储能技术在新能源电力系统的应用研究

刘麾　徐恩慧

摘要：在我国进入21世纪快速发展的新时期，国内高速发展的经济使得各行业对能源的需求量激增，火力发电等传统发电方式为国家的可持续发展带来了较大压力，新能源电力系统的研究与应用成为电力行业发展的重要方式。为了实现对风能、太阳能等新能源的高效应用，储能技术成为电力企业的重点研究技术内容，相关企业希望通过高效的储能转化技术为电力系统的可靠运行提供支持，推动新能源在电力系统中的可靠应用。

关键词：储能技术;新能源;电力系统;应用;研究

引言

储能技术的应用能够存储风电系统发电电力，根据电力供应情况进行充放电，起到调峰效果，使电力系统更为稳定，并减少资源浪费。基于此，本文首先阐述了常见储能技术类别及其特点，指出风力发电系统中储能技术的具體应用情况，在此基础上展望储能技术在风力发电系统中的未来应用前景，旨在深入探讨储能技术在风电系统中的应用价值，以供参考。

1研究背景

通过对新能源电力系统的基本构成和实践成果进行调查，总结出该系统具备以下几个方面的关键特征：（1）高渗透性。我国新疆、甘肃等地区已经较好地实现了对新能源的集中应用，而在未来一段时期内，新能源电力系统也必将在我国部分地区获得集中式的发展。（2）基于侧向供应的多能源互补性。该特征的具体呈现可分为两个方面：①通过运用恰当的技术手段，对太阳能、风能等清洁能源进行充分利用，可在很大程度上避免电力供应中出现的能量波动问题。②在新能源电力系统中融入先进技术的应用，可实施对用户用电情况的实时化监测和信息获取，根据实际用电状态去调整电价的变动。（3）随机性和波动性。新能源电力系统在运行期间，受到新能源集成作用的影响，会产生不同程度的震荡效应，继而威胁到系统运行的安全性。

2储能技术在新能源电力系统的应用研究

2.1蓄电池储能技术

蓄电池储能技术为传统化储能手段，经长期开发与探索，蓄电池储能出现多种类型，并在多领域中得到广泛应用。随着蓄电池储能的发展，电池存储容量逐渐提升，大幅度提高了蓄电池应用价值。（1）铅酸蓄电池。该类蓄电池存储容量已达20MW，远超蓄电池初期发展水平，因铅酸蓄电池可靠性高、制作成本低、环境要求低，故而在风力发电系统中较为常见。铅酸蓄电池在环保与资源再利用方面存在劣势，当铅酸蓄电池使用寿命结束后将不具备任何用途，且铅酸蓄电池在降解期间无法无公害化处理，若处理不当则会污染环境，与新时代生态环保理念相悖。（2）镍氢电池。该类电池最早于2008年在北京用于混合电动车，在实际应用期间发现，镍氢电池能量转化情况与周围环境存在紧密关联，即受环境影响大。若在电流较小的情况下，放电时的能量密度至少为80kWh/kg，但若电流较大，放电时的能量密度降至40kWh/kg。（3）铿离子电池。该类电池同样受环境影响较大，且制作工艺复杂，故而在风力发电系统内不适用。（4）全钒液流电池。汞在电解液环境中将产生化学反应，在电极表面进行氧化还原，继而完成蓄电池的充放电。在钒液流电池实际应用期间，其高效率、低成本的特点逐渐被业界关注，现已取得一定成效。

2.2分布式储能系统放电模式控制策略

在放电模式中，储能系统可以根据分时电价数据控制系统在电价高峰期、尖峰期进行无功补偿或放电。在第一个电价的尖峰时刻中，储能系统需要尽最大能力满足负荷侧用电需求。在负荷侧功率超出储能系统额定功率的情况下，系统以额定功率输出，反之则以负荷侧功率输出。在第二个电价的尖峰时刻中，储能系统需要根据容量剩余情况尽可能满足负荷侧的用电需求，相关要求与第一次尖峰时刻相同，但在容量低至下限时需断开储能系统与电网的连接，负荷侧的功率需求转由电网满足。在电价的高峰时刻，负荷侧的电能需求由储能系统以及电网共同满足，双方各自满足50%的功率要求，在实际应用时，如果储能系统额定功率比50%的负荷测需求功率高，则系统以50%的负荷测需求功率输出，电网输出功率与储能系统一致;如果储能系统额定功率不满足负荷侧50%的功率需求，则储能系统以额定功率输出，电网以负荷侧功率需求与储能系统额定功率的差值功率输出。在第二个电价高峰时刻，电网与储能系统分别承担负荷侧功率需求的70%与30%，后续若仍有电量剩余可参考第二个尖峰时刻的运行模式为负荷侧供电。

2.3储电网运行技术

相较于一般储能电站的运行，储电网运行更加关注内部各储能电站的协同和作为整体对电力系统的支撑。对内来说，储电网需要协调其内部各储能电站的运行来响应系统需求。现有储能运行过程中，常针对系统某一信号（如频率、电压等），根据自身控制策略作出响应。然而，从系统角度来看，不同储能电站的响应行为可能会互相抵消，如充放电对冲，造成调节资源的浪费。因此，如何在满足各储能电站自身的运行目标的同时，协调其各自的响应动作，发挥储电网的规模效应，提高整体利用效率，将是储电网运行的关键技术之一。对外来说，储电网需要合理分配其调节能力来参与不同类型系统服务。相比于现有社区共享储能、储能聚合商和云储能等储能发展形态，储电网具有体量更大、分布范围更广的特点，面向大电力系统提供服务的能力更强，能够更加深入地参与到系统范围的调峰、调频、备用、潮流调控等场景中。因此，如何协调储电网参与不同类型系统服务，实现其多场景融合运行，降低储能资源的闲置率，最大化地发挥其价值，将是储电网运行的关键技术之一。

2.4实时预测系统

近年来，我国可再生能源的消耗量正在逐渐增加，为推动新能源发电的可持续发展，维护电网的运行安全，必须做好新能源开发和调度方面的工作。在这方面，相关企业需要将重点放在新能源调度技术的优化上，尽快建立起先进的、完善的风电机组仿真模型，设置新能源并网发电及监测管理系统，实施对整个发电、送电流程的实时化监控，方便及时发现系统运行中的安全隐患。另外，要注重增强各区域电网之间的连通性，确保新能源的及时调度和利用，一方面降低新能源电力系统的运营成本，减少企业的经济损失，另一方面提高电网的调节控制能力，使绿色能源得到合理的运用。同时由于新能源电力系统的运行数据较为复杂，为增加系统运行的协调性，还应加强云计算技术的科学使用，从而全方位地预测和分析电力系统的运行状况，让新能源输电安全有保障，为广大用户提供更优质的供电服务。

2.5双电池储能

现阶段主要有两种缓解风电功率波动的方式，即借助储能装置与功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用储能装置，但无法确保风能采集应用效果，而运用储能装置搭建储能系统，能够良好采集风力发电量，通过电能存储，为电网输送稳定电能。电池储能效果优异，故而在风力发电系统中得到广泛应用。近年来，电池储能技术发展迅速，为延长电池储能装置使用寿命而提出双时间尺度协调控制的方式，用于控制风电功率波动，确保电池储能装置能够在风电系统中发挥良好作用。此外，为缩减系统运行成本而出现了大型电池储能装置，由多个电池组成，通过双层控制方式调节风电功率波动，并配置不同电池储能单元的功率，在此基础上，逐渐出现了双电池储能技术，由两个电池装置构成，分别用于充电与放电，当实际风电功率高于电网调度功率时，充电电池将始终保持充电状态，当实际风电功率低于电网调度功率时，充电电池将停止工作，而放电电池进入工作状态，两个不同功能的电池充放电状态根据实际风电功率而切换，因状态切换由两个电池单独进行，可避免单个电池装置进行状态切换的弊端，相较于单个电池装置，能够有效延长电池储能装置使用寿命，并优化调度功率，使不稳定性风电能够持续化送入电网。

2.6物理储能

物理储能包括压缩空气、飞轮以及抽水储能几种类型，能够以物理能的形式存储电能，在实际应用时，电力企业通常可以结合发电类型、环境现状等合理选择储能方式，实现对能源的高效应用。抽水储能虽然储能容量较高，但是该技术容易受环境限制，在环境位置不合适的情况下往往会消耗更多的应用成本，该技术在风力资源丰富的西北地区缺少应用的环境基础;飞轮储能主要是将电能存储为机械能，虽然具有较高的功率密度，但是缺少足够的能源存储量，在磁悬浮、材料相关技术的限制下，该技术难以实现大规模应用;压缩空气储能与抽水储能类似，对环境要求高，通常需要在密封良好的空间内使用，其建设快且造价低，但是在储能效率方面存在欠缺。

2.7以抽水蓄能为主体构建电力系统储电网

结合我国储能发展现状和前述抽水蓄能的发展优势，本文提出以抽水蓄能为主体，电化学储能等新型储能辅助的方式建立电力系统储电网，特指各大中小型储能电站，以及连接它们的输配电线路。储电网的核心在于有功功率的全网统一性，即有功功率是作用于电力系统整体功率平衡，储能并不局限于解决某一节点的问题，而是具有系统全局性的价值。储电网运行过程中，作为一个整体应对新能源消纳等电力系统面临的问题;组成储电网的各储能电站，由调度部门从系统全局的角度协调其各自的运行，或者通过各中小型储能电站自组织协同的方式，实现储电网的整体性能最优。储电网作为一个整体运行时：（1）可以有效避免不同储能电站各自为政可能引发的充放电对冲，减少资源浪费，从而减少电力系统整体储能需求，延缓投资压力;（2）可以减少储能资源的闲置，实现储能在电力系统不同场景下的综合价值。以抽水蓄能为主体构建电力系统储电网，将从以下三个方面支撑储能自身的发展和未来电力系统的安全高效运行：（1）可以充分利用我国地形特点，在东南地区配置更多技术更为成熟、成本相对较低的抽水蓄能，在起到对电力系统同样支撑作用的同时，减少电源侧电化学储能等新型储能的配置需求，实现资源的合理配置。（2）通过建立储电网，将区域内各大型储能电站的运行纳入电力系统调度体系中，通过调度部门的统一调控，实现储电网与输电网、配电网及电源侧和负荷侧的协同运行，中小型储能电站可以通过自组织协同调控，充分发挥储电网在电力系统各应用场景下的综合价值。（3）储电网主体与未来“外电内送”新格局下的负荷中心高度重合，既能够提高电力供应可靠性，又能够极大增强电力系统灵活调节能力，有助于提高负荷中心消纳能力，支撑未来新格局电力系统的安全、高效、低碳运行。

结语

综上所述，储能技术主要包括物理储能、电化学储能以及电磁储能技术应用方式，新能源电力系统需要根据系统运行环境、技术条件、并网运行需求的多方面的因素合理选择储能技术。在太阳能、风能等电力系统中，电力企业需要充分考虑能源的不稳定特点，利用储能技术规避并网时的电网波动问题。在并网运行时，电力企业需要建立智能化的储能控制系统，结合负荷需求、分时电价、蓄电池功率、蓄电池容量等合理控制蓄电池组的充放电过程，满足电网运行需求。

参考文献

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