復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)在主動(dòng)配電網(wǎng)中的運(yùn)用研究

彭田 陳雪圓

（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 2.國(guó)網(wǎng)肥西縣供電公司）

0 引言

安全、優(yōu)質(zhì)、低成本是當(dāng)今社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)提出的基本要求，也是后續(xù)幾年中各地電網(wǎng)的共同發(fā)展目標(biāo)。在全球經(jīng)濟(jì)一體化及科技迅猛發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及需求也出現(xiàn)明顯改變，各種新用電裝備在人們生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用，以致電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)荷持續(xù)增多，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量及供電過(guò)程可靠性提出更高的要求。將儲(chǔ)能技術(shù)用在電力系統(tǒng)建設(shè)中，在確保供電活動(dòng)可靠性的基礎(chǔ)上，能顯著改善電能質(zhì)量，提升能源利用效率，幫助電力企業(yè)，謀得更多經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

1 復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)的主要特點(diǎn)

儲(chǔ)能技術(shù)形式多種多樣，目前抽水蓄能在我國(guó)電力行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。結(jié)合主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模、運(yùn)行特點(diǎn)等情況，電池類、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等配電網(wǎng)內(nèi)常用的儲(chǔ)能技術(shù)類型，適用性整體偏高。對(duì)于鉛酸、鋰離子、鈉硫電池等蓄電池儲(chǔ)能形式，雖然在技術(shù)層面上抵達(dá)的成熟度有差別，但現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中都達(dá)到了大容量?jī)?chǔ)能，以上這種類型的儲(chǔ)能可以被叫做能量型儲(chǔ)能。在儲(chǔ)能過(guò)程中表現(xiàn)出自損耗低、儲(chǔ)能時(shí)間較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但循環(huán)使用壽命較短暫、響應(yīng)速率較遲緩，可以被用在削峰填谷、負(fù)荷調(diào)控領(lǐng)域或者作為備用電源。與蓄電池相比較，飛輪和超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)主要集中在功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快速等方面[1]。該類儲(chǔ)能技術(shù)最大的特征是具備短時(shí)大功率充放電的能力，且對(duì)充放電過(guò)程具備一定承受能力，可以被叫作功率型儲(chǔ)能，將其在配電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮短時(shí)功率支持、能量緩沖及提升電網(wǎng)質(zhì)量等作用。

復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)有效運(yùn)用各類儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，互補(bǔ)運(yùn)作，較好地滿足了電網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行需求。且國(guó)際上有大型儲(chǔ)能電池公司正在積極開發(fā)適用于高功率充放電工作模式的儲(chǔ)能電池產(chǎn)品，配合運(yùn)用功率型電池和傳統(tǒng)能量型電池，使儲(chǔ)能電池更好的滿足調(diào)頻、調(diào)峰、削峰填谷等諸多工作模式。

2 復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用

（1）削峰坡谷

電力負(fù)荷自身存在著晝間高峰與夜間低谷的周期式變化，負(fù)荷峰谷差通常占總發(fā)電出力的30%~40%，當(dāng)今社會(huì)環(huán)境中電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差數(shù)值呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)增趨勢(shì)，電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力巨大[2]。造價(jià)十多年前，國(guó)家電力相關(guān)部門針對(duì)電力需求側(cè)改革聯(lián)合下達(dá)相關(guān)文件，提出十多項(xiàng)管理及激勵(lì)辦法，做出完善峰谷電價(jià)制度的體制，倡導(dǎo)實(shí)現(xiàn)低谷蓄能等。

眾所周知，儲(chǔ)能站被直接接到配網(wǎng)，能夠在用電低谷時(shí)期作為負(fù)荷儲(chǔ)能，于用電高峰時(shí)段作為電源將電能釋放出來(lái)，以上這種形式有益于減弱峰谷差，進(jìn)而間接的減少峰值負(fù)荷，對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)等同于改善負(fù)荷屬性，對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平及負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程等實(shí)現(xiàn)了有效管控。直接給電網(wǎng)帶來(lái)的益處有：降低系統(tǒng)對(duì)備用容量及調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組的需求；減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)的能量損失，降低設(shè)備成本投入，提升配電裝置的利用效率；減少火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰的頻次，提升發(fā)電效率，進(jìn)而創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

（2）抑制電網(wǎng)振蕩現(xiàn)象

機(jī)組運(yùn)行階段，任何微小干擾誘發(fā)的動(dòng)態(tài)不均衡功率均會(huì)引起振蕩現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)附加勵(lì)磁控制能取得較好的抑制效果，但是如果面對(duì)的是大型復(fù)雜互聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的區(qū)域間多模式低頻振蕩情況，有效性最強(qiáng)的控制點(diǎn)位可能處于和機(jī)組相距甚遠(yuǎn)的某條輸電線上，若此時(shí)采用遠(yuǎn)距離系統(tǒng)實(shí)用性最強(qiáng)的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁加以抑制管理，很難取得理想的控制效果。

事實(shí)證明，若大容量、快速響應(yīng)的儲(chǔ)能裝置能促進(jìn)電力系統(tǒng)在任何工況下實(shí)現(xiàn)功率的完全平衡，以上是一種主動(dòng)式致穩(wěn)的思想理念。主要是因?yàn)檫@種電力系統(tǒng)穩(wěn)控裝置無(wú)需與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)協(xié)同作用，故而可以更加便利的用在系統(tǒng)內(nèi)，可以將其視為抑制振蕩的最有效位置。儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用時(shí)能給電網(wǎng)提供1~2s有功功率補(bǔ)償，各機(jī)組在遭受干擾以后陷入暫態(tài)的過(guò)程中，依然能維持同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，規(guī)避系統(tǒng)崩潰這種惡性事件。

SMES具備ms級(jí)響應(yīng)、大容量最功率/能量傳輸?shù)膶傩裕瑢?shí)際應(yīng)用時(shí)能明顯增強(qiáng)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安穩(wěn)性，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行期間突發(fā)故障問(wèn)題或受到干擾時(shí)能迅速地吸收/發(fā)出功率，減弱與消解掉擾動(dòng)因素給電網(wǎng)造成的沖擊，消散互聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)的低頻振蕩現(xiàn)象，有效抑制同步振蕩與諧振過(guò)程，且在干擾解除以后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，促進(jìn)電力系統(tǒng)快速?gòu)?fù)原穩(wěn)定狀態(tài)，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3]。

（3）改善電能質(zhì)量

合理運(yùn)用大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)能明顯改善配網(wǎng)電能質(zhì)量，鞏固并提升系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性；為系統(tǒng)提供備用資源，包括調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、電力穩(wěn)定器等。

如果用戶端對(duì)電能質(zhì)量或電壓波形提出較高要求時(shí)，就需在負(fù)荷側(cè)連接儲(chǔ)能系統(tǒng)，配合運(yùn)用高端的電子電力技術(shù)，有益于減輕系統(tǒng)的諧波畸變[4]。達(dá)到高效的有功功率調(diào)控與無(wú)功管控，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)不同因素造成的不均衡功率實(shí)現(xiàn)平衡過(guò)程，解除電壓凹陷與凸起現(xiàn)象，將整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓維持在正常水平上，提升負(fù)荷母線電壓的平穩(wěn)度，確保廣大電力用戶電壓波形的平滑性，進(jìn)而顯著提升供電的電能品質(zhì)。

從技術(shù)層面上分析，當(dāng)下運(yùn)用的儲(chǔ)能裝置是為各個(gè)用戶提供連續(xù)的優(yōu)勢(shì)供電電源，且能使用戶自行選擇何時(shí)經(jīng)配電回路由電網(wǎng)獲得電能或朝向電網(wǎng)回饋電能。明顯增強(qiáng)用戶用電過(guò)程的可靠性，停電事件發(fā)生頻次、時(shí)間及造成的損失顯著降低，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

（4）延緩配網(wǎng)升級(jí)，減少成本投入

如果某一電力線路實(shí)際負(fù)荷超出其容量設(shè)計(jì)時(shí)，則要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)或增建干預(yù)，傳統(tǒng)方法是升級(jí)或增建變壓器、輸配電線路等，成本很高，特別是人員密度大的市區(qū)。

近些年，儲(chǔ)能技術(shù)日益成熟及相關(guān)裝置制造成本不斷降低，電力企業(yè)面對(duì)負(fù)荷增加將要超出負(fù)載能力的狀況時(shí)，電力企業(yè)可以嘗試：①在過(guò)負(fù)荷狀況很少發(fā)生且過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象只出現(xiàn)在某天的數(shù)小時(shí)中；②負(fù)荷增加過(guò)程遲緩；③電網(wǎng)升級(jí)費(fèi)用高，通過(guò)小容量?jī)?chǔ)能方式能延緩較大的投資過(guò)程，“杠桿”作用十分顯著；④傳統(tǒng)的升級(jí)辦法不能順利實(shí)施，例如無(wú)線路走廊，受限于環(huán)境、美觀性要求等因素而無(wú)法敷設(shè)線路時(shí)，通過(guò)在過(guò)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)安裝小容量的儲(chǔ)能設(shè)備有助于延緩電網(wǎng)升級(jí)引起的較大成本投入情況，配網(wǎng)升級(jí)進(jìn)程也會(huì)被延緩[5]。

儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用時(shí)若能形成規(guī)模化效應(yīng)，則能輔助提升發(fā)電、輸配電設(shè)備的利用效率，降低相關(guān)電源及電網(wǎng)建設(shè)投入，引領(lǐng)電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)外延擴(kuò)張型轉(zhuǎn)變成內(nèi)涵增效型。

3 復(fù)合儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展方向

（1）儲(chǔ)能單元技術(shù)

處理儲(chǔ)能單元技術(shù)是復(fù)合儲(chǔ)能未來(lái)發(fā)展中需要進(jìn)行的首項(xiàng)工作。當(dāng)前，超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪及超導(dǎo)儲(chǔ)能、各類先進(jìn)電池儲(chǔ)能因自身存在容量問(wèn)題而很難用在大型電力系統(tǒng)內(nèi)。伴隨世界各國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車科技發(fā)展情況重視度不斷提升，鋰離子電池憑借自身優(yōu)良的性能被用在該領(lǐng)域內(nèi)，帶動(dòng)該項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，和其他化學(xué)電池相比，其技術(shù)、性價(jià)比更占優(yōu)勢(shì)。在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)內(nèi)，鋰離子電池的能效轉(zhuǎn)換率最高，其使用壽命很長(zhǎng)，在電力儲(chǔ)能方面適用性很強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建設(shè)了完善的產(chǎn)業(yè)鏈[7]。

當(dāng)前，儲(chǔ)能領(lǐng)域采用的大部分鋰離子電池是動(dòng)力電池牽引而來(lái)，具備動(dòng)力電池的生產(chǎn)性能，材料可靠性高，但面對(duì)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站多運(yùn)用場(chǎng)所的規(guī)劃與管控還有很大的完善空間。我國(guó)大部分儲(chǔ)能電站尚未建設(shè)出短時(shí)調(diào)頻等需高功率充放電的作業(yè)模式，但美國(guó)A123與Alraimano等公司在高倍率儲(chǔ)能電站開發(fā)建設(shè)方面已經(jīng)做出巨大投入，使儲(chǔ)能型電池更好的適用于調(diào)頻、調(diào)峰、削峰填谷等諸多作業(yè)模式[6]。這預(yù)示著儲(chǔ)能電站將會(huì)創(chuàng)造更多的商業(yè)價(jià)值適用于更多場(chǎng)所，當(dāng)然對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能也會(huì)提出更嚴(yán)格的要求。

（2）儲(chǔ)能調(diào)控技術(shù)

為了使復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)的性能充分發(fā)揮出來(lái)，要聯(lián)合運(yùn)用、協(xié)調(diào)管控具備快捷響應(yīng)及具備大容量特性的儲(chǔ)能系統(tǒng)，借此方式使電網(wǎng)獲得完全消納間歇式新能源發(fā)電的功能。當(dāng)前組合儲(chǔ)能單元時(shí)多運(yùn)用如下方式：其一是電容疊加電池，其二是功率型配合能量型電池。關(guān)于大規(guī)模儲(chǔ)能電站運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)策的研究主要集中在復(fù)合儲(chǔ)能的運(yùn)用措施及工作特征方面，結(jié)合各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的特征，探討不同儲(chǔ)能單元的調(diào)控技術(shù)，促進(jìn)儲(chǔ)能單元之間的實(shí)時(shí)通信，掌握各單元電能信息，協(xié)調(diào)控制智能化調(diào)整過(guò)程，在配電網(wǎng)內(nèi)順利切換不同工作模式，提升配電網(wǎng)對(duì)能源的消納效果。

（3）優(yōu)化復(fù)合儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)特性

經(jīng)濟(jì)成本是限制大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)推廣應(yīng)用的一項(xiàng)主要因素，近些年儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)內(nèi)的作用逐漸被認(rèn)識(shí)，特別是復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)聚集了多項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)越性，較好的滿足了電網(wǎng)運(yùn)行需求，經(jīng)濟(jì)價(jià)值明顯提升。在復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)，科學(xué)配置多種儲(chǔ)能技術(shù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命是后期研究工作中的重點(diǎn)，伴隨儲(chǔ)能技術(shù)成熟度的提升，其生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)減少。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)展及應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)有很大現(xiàn)實(shí)意義，我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)當(dāng)前還處于初期階段，存在技術(shù)成熟度不夠、安全性不足及成本偏高等問(wèn)題，短期中很難產(chǎn)生規(guī)模化效應(yīng)。應(yīng)加大新型專業(yè)技術(shù)的研發(fā)力度，最大限度的提升儲(chǔ)能系統(tǒng)性能及運(yùn)行穩(wěn)定性，創(chuàng)造更多效益。