新能源发电系统中储能系统及其关键技术的应用分析

许思远

（广东惠州平海发电厂有限公司，广东 惠州 516000）

1 储能系统在新能源发电系统中应用的必要性

1.1 充当备用电源

新能源发电系统会受到天气等因素的影响，如风速的变化会影响风机发电，导致发电量波动。同样，光伏发电也会受到光照的影响，出现发电量较少、用电侧电力供应不足的问题。但在发电系统中引入了储能技术后，能够很好地解决这一问题，储能装置的配备能很好地响应并应对电量变化问题，实现电量调整，保证用电侧稳定供电。

1.2 保障电力系统的稳定运行

无论是光伏发电还是风力发电，都存在一定间歇性和不稳定性问题，新能源系统的并网会给电力系统的安全运行和电网的稳定性造成不良冲击。在新能源系统和发电系统中引入储能装置后，能够有效应对并响应新能源发电系统并网和接入过程中产生的电能波动。与此同时，能够进行有功功率和无功功率之间的转换，最终提高电网各项运行参数和运行指标的稳定性[1,2]。

1.3 平抑新能源功率突变

在天气等因素的影响下，发电系统的输出功率会呈现瞬时波动特征，影响电力系统的稳定运行。储能装置引入发电系统后能有效规避这一缺陷，快速应对瞬时波动和功率变化，保障稳定发电。

1.4 提高新能源发电的经济性

以光伏发电和风电为代表的新能源发电系统存在不稳定性，在并网中可能对电网产生不良影响，给电网带来极大负担。为了解决这一问题，需要为电网增加储能系统，提升备用容量。储能装置的应用能优化储能容量，以此提升电力系统的稳定性与经济性。

2 新能源发电系统中储能系统的关键储能技术

随着新能源发电系统的发展，并网安全性要求越来越高，储能系统对于新能源发电系统并网而言变得越来越重要。为了进一步提升储能系统发展水平，必须要不断发展完善相应储能技术。目前已经形成了多种成熟的储能技术，包括磁场储能技术、化学储能技术、机械储能技术以及电场储能技术等。不同储能技术具有不同的特征和应用环境，具体分析如表1所示。

表1 新能源发电系统中储能系统的关键储能技术分析

2.1 飞轮储能

飞轮储能是借助旋转体动能转化实现电能存储，飞轮在电机驱动下实现电能和动能之间的转化。为了保证达到最大的储能效率，一般在近似真空环境下运行飞轮系统，以此降低摩擦损耗，提升使用寿命。这种运行方式不仅规避了对环境的不良影响，而且降低了运维难度。但飞轮储能系统能量密度相对较低，系统安全性较差[3]。

2.2 抽水储能

抽水储能是目前发展最成熟的储能技术之一，也是应用规模最大的技术，应用时一般需要在发电系统上下游配备专门的水库。负荷低谷时利用电能进行抽水，将下游水库中的水抽取到上游水库中存储；负荷高峰时利用发电机设备，结合上游水库中的水资源进行发电。目前，该储能技术的能量转换率能够达到75%。抽水储能在应用中会受到建设周期、地势等因素的影响，加上用电区域和发电站之间距离较远，存在极大的能量损耗。

2.3 压缩空气储能

压缩空气储能能够有效进行电能负荷调节，在负荷低谷时利用空气压缩机进行处理，实现过剩电能存储。在电网负荷较高时释放压缩空气对燃气轮机做功，从而发电。压缩空气储能方式具有寿命长、响应快、效率高的优势，能源转化率也能够达到75%以上，具备较好的发展潜力。压缩空气储能主要应用于电力调峰，但在实际应用中会受到地形等因素的限制。

2.4 蓄电池储能

蓄电池储能系统中应用最广泛的是铅酸电池，大规模储能应用潜力最大的是液流电池。蓄电池储能成本相对较低，同时可以通过蓄电池组来提升容量，但该方式也存在一定的缺点，如寿命短等。在蓄电池储能发展中，很多新型蓄电池被不断研究和开发，在风电和光伏发电中均具有很好的适用性[4]。

2.5 超级电容储能

超级电容储能的基础也是电化学储能，基于双电层电容理论提供非常强的脉冲功率。超级电容储能系统在执行充电操作时，理想极化电极表面的电荷会吸引电解质溶液中的异质电荷，将异质电荷吸附在电极表面形成双电层电容，能够有效应对瞬态干扰和电压跌落[5]。

2.6 超导储能

超导储能借助超导体磁场能量和线圈实现能量存储，在进行储能和能量释放过程中实现能源转换、功率补偿，具有转换效率高、响应速度快、比容量大的特征。

3 新能源发电侧储能系统应用案例实证分析

3.1 系统及其接入方式

10 MW/20.266 MW·h储能系统包括2个3.45 MW/6.988 MW·h和 1个 3.45 MW/6.29 MW·h储能单元，储能系统采用集装箱一体化设计方案，具有安装维护方便、系统集成化程度高等优点。3.45 MW/6.988 MW·h储能单元由1台10 m逆变一体储能变流器集装箱和两台13.3 m磷酸铁锂电池集装箱组成，3.45 MW/6.29 MW·h储能单元由1台10 m逆变一体储能变流器集装箱和两台13.3 m磷酸铁锂电池集装箱组成，储能系统交流侧并网电压等级设定为10 kV，可以实现电网调频、调峰等功能。10 MW/20.266 MW·h储能系统1回路接入10 kV母线侧，图1为储能系统接入方式。

3.2 储能单元拓扑

单套锂电池系统由10个电池簇组成，每簇容量为349.44 kW·h，每10簇通过电池控制柜汇流后接入储能变流器直流侧，两台交流器输出直接并联，通过1台3 450 kVA干变升压后接入10 kV母线。每个储能单元集成有本地控制器，可以实现本地设备层综合管理，统一通信接口和协议，如图2所示。

3.3 储能系统主要配置

依据实际应用要求完成系统单元配置工作，保证系统充分发挥作用，提升系统应用控制模块的运行效能。

（1）3.45 MW/6.988 MW·h系统。在设置本地控制器的过程中，需要在设备层开展针对性控制管理，利用同一系统的通信接口和协议实现实时性信息管理，维持整体控制结构的可靠性。

（2）3.45 MW/6.29 MW·h系统。在本地设备层完成LC100 控制管理，统一建立匹配的通信接口和协议模式。

（3）能量管理系统。实现自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）调度处理，并且依据标准指令完成电网调频工作。建立相匹配的控制模式，以便完成能源的实时性管理和动态跟踪，最大程度上提高整个储能系统的运维管理水平。

（4）电网侧10 kV开关柜。一面设置10 kV进线柜结构，另一面设置PT柜，以实现双向计量处理。依据出线柜的相关标准和要求，维持控制效果的实效性，保证应用管理效果最优化。

（5）电厂侧低压开关柜。匹配电网侧10 kV开关柜，建立对应的储能应用控制单元，同时建立完整的应用运行平台。开关柜的具体规格为400 kW，能为集装箱提供较合理的供电处理辅助功能，打造更加可控、规范的应用框架，确保供电的及时性和安全性。

4 结 论

着重关注新能源发电系统中的储能系统，同时针对提出的混合储能系统的控制策略进行研究，借助超级电容器和蓄电池混合储能系统进行优势互补，最终保障系统稳定。通过对MATLAB/Simulink仿真实验结果的分析，验证了该控制策略的有效性。