷側功率需求與儲能系統額定功率的差值功率輸出。在第二個電價高峰時刻，電網與儲能系統分別承擔負荷側功率需求的70%與30%，后續若仍有電量剩余可參考第二個尖峰時刻的運行模式為負荷側供電。

結語：綜上所述，儲能技術主要包括物理儲能、電化學儲能以及電磁儲能技術應用方式，新能源電力系統需要根據系統運行環境、技術條件、并網運行需求的多方面的因素合理選擇儲能技術。在太陽能、風能等電力系統中，電力企業需要充分考慮能源的不穩定特點，利用儲能技術規避并網時的電網波動問題。在并網運行時，電力企業需要建立智能化的儲能控制系統，結合負荷需求、分時電價、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，滿足電網運行需求。