碳中和碳达峰背景下储能系统关键技术要点分析

赵亚韦 国网山西省经济技术研究院

实现 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和（简称“双碳”目标）是国家进行的重大战略部署，其内容具备了非常重大的世界意义。在电力系统运行过程中，储能系统属于重要的组成内容。基于“双碳”目标，做好储能系统关键技术梳理，这样不仅可以优化储能系统内容，而且对于实现“双碳”目标有着积极的促进作用。

一、碳中和碳达峰相关内容论述

（一）基础内容

“双碳”目标是我国按照《巴黎协定》规定更新的国家自主贡献强化目标以及面向21 世纪中叶的长期温室气体低排放发展战略，表现为二氧化碳排放水平由快到慢不断攀升、在年增长率为零的拐点处波动后持续下降，直到人为排放源和吸收汇相抵。从碳达峰到碳中和的过程就是经济增长与二氧化碳排放从相对脱钩走向绝对脱钩的过程。电能作为推动社会经济发展的重要动力，做好储能系统优化属于非常重要的工作内容，对已有储能系统进行优化，可以为“双碳”目标的实现奠定良好的技术基础。

（二）约束条件

从目前的发展情况来看，在“双碳”目标的实现过程中，存在以下约束条件：第一，根据目前统计数据显示，我国人均碳排放量已经超过了7t，超过许多西方国家，而且在达到碳排放峰值前，所预留出的空间不足10%，若不能对其进行有效控制，也会影响到碳中和活动的顺利进行。第二，基于2018年统计数据显示，目前国内人均GDP超过1万美元，而西方国家的人均GDP超过3万美元，和西方国家之间存在较大的经济差距，这样在推行“双碳”任务时，也会遇到许多经济阻碍，进而限制“双碳”目标的顺利实现。

二、传统储能技术重要类型分析

（一）电储能技术

电储能又称电磁储能，现阶段较为常见的包括超级电容器和超导磁储能。超级电容器通过电磁场来存储能量，具有充放电效率高、循环寿命长、功率密度大、适用工作温度范围大等优点，但其能量密度较低，因此在微电网中一般与蓄电池配合使用。超导磁储能系统利用超导线圈及变流器等快速存储电磁能，能量密度大，但造价昂贵、维护成本高。

（二）热储能技术

热储能通常被进一步分为显热储热、潜热（相变）储热和热化学储热三种形式。显热储热是以改变材料温度的方式实现热能的存储与释放，具有成本低和技术成熟的优势，已经被广泛应用于电力调峰调度、火电厂余热回收和可再生能源发电等领域。潜热储热是利用材料在相变时的吸热和放热过程进行储能，其储能密度高、温度变化小，是目前热储能领域的研究重点。热化学储热通过可逆热化学反应的方式实现热能存储，是目前储热密度最大的储热方式，目前仍处于技术研发阶段。

（三）机械储能技术

机械储能是通过机械能与电能的相互转换实现能量的存储与释放，主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等技术。抽水蓄能技术的发展较为成熟，抽水蓄能电站在电力系统中可以起到削峰填谷、调频调相、提供备用容量等作用，但其局限性在于受地理和气候条件的限制。在压缩空气储能系统应用中，主要应用在燃气轮机当中，借助空气压缩机可以顺利完成能力存储，随后压缩空气的膨胀做功会驱动发电机进行发电，此时储能系统也可以将电能及旋转过程中的动能进行相互转换，以满足系统运行要求。该储能方式在应用中具备了运行功率高、使用年限场等优势。

（四）电化学储能技术

该储能方式在应用中，其储能原理是利用可逆的氧化还原反应进行电能的存储和释放，整个过程中，整个过程会以电池为载体进行，在应用中具有安装便捷性、电能响应速度快、技术成熟度高等，目前应用较多的电化学存储系统包括锂电子储能电池、铅酸电池，液态流动电池等。以锂电池为例，该电池目前的应用范围非常广泛，在手机制作、新能源汽车等领域中应用较多，并且也具备了良好的推广前景。

（五）化学储能技术

除上述提到的技术种类外，化学储能技术也属于经常使用到的储能技术，该技术在应用中的应用原理在于，基于电能驱动化学反应，来完成能量存储工作，目前经常使用到的应用载体为氢气、天然气等，利用氢气进行储能系统设计时，其原理在于对水进行电解处理，过程涉及氢气制备、氢气储备、氢气输送、氢气使用等环节，具备了维护成本较低、没有污染等优势。但是其转换过程中会对外释放许多热量，能量转换率只有30%～50%，但是其在风力系统中具备良好的适用性，被广泛应用在风力发电领域。

三、双碳背景下储能系统关键技术要点分析

（一）优化储能发电模型

基于“双碳”应用背景下进行储能系统设计时，优化储能发电模型属于非常重要的工作内容。在具体实践中，需要细化储能发电模型内容，包括电流控制器、功率控制器、升压电路、电网变频器、蓄电池等内容。在具体设计中也可以利用信息技术来构建发电模型，同时也需要细化模型中的应用参数，利用仿真模拟系统来校核参数合理性，从而提升设计方案内容的合理性。在发电模型出的设计中，也需要考虑和其他设备之间的关联性，以此为基础来完成施工方案设计。在具体设计中，会利用BIM技术来搭建管理系统，协调和其他设备之间的关系，并且利用系统来完成总平面图绘制，在具体绘制时会进行分段处理，从而为后续施工活动的顺利进行奠定基础。

（二）完善系统控制结构

在储能系统设计中，也需要做好控制结构的完善工作，基于“双碳”背景，可以考虑设计综合型控制系统，改善储能系统充电和放电过程，以提高电能资源的利用效率。在具体设计中，第一，对于储能系统线路进行考量，目前主要使用到的线路类型有串联线路和并联线路两种，同时也需要充分考虑到其他能源利用，例如，借助太阳能来辅助充电过程，以减少其他形式的电能损耗[1]。第二，对于系统控制结构进行合理优化，可以借助信息技术辅助控制结构模型设计，确保控制系统具备以下功能：①确保储能系统输出功率的安全性和稳定性；②提升系统充放电过程的稳定性；③协调储能系统输出和输入功的协调性；④具备储能系统运行安全保护、有效监测等功能。

（三）优化储能控制技术

在对储能控制技术进行优化设计时，应注意以下几点：第一，在社会用电量不断增加的背景下，电力系统的负荷等级也在不断提升。这样也提高了系统运行维护的难度，干扰到系统运行过程的安全性。基于此，进行储能设计时，需要充分考虑系统电容，在安全允许范围内扩大储能上限，从而提升所设计系统的安全性。第二，在储能系统中增加预警系统，其作用是对整个过程进行监测，如果出现异常问题，如功率不合理、输入电流过载等，系统在提出预警的同时，也会启动继电保护，避免故障问题影响到系统运行安全性。第三，在储能系统中也会融入自动化技术，起到优化控制系统的作用，具体内容接下来将进行详述[2]。

（四）完善系统保护方式

在储能系统优化设计中，也需要做好系统保护方式的完善工作，这也是提升储能系统运行安全性的重要基础。在具体实践中，也需注意以下内容：①在储能系统的工作中，需要做好科学保护工作，如建立继电保护结构，对于储能系统运行情况进行监测，从而提升隐患问题发生结果的有效性，提升所拟定技术保护效果的可靠性。②在储能系统保护过程中，也需要做好系统调度工作，基于信息技术应用优势，对于应用数据进行采集，跟进分析结果来调整储能信息参数，从而为电力调度活动的推进提供有效参考。③考虑到系统荷载的不断提升，在对系统进行保护处理时，也需要定期做好系统保护方式更新，使保护方式更加契合系统运行要求，提升储能系统工作状态的安全性[3]。

（五）引入自动化技术

在系统运行过程中，也需要充分利用自动化技术优势，提升储能系统运行过程的安全性，提高运行问题发现过程的及时性。在具体应用中，也需要注意以下内容：第一，在合适位置布设传感器，其作用是对储能系统工作数据进行监测，如输入功率、输出功率等，这些数据最终会在总系统中进行整理，若突破安全值范围会启动继电保护系统，保护其他设备不受影响[4]。第二，自动化技术在应用中，也需要针对其他不同环节进行集中化管理，作用是满足统一的管理要求，便于储能系统和其他设备之间的协调性。第三，做好自动化技术维护工作，并且将新技术融入储能系统管理当中，这样也可以更好地发挥技术的应用价值，确保储能系统工作状态的节能性与可靠性。

（六）优化储能系统规模

在储能系统应用过程中，也需要优化储能系统规模，使其可以满足电力系统运行要求。在具体实践中应注意以下内容：（1）为了满足更大功率系统的运行要求，需要在系统中设置超级电容器，作用是优化配电系统、输电系统和发电系统，从而满足不同情况下系统运行要求。同时也需要对开关元器件进行科学选择，使其可以满足储能系统运行过程的相关要求，以提升储能系统运行过程的安全性。例如，目前推行的灭磁开关具备了良好的兼容性，在储能系统中有着良好的应用价值[5]。（2）在储能系统优化过程中，也需要做好新技术的应用，如目前应用较多的大数据技术、信息技术、智能技术等，这样也提高了数据处理过程的高效性，同时也可以优化系统内容，提升其储能系统运行过程的安全性。

（七）做好储能配置工作

除了上述提到的应用内容外，基于双碳要求，在储能技术应用中，也需要做好储能配置工作。在具体设计中，也需注意以下几点：第一，对于电力系统运行期间涉及内容进行梳理，如输电线路、储能要求、辅助要求等，针对实际情况来优化系统管理方案，提升储能系统和其他设备之间的协调性[6]。第二，在具体应用中，也可以将PLC技术融入储能系统管理中，使其可以对电力系统兼容性进行优化，利用I/O扩展口来提升系统运行过程的安全性。第三，在应用中也需要对储能配置方案进行动态调整，使储能系统可以契合不同阶段的运行要求，提升系统运行过程的安全性。

四、结束语

综上所述，在碳中和碳达峰背景下，如何提高电能应用过程节能性，属于非常重要的工作内容。通过采取合理措施来提升储能系统运行稳定性，对于减少电能损耗，减少碳排放有着积极的意义。