储能技术在大规模新能源并网中的运用

郭子暄

（南方电网能源发展研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着电网发展进程的不断加快，储能技术在电力系统中也发挥了更大的作用。围绕电网安全和风电光伏等新能源消纳开展具体工作，践行灵活性保障机制，确保应用效果满足预期。

1 储能技术

储能技术借助相应的手段将富余的能量利用特殊装置予以存储，而在能量不足的状态下进行释放，更好地维持能量供需的平衡性。由于电能无法直接存储，因此一般是将其转变为机械能、化学能或电磁能，通过建立完整的存储模式，结合能量的转化方式和应用要求保证储能的效果。目前较为常见的储能技术主要包括物理储能、化学储能、相变储能以及电磁储能，其对比如表1所示。

表1 储能技术对比

抽水储能、飞轮储能、压缩气体储能均属于物理储能，化学电池属于化学储能，超导磁储能和超级电容储能属于电磁储能。除了化学电池储能处理方式，其余均为无污染储能控制，并且都具备功率较大、响应速率较快、能量转换率高的特点，要结合具体的应用环境和要求选取适配的储能技术方案[1]。

2 储能技术在大规模新能源并网中的应用

电力系统中应用储能技术要贯穿整个系统运行环节，包括发电、输电、配电以及用电，为了提升电力系统运行的稳定性，需要整合技术要求开展风电光伏等新能源并网消纳工作，最大程度上提高配电网和微网电力平衡水平，真正意义上降低电网增容对其运行质量和安全性产生的影响。

2.1 削峰填谷

电池储能系统在实际应用环境中能结合负荷的变化进行相应处理，不仅响应速度较快，而且能打造较为精准的控制模式，建立双向调节体系。不管是针对发电侧还是电网侧，储能技术在实际应用中都能形成削峰填谷的处理模式，在改善传统机组运行区间的同时，还能为电力系统经济性应用控制予以支持，并为风电光伏等新能源并网消纳提供较为可靠的处理依据。

2.2 辅助调频

近年来，传统的火电机组运行过程并不能有效满足功率跟踪和调频控制的要求，而应用储能系统能打造快速的响应模式，配合高效应用管理机制夯实能量转换的基础，有效提高转换效率，弥补传统机组调节性能应用不当造成的缺陷。根据调研数据，储能系统的调频效率要优于其他系统。

储能系统在实际调频应用控制环境中能建立较为合理且高效的控制模式，并且在受控的条件下能建立完整且规范的功率上下调控模式，最大程度减少机组旋转备用造成的资源损耗，打造更加可靠、安全且完整的调频控制体系。

在储能系统支持的调控模式中，无论是上调还是下调都能围绕功率交替展开，从而打造更加科学且规范的应用模式，配合灵活的处理机制最大程度上提高调节效率。输出功率能借助对负荷变化的精准跟踪予以调控，调控处理的精准性较好，大大缩减了调控的时长，便于提高调节速率[2]。相较于传统的调频机组，在自动发电控制（Automatic Generation control，AGC）指令下达后，储能系统可以建构更加可控的应用平台，并减少调节延时、偏差以及反向等问题，从而最大程度上发挥双向调节控制的优势作用，实现多元化调频。

2.3 提高电能质量

在风电场并网过程中，较为常见的问题就是电压降落或闪变现象，不仅会对电能传输的质量和安全性产生影响，还会造成严重的经济损失和安全隐患。而利用储能系统能打造有效的控制模式，发挥其大容量应用优势，对风电场并网引起的电能质量降低问题予以控制，有效改善应用难题。

如果应用储能系统中的飞轮储能，配合平滑输出功率波动性分析和处理就能实现更加可控的电能控制，避免并网容量不足对其应用效果产生影响，最大程度上改善电能质量。配合使用超级电容器，借助模糊逻辑控制对风电并网电能予以合理性调控处理，打造有效且规范的应用平台，维持整体调控效果。在进行仿真分析后可知，储能系统能最大程度上发挥其稳定作用，并对剩余容量予以电压协调补偿，提高电能应用的综合水平。

多数电力系统发电量都是借助预测系统负荷与传统发电机组出力差值进行评估，此时大规模风电功率接入会增加系统的复杂性，若不能有效调控，则难免会对电能传输的效果造成影响。借助储能系统改进遗传算法能对风速进行短期预测和评估，达到电力系统优化调度的目的，提升系统应用安全性，实现最佳经济效益。

2.4 优化经济效益

相较于传统的应用模式，储能系统能更好地提升电力系统整体净收益，借助“低充高效”的处理方式对峰谷电价差的电费差额年收益予以优化。由于相应的电能应用和转换模式发生了改变，因此储能系统的应用能大大优化调峰效果，创造较为可观的调峰收益[3]。储能系统配合火电、新能源等机组进行一次调频和二次调频的优化控制，从而形成年经济效益的有效优化，进一步打造更加可靠且安全的储能管理模式，满足大规模风电接入对于经济效益的新要求。

除此之外，还能从延缓电网改造、紧急备用系统优化等方面提高经济效益，减少系统停电产生的损失电量，有效建立更加科学的系统评估模式，避免用户电量不足产生的问题，真正意义上实现经济效益和安全效益的和谐统一。

2.5 太阳能发电

随着新能源的不断发展和进步，太阳能光伏发电和储能联合运行系统受到了更多的关注。建立相应的拓扑结构，配合结构应用要求和规范构建完整的应用运行管理机制，从而提升储能效果。光伏汇流母排通过DC/DC变流器直接接入电池储能系统，电池再经过逆变器完成电网的并入。光伏汇流母排分为两个基本路径，一路借助逆变器并网，另一路借助变流器接入储能系统。只有借助储能系统完成并网处理，才能最大程度上减少设备的损耗，并维持整体系统应用效果，符合大容量、快速响应的应用要求，确保最大发电量状态下依旧不会出现任何异常情况，为控制平衡提供保障。

3 分布式光伏+储能系统模块化集成

研究储能技术在大规模新能源并网中的应用时采用实证分析，以分布式光伏+储能系统模块化集成作为实际案例。这种分布式光伏+储能系统模块化集成设计方案具备典型的扩展性和灵活性，储能系统的一次电气设备包括变流器、电池、无功补偿器、升压配电箱以及电能质量调节器等，二次控制系统涵盖能量管理模块、电池检测模块、储能测控模块。各个系统模块之间需要进行安全隔离设计，保证即插即用。

3.1 储能电池单元设计

在进行储能电池单元设计时，需要基于最优技术经济性原则采用胶体电池和铅炭电池结合的混合储能系统。采用2 V/500 Ah铅炭电池（FCP-500）和2 V/500 Ah胶体电池（OPZV-500）进行储能电源设计，其中储能电源中两种电池各500个。整个储能单元一共包括4条支路，为了保证储能单元性能，需要进行集装箱结构优化设计和热管理优化设计。结合两个单体电池组的热力学特性进行热量统计和散热结构设计，保证最终结构能够实现最佳散热。在进行结构设计中，还需要进行温度场仿真计算和流场仿真计算，以保证最终的散热结构最佳。为保障储能单元的安全性，需要引入一体化监控模块，对储能系统的安全情况和周围环境因素进行实时监控。

3.2 储能双向变流器单元设计

储能双向变流器具备典型的双向逆变特性，能够实现容量为100 kW的并网充放电功能，同时实现1 kW/ms的功率变化率可调度。本文设计的储能双向变流器转换效率能够达到97%左右，同时交流输出电流总谐波畸变率≤3%。

3.3 储能电池监测单元设计

为了保障储能系统的安全性，设计储能电池状态监控系统，如图1所示。

通过该设计系统能够对储能电池状态进行实时监控，实现电池荷电状态（State Of Charge, SOC）的精确预测。底层电池管理单元（Battery Management Unit，BMU）还能实现对电池内阻、电压、温度等相关信号的监控，完成电芯相关数据的采集、监控，并在数据分析的基础上实现故障识别功能。上层集中管理单元（Centralized Management Unit，CMU）主要应用于BMU电池信息的采集和上传，总结归纳相关信息后得到组电池信息，然后通过深度分析计算实现热管理控制、电池状态估算以及荷电状态估算等。

本文提出的储能电池监控系统能够实现24 h的实时精准监测，从而保障整个光伏发电储能系统的有效监测。此外，该系统还能够实现整个系统中每节电池剩余电量的实时监测，从而了解电池的实时运行状态，保证单节电池和整个储能系统的安全稳定运行。储能电池监控系统运行中发现故障并给出预警后，需要根据预警提示信息进行系统处理，以排除故障。在实际设计中需要执行相关配套软件的设置，控制好软件的功能，保证其能够实现电池运行历史数据的全面调用和全面检索、电池实时监控以及故障信息警告等功能。本系统信息采集模块具有小体积化特征，安装简便，信息采集方便，配置灵活，安全运维成本较低[4,5]。

3.4 储能系统测控设计及其功能实现

加强测控中心的设计，通过测控中心实现对储能系统充放电状态的控制和监测，同时利用测控中心还能够进行远程自动控制，实现光伏并网和储能系统总体功率、电压的调节与控制。设计的测控系统还需具备当地分时电价的综合分析功能，对接电网结合电价政策进行充放电控制，保证其能够满足系统运行的总体经济性。此外，该测控系统还能对光伏及储能系统的总体设备数据进行科学采集与分析显示，为光储一体化系统的科学运行提供全面、智能化的控制保证。

4 结 论

储能系统的应用和发展为大规模新能源接入提供了更加安全可控的平台，能够有效优化电能传输质量，建立完整且规范的控制模式，配合储能应用要求实现削峰填谷、功率跟踪以及调频控制等功能，为系统整体经济效益和安全效益的提升提供保障，促进电力系统的可持续健康发展。