储能技术大规模应用的可行性研究

黄　欣，范偲偲

（1.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750011；2.岭南师范学院信息工程学院，广东湛江　524048）

新能源是一种清洁能源，随着国家节能减排，治理大气污染的一系列政策的出台，大规模发展以风光为主的新能源发电［1-3］已成为趋势。据权威统计，中国风电和太阳能发电装机在过去5年分别增长2.6倍和56倍，累计装机达到114.61 GW和28.05 GW，分列世界第一和第二位，可以预见，未来新能源电力必将由当前的补充性能源快速发展并最终成为能源结构中的重要组成部分［4-6］。

新能源快速且大规模发展给目前电网带来了一定问题：电网接纳新能源的能力与空间、时间紧密关联，并具有一定随机性，电网稳定性受到考验；电力不能够大量工业化储存，供需矛盾加剧；缺乏新能源场站与电网的统一规划，加之受系统调峰能力不足、跨区间联网交换容量限制等因素影响，弃光现象越来越严重，新能源接纳问题日益突出［7-11］。

对于利用储能技术平缓新能源问题，文献［12-15］ 将储能技术应用并网风电系统，平滑有功功率，提升低电压穿越能力，增强风电的可控性，降低对电网的影响。文献［16-17］ 将混合储能用于并网光伏电站的有功分级控制，限制了有功功率的变化，解决了光伏电站输出不稳定的问题，改善了电能质量。文献［18-20］ 提出储能技术是电力系统发、输、变、配、用、储六个环节之一，是未来电力系统不可缺少的部分。现在的储能技术主要从新能源的源头平抑其间歇、随机和不可控的特性，并没有把大量的电能真正意义上大规模地储存起来，因此发展和大规模使用储能技术是解决新能源突出问题的关键。

本文提出风、光、储互补型的稳定发电系统，在风光发电系统中引入储能装置。储能装置能够适时吸收或释放功率，低储高发，在提高电网对新能源的接纳能力、电网调频、削峰填谷，提高电能质量和电力可靠性等方面起重要作用［21-23］。以储能控制技术为基础实现新能源联合控制发电，发展出一种可控输出的优质电源，使新能源发电适应传统电网。建设小型的风、光、储互补型稳定发电系统，规划出系统图，分析功能模块和监管系统，预测今后新型的新能源发展模式，探索实现新能源稳定发电的可行性，同时这也是“十三五”发展规划对新兴产业重点关注的领域。

1新能源迅速发展中出现的问题

1.1　新能源消纳矛盾突出

新能源发展规模迅速增加，电网消纳新能源能力有限，我国“三北”地区弃风、弃光现象越来越严重，2015年弃风电量达到33.9 TW·h，全国风电平均年利用小时数下降到1 728 h，比2014年下降165 h，新能源接纳问题日益突出［24-25］。以西北地区为例分析2015年风电新增装机及用电量增长和弃风/光的情况，如图1、图2所示。

图1　2015年西北风电新增装机及用电量增长情况

图2　2015年西北新能源逐月弃风/光情况

由图1、图2可知：西北新增装机中新能源占25.64%，全社会新增用电量占新增新能源理论发电量的95.36%，新能源消纳的电量空间较为紧张。全网用电量增长缓慢，电量空间明显不足，加之外送需求不足，汛期受入四川水电还要增加，新能源消纳矛盾更加突出；新能源每月都有受阻情况，月份不同，受阻程度不同，2015年风电利用小时数同比下降7.7%、光伏利用小时下降11.83%。

据测算，2015年甘肃电网预计全年风电发电量为17 TW·h时，同比增长47.8%；风电利用小时数约1 538 h，同比减少2.7%，弃风电量约7.9 TW·h时，弃风率31.8%，同比增长21个百分点，消纳通道和调峰受阻的比例为1∶9。2015年，甘肃电网网架结构建设滞后于新能源建设，同时省内负荷增速放缓，电力电量大量富余，加之跨省跨区交易新能源意愿不强，甘肃电网新能源窝电严重。

图3　2015年甘肃电网风电逐月受阻电量分布

2015年宁夏电网全年风电发电量9.037 TW·h，同比增长28%，风电利用小时数约2 014 h，同比增加10.36%，弃风量约0.154 TW·h，弃风率1.68%，同比增长384%，消纳通道和调峰受阻的比例为8∶2。宁夏电网相比甘肃电网的弃风率较低，但随着宁夏风电装机不断增长及区域通道受限严重，宁夏风电限电将逐步成为新常态。

图4　2015年宁夏电网风电逐月受阻电量分布

1.2　新能源对电网运行稳定性的威胁

新能源是一种非优质的电源［26］，与传统电网比较，新能源的发展使电网的安全稳定性遇到新的挑战，主要体现在以下几个方面：

（1）新能源的发展使发电侧的不可控性空前增加。

（2）新增新能源理论发电量几乎占据了全社会新增用电量的100%，新能源消纳空间紧张。

（3）电网规模扩大化及结构复杂化使风险加大。

（4）分布式电源的加入使得电网潮流的不确定性增大，难以预测，负荷峰谷差增大。

（5）调峰调频容量空前巨大，所增输配电能力的年均利用率低，经济性差。

新能源迅速发展会造成弃风、弃光、限电，威胁电网稳定性等问题，随着近几年储能技术的快速发展，逐步将储能技术应用在新能源发电系统中，是解决新能源非优质电源给电网带来影响的良好方法。

2　储能技术应用于新能源发电系统

2.1　储能技术应用于风力发电机组、风电厂

大规模风电并网会面临稳定性（电压和频率稳定性）、低电压穿越、穿透功率极限、电能质量等主要问题［27-28］。在风电机组变流器直流侧配以储能系统以提高风机输出功率的稳定性，需要每台风电机组安装储能双向变流装置，并采用相应的控制策略将风力发电机组骤降的功率缓慢平滑，储能电池起到“功率缓冲器”的作用，使得在最极端苛刻的条件下送入电网的功率满足要求，同时能吸收多余能量，保护风电机组，从而增强风电机组低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）能力，储能装置如图5所示。

采用具有快速响应和动态调节能力的储能技术能够有效提高新能源电力系统的稳定性。在单个风电机组安装储能双向变流装置，能够提高和平缓风力机的输出功率，增强风电机组的低电压穿越能力。

图5　风电机组的储能双向变流装置

2.2　混合储能应用于光伏电站

在传统并网光伏系统的直流母线上添加储能元件，即构成了带储能系统的并网光伏系统，通过控制储能双向变流器电感电流值的大小与流动方向，实现了对储能元件的充放电；通过储能元件对电能的储存和释放，可以平滑太阳能发电出力波动，解决太阳能发电自身出力的随机性和不可控性问题，减小太阳能出力变化对电网的冲击［29］。混合储能光伏发电系统结构如图6所示。系统是由光伏电池、储能单元（超级电容和锂电池）、储能控制器、逆变器和上位机组成。

图6　混合储能光伏发电系统结构

2.3　风、光、储联合发电

风能与太阳能在自然资源的时空互补性构建联合发电系统，能够有效弥补风电与光电的随机性、间歇性等缺陷，达到平稳输出功率的目的，对实现能源结构优化具有重要意义。

对于风、光、储联合发电系统而言，当风、光发电出力大而系统负荷需求较小时，储能装置进行充电；当风、光发电出力小而系统负荷需求较大时，储能装置进行放电，以此达到平滑输出功率、跟踪计划出力的目的。

图7　风、光、储联合发电系统结构

3　风、光、储互补型稳定发电系统新构想

3.1　新型储能技术的研究

在传统电网调峰、调频能力发挥到极限的情况下，从新能源发电源头平抑其间歇性、随机性和不可控等特性还解决不了当下存在的问题，发展和大规模使用储能技术是解决问题的关键。以储能控制技术为基础实现新能源联合控制发电，发展出一种可控输出的优质电源，使新能源发电取代传统的火力发电成为可能。

3.2　建设小型的风、光、储互补型稳定发电系统的总体思路

（1）以一个实际风电场（49.5 MW）的千分之一约50 kW的风力发电模拟系统、光伏电站（20 MWp）的千分之一约20 kW容量的光伏发电系统和100 kW的几种储能电池（铅酸电池、锂电池和超级电容）为主要部件组成系统，建设风、光、储互补型稳定发电系统示范工程。

（2）开展基于储能技术的小型风、光、储互补型稳定发电系统研究工作，探寻稳定发电系统合适的储能电池配备容量，为将来大规模使用打好基础。

（3）完善和提高储能变流器PCS技术，确保系统提供稳定的电源输出。

（4）利用该平台研究微网、配网、可控负荷（直流负荷以及充电桩）的相关技术。

（5）研究接入配网的分布式发电对配网的影响。

3.3　系统建设方案

小型的风、光、储互补型稳定发电系统采用交直流混合型结构应用技术方案，主要包括光伏发电模块、储能模块、充电桩模块、直流配电模块、监控系统模块、预留模拟风电发电模块。充分发挥分布式电源并网、储能系统削峰填谷、直流配电负荷调控以及监控系统全方位监控与能量管理的功能。

图8　小型的风、光、储互补型稳定发电系统

3.3.1总体功能实现

三相交流电380 V为系统与公用配电网接口，系统设定一定的发电容量，通过总监控系统保持向配电系统的稳定供电。光伏发电模块额定功率20 kW，采用多晶硅电池组件串并联后，通过逆变器接入电网；储能模块可实现四象限能量流动，在光伏发电模块发电充裕情况下，储能模块处于充电模式，当负荷较重，储能模块释放有功充当电源；充电桩模块和直流配电模块作为系统可调节负荷，在光伏发电模块发电充裕情况下接入系统，当系统发电容量不能满足输出要求时，切除负荷保证系统发电平稳连续。

3.3.2总监控系统与能量管理系统

①总监控系统完成对各个模块的信息采集与管理，实现对各设备工作状态的总监控，实时统计光伏发电、储能电池的能量状态。

②集成的能量管理系统可实现光伏发电、储能、充电设备、直流配电网能量管理和预测，在设定的发电目标下对储能和负荷进行分配管理，保证向配网稳定发电。

3.3.3储能模块

储能模块包括储能逆变器及其控制系统，其主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，也是一种双向变流器，可以快速有效地实现平抑发电系统随机电能或潮流的波动。

储能模块功能包括：

（1）功率平抑主动控制方式，适于间歇式能源输出功率短时波动平抑；

（2）功率平抑被动控制方式，接受电网调度系统控制，参与电网的削峰填谷；

（3）充放电一体化设计，可根据储能元件的特性选择充放电策略。

（4）并网运行，无功自动或调度补偿功能，低电压穿越功能。

（5）离网运行，独立供电，电压和频率可调；多机并联组合供电，多机间功率可自动分配。

（6）具备以太网、CAN和RS485接口，提供开放式的通讯规约，便于BMS（电池管理系统）和监控系统间的信息交互。

（7）完备的保护功能，在各种故障情况下能保护变流器及储能元件的安全。

图9　储能模块接线

3.3.4光伏发电模块

光伏发电模块内部接线见图10，多组光伏电池组经过直流开关接入滤波器，通过升压与逆变后再通过滤波器并网，光伏发电模块自身具备最大功率点跟踪（MPPT）实现光能到电能的高效变换，同时为防止交流侧供电故障，光伏模块通过能源管理系统可实现孤岛运行，与储能模块共同支撑负荷用电。

3.4　新型新能源发电模式趋向

今后的风电机组将转化为智能风力发电单元，光伏发电组件转化为智能光伏发电单元，新能源发电场站转化为综合稳定发电系统。生产的风力发电机组是风机、储能、智能控制发电的综合体，能够在一定时间段内根据电网运行情况稳定输出电能；生产的光伏发电单元是光伏发电、储能、智能控制发电的综合体，也能够在一定时间段内根据电网运行情况稳定输出电能；建成的集中接入电网的新能源场站是风电+储能、光伏+储能、风电+光伏+储能在完善的大功率双向换流、能源管理系统技术支撑下的综合稳定发电系统。

4　大规模储能技术发展实现途径

大规模储能技术是解决光伏发电、风电和分布式能源所面临瓶颈问题以及代替常规机组调峰、调频的稳定可靠运行的经济而有效的解决方案。现阶段大规模储能装置的成本过高限制了储能技术的发展与应用，更由于缺乏激励和引导，对储能技术的研究始终没有大的进步，要实现可再生能源成为未来发展的支柱，储能技术将被倒逼取得突破，包括各种储能系统的协调优化技术都需要有革命性的突破。

4.1　转变观念促进新能源与储能技术的共同发展

在新能源发电还没有发展起来之前，储能和发电在两个不同的空间各自发展。当新能源发电在政策的引导下蓬勃发展起来将传统电网调控能力完全榨干，弃风弃光成为常态的情况下，储能就是发电这一观念应该成为新能源发展的新思路，所以现在的新能源不仅有风电、光伏，应该再加上储能。针对作为新能源的储能，国家应该制定比发展新能源发电的优惠程度更高的配套政策，使储能技术在不久的将来成为支撑未来电网发展的支柱产业。

4.2　电网需要适应大规模储能装置的应用

（1）互联网离开了存储技术无法发展，同样传统电网离开储能技术适应新能源未来发展也寸步难行。

（2）大功率储能技术大量应用到电网不仅能够提升电力系统稳定性，还能替代电网备用容量调峰调频。

（3）大规模储能装置的接入对电力系统的控制、设计、调度以及规划有很大的影响，因此，掌握其动态特性，并对储能装置内部的非线性电磁过程及其与系统其余元件的相互作用的研究尤为重要。

4.3　多种措施促进储能技术的发展

（1）政策支持。国家应制定更合理的电价政策，使得废弃电、低品位电和高品位电相应的价值得到合理区分。只要政策合理，储能产品就会有源源不断的资金进入，形成蓬勃发展的态势。

（2）资金支持。对类似于压缩空气储能发电系统、安全环保型的电化学储能新技术的开发与应用提供专项资金支持，最大限度地支持可能产生革命性进步的储能技术的研发和应用。

图10　光伏发电模块接线

（3）产业自主提升技术，促进储能技术更广泛的应用。

（4）新能源场站积极主动地采用先进的储能技术，减少弃风、弃光现象的发生。

5　结论

在新能源迅速发展的时代，发展以储能技术为基础的风光储稳定发电系统，建立健全系统稳定发电系统方案，加强控制和管理机制，突破储能的协调优化技术，改变认识观念，增加储能的应用，获得国家政府的支持，使储能技术健康稳态的发展。互补型发电系统能够低储高发，有效减少系统输电网络损耗、实现削峰填谷、获取经济效益。在新能源即将成为主要发电电源的电力系统中，风光储稳定发电系统在电力调峰、抑制新能源电力系统中的传输功率的波动性、提高电力系统运行稳定性和提高电能质量方面具有举足轻重的作用。

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