“雙碳” 背景下新型電力系統的儲能規劃與運行控制技術研究

王 哲

（南瑞電力設計有限公司， 江蘇 南京 211100）

0 引言

在國家戰略實施 “雙碳” 目標的背景下，開展新能源的研究，是實現 “一次能量零碳化、二次能量高效利用” 的重要發展方向。而在未來的新型電力系統發展過程中，新型電力系統將逐漸替代傳統的燃氣電、煤電等電力生產方式。在新能源開發利用中，如何有效地應對其不穩定因素，是保證未來電力資源生產和傳輸過程中的電力儲備充足的重要保證。新能源的開發與利用通常建立在電力系統的儲能技術之上，只有依靠新型儲能技術才能實現電能的最大利用。

1 針對新型電力系統進行儲能規劃的必要性

在 “雙碳” 目標持續推進的背景下，風能發電、太陽能發電等新電力能源的開發和利用已成為未來可持續發展的主要趨勢之一。考慮到光伏、風電的特點（如圖1 所示），其最大的缺陷是波動性、分散性和不穩定性，因此，完善的儲能方案及其相應的調度方法將對電網的 “實時均衡” 和 “平穩運行” 產生重要的影響。能量存儲涉及電力供需均衡管理、電源側管理和需求側管理等諸多方面。作為最為基礎的儲能系統，其系統規劃設計的好壞，關系到新能源系統能否真正滿足目前社會的用電需求[1]。

圖1 新型電力系統的相關重點特征示例

需求側管理就是通過調節和干預綜合用電負荷特性曲線方式，達到提高負荷消耗的目的，是提高用能效率、達到節能目的的一種重要手段。而進行電源側管理，目的主要在于通過優化各電源群系統的發電特性、運行參數來進一步提高系統的整體發電性能，從而有效解決系統中的電能變化傳輸問題。合理采用系統運行控制技術，電力系統可以實現峰谷互補，滿足電力用戶的用電需求。

2 新型電力系統儲能規劃與運行控制技術類型

2.1 電化學能量存儲——電化學儲能

在日常生活中，電化學能量存儲，即電化學儲能，是一種最常用的能量存儲方法，主要利用電化學蓄電池蓄電方式將電能儲存起來，能量轉化效率高達81%左右[2]。目前，使用最多的是鋰—聚合物電池，如磷酸鐵鋰、三元鋰電池等。化學電池的高效率和廣泛應用，促進了新能源汽車等領域的發展，同時，也促進了電力系統中儲能技術的新突破。

2.2 機械能量儲存——抽水儲能

在這些新的電力系統中，抽水蓄能是最普遍的一種，既簡單可行，又具有較強的實用價值。同時，也是一種成本低廉、可控性好的能源。抽水蓄能技術主要采用水力，其整體轉化效率在75%左右。抽水蓄能的基本實現原理是通過將電能轉化為勢能，從而實現對能量的傳輸和存儲，以滿足產生多余電力的需要。將勢能轉化為電能，可以應對發電不足。在大型電力系統中，利用抽水蓄能，可以實現電源低谷、高峰的切換。從目前的實際應用情況看，抽水蓄能技術具有操作成本容易控制、容量大、能量循環效率高、自放電率低和壽命長等特點，且發展歷史悠久，技術成熟程度高[3]。除了抽水蓄能之外，目前廣泛使用的機械蓄能技術有兩種，一種是壓縮空氣蓄能，另一種是飛輪蓄能。飛輪儲能可以為UPS 供電，以壓縮空氣為儲能單元，用于分布式電網。

2.3 電磁能量存儲——電磁儲能

不管哪一種能源存儲方法，都是先把電能轉換成其他能，然后再將其轉換成電能。超導能量存儲是指將電能轉換成電磁能，并將其存儲起來的一種新技術，從而達到穩定供電的目的。從其核心部件、技術原理等方面來看，超導體的性能是決定儲能技術性能、能量損失情況的一個關鍵因素，并且在一定程度上也會受到高溫、低溫等因素的影響。因此，在極端高溫和極端低溫條件下，均可應用于各種超導材料。與此同時，在電力系統中，超導能量存儲是最常用的一種技術，在新型電力系統中得到了廣泛應用，該方法不僅能夠有效解決新能源發電技術運行過程中的接入難題，同時，也具備較強的快速響應、動態調節能力的特點[4]。從根本上說，超級電容屬于一種電容裝置，具有十分強大的應用功能，并且，能夠存儲更多的電力能源。此外，通過科學運用超級電容儲能技術，也可以在某種程度上解決能量在動態儲存、科學儲存和有效儲存等方面的難題。其最大的優勢是工作狀態穩定、維修簡單以及壽命長，見表1。由于其內部電阻較小，相對于傳統的電化學存儲，具有耐過充、耐高溫等優點。同時，還具有高比表面、高介電常數和高耐壓等優勢，是一種極具發展潛力的新型儲能材料。

表1 超級電容所具有的優勢及特點

2.4 太陽能能量存儲——太陽能板儲能

太陽能板儲能技術是一項將太陽能板儲能技術應用于光伏發電領域的研究。其基本原理就是將太陽能電池板所產生的電能存儲起來，再用逆變器將其轉化為電能并輸出。這一新型的可再生能源利用技術，不僅具有良好的區域適應性，而且能夠降低系統故障發生率，提高系統的可靠性，還能有效解決太陽能發電儲能的問題。

3 儲能規劃與運行控制技術探討——以氫儲能規劃與運行為例

3.1 運行特點分析

氫能雖非一種能量來源，卻可以用于電力存儲，是一種重要的能量存儲手段。因為氫氣不能在自然界中單獨存在，因此，制取氫氣需要消耗大量的能量。當前，綠氫的應用前景非常廣泛，其技術實施路徑主要為綠色能源→電力→綠氫→電力的方式，見圖2。在轉換過程中，都會產生能量損失，因此，其經濟性不高，應將其分為需求方，在特殊場景的特殊需求下進行應用[5]。在雙碳目標下，氧存儲的優越性日益凸顯。盡管目前已實現約80%的氫氣轉化，但氫氣儲存依然面臨巨大的技術挑戰，尤其是在零碳儲能領域，以氫氣為能源的儲能方式，其能耗是目前已知最大的，但在經濟上卻沒有任何優勢。

圖2 綠氫儲能技術實施路徑

然而，在電力系統中，氫能的應用仍不容忽視，尤其是氫作為新能源，如氫燃料電池為新能源汽車提供能源，是實現 “零碳” 的重要途徑之一。在新能源電網中，電力系統的運行狀態不穩定是一個大問題，而儲能技術則更多地使用在用電低谷和峰谷用電調度上，無論何種儲能技術，都要在發電高峰期間將電能存儲起來，以保證電力的持續穩定輸出。氫能存儲能量技術不只是一種新的能源系統，更是一種對雙碳減排有很大幫助的新能源。

3.2 技術運行難點及主要技術路線原理

氫儲能技術路線的基本思路：將新能源發電系統的電能通過功率電子轉換器轉換成氫氣，以水為主要原料，通過電解反應生成氫氣，實現儲能。然后，以氫為燃料，將化學能轉換為電能。從容量上來說，相比于電化學存儲技術，氫能存儲技術的儲能容量更大，整個系統的容量甚至可以達到GW 級。隨著工藝水平的不斷提高，可進一步提高氫能存儲技術的整體經濟效益，降低工程造價。另外，利用氫能存儲技術，可以實現氫能存儲，大大提高了新型電力系統的儲能靈活性。氫儲能的技術難點及優勢如表2 所示。

表2 氫儲能的技術難點及優勢匯總

4 結語

伴隨新型電力系統的不斷進步和發展，電力系統運行中所用的傳統發電技術、儲能規劃方式及手段等也將逐漸被淘汰。在此過程中，如何解決新型電力形態儲能運行控制技術的不可持續、不穩定等問題，將成為當前乃至今后很長一段時間內的研究重點。通過采用科學有效的儲能技術，能夠有效調整電力系統的電源峰谷差，進一步提高電源的供給穩定性，并在新型電力系統運行中發揮更大的作用。