储能技术在新能源电力系统中的应用分析

关新，吴世玮，解雨琪，李明洋

（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136）

1 新能源发电发展概况

随着“双碳”计划的持续稳步推进，我国风力发电、光伏发电等新能源清洁发电技术迎来了宽广的发展空间。据目前的数据统计，至 2022 年 12 月底，我国风电装机总容量达 3.654 4 × 108kW，同比增长率为 11.2 %（参见图1）。其中，新增装机容量为 3.763 × 107kW，同比减少 21 %（参见图2）。2021 年，我国风力发电量已达 6.526 × 1011kWh，同比增长率为 40.5 %。2022 年 1 月～2022 年 11 月，风力发电量累计为 6.144 8 × 1011kWh，累计增速为 12.2 %（参见图3、图4）。

图1 2017～2022 年中国风电装机容量统计图

图2 2017～2022 年中国风电新增装机容量统计图

图3 2017～2022 年中国风力发电量占比统计图

图4 2017～2022 年中国风力发电量统计图

风力发电作为新能源发电系统的主要组成部分，在我国电力系统发电总量中占据着重要地位。2021 年中国风力发电量占全国发电总量的 8.04 %，2022 年 1 月至 11 月风电发电量约占总发电量的8.00 %。风力发电并网使用率稳定地保持在较高水平。2021 年 12 月，全国风电利用率达 97.6 %。北京、天津、黑龙江、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西等 18 个省、市的风电利用率达到 100 %。2022 年，风电利用率达 96.8 %。在北京、天津、上海、江苏、浙江、安徽、广西、海南等 13 个省、市风电利用率达 100 %（参见图5）。随着半导体材料的进一步发展，光伏发电总量也在逐年稳步提升。2022 年新增光伏并网总容量为 8.740 8 ×1011kW，其中集中式光伏电站容量为 3.629 4 ×1011kW，分布式光伏总量为 5.111 4 × 1011kW。截止 2022 年底累计光伏并网总容量为 3.920 4 ×1012kW，其中集中式光伏电站容量为 2.344 2 ×1012kW，分布式光伏总量为 1.576 2× 1012kW。目前，在能源消费总量中非化石能源的占比已经提高到了 17.3 % 左右，其中光伏发电量占比达到 4.2 %左右。由目前的统计数据分析可知，随着国家进一步加大对风电、光伏等新能源发电技术的投入和布局，新能源发电量的占比一定会进一步增加，并逐步替代传统火力发电在民生、生产发展中的重任，因此构建新型电力系统势在必行。

图5 风/光发电消费比重图

2 新能源发展趋势

为了应对全球气候变化加剧和资源消耗持续增加等问题，新能源的开发和利用已经变成了世界各国的普遍共识。在过去的一段时间里，新能源技术有了巨大的发展。尤其是在欧美等发达国家，新能源已经成为了主要的能源来源，在能源结构中的占比日益增加。

现今，我国也加大了对新能源的重视力度，开始将新能源发电引入到电网中，不断大力发展新能源技术，着力于构建新能源电力系统，用于缓解当前的用电紧张形势[1]。国家先后出台了一系列政策，如《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》、《“十四五”可再生能源发展规划》、《“十四五”现代能源体系规划》，鼓励企业向清洁能源转型，向产业升级迈进。由于目前传统化石能源的供给侧还无法满足国内日渐增加的能源需求，而风力发电是可再生能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，因此大力发展风力发电对于我国推动实现能源结构优化具有十分重要的战略意义。

目前具备风能等天然地理资源的各地政府都在积极规划布局清洁能源建设，积极推进风电等新能源的开发利用，助推经济发展。截至 2022 年，全国风电、光伏发电新增装机容量突破 1.2 × 108kW，连续 3 a突破 1× 108kW。风电、光伏发电量首次突破 1 ×1012kWh，达到 1.19 × 1012kWh，同比增长 21 %。

发展新能源是未来的重要方向，不仅具有广阔的市场应用前景，也有利于我国能源企业完成产业升级和能源结构优化改革。

3 储能技术在新能源电力系统的应用现状

3.1 储能技术在新能源发电领域中的作用

储能技术就是通过人为方式，实现能源的释放和存储。储能技术解决了新能源发电的随机性、波动性，从而有效地降低了分布式电源对电网的冲击。伴随着储能设备建设成本不断下降，新能源产业在电力系统中的地位逐渐提高。

储能设备即可作为能量的缓冲器，又可作为后备电源，在解决输变电的不一致性问题上，可起到一定程度的改善作用，可以有效地提高电网的安全性、稳定性，使电力系统的可调度能力得到提高。储能设备有效地抑制了可再生能源的并网功率波动，降低了对电网的影响，提高了电网的经济性，减少了不必要能源消纳[2]。

3.2 储能技术对新能源电力系统发展的重要性

3.2.1 为新能源发电大规模使用创造条件

风能发电技术和太阳能发电技术等均为当前新能源发电系统中的重要的组成部分。新能源具有清洁、可循环等传统化石能源所不具备的优势，但是也存在波动性和间歇性的特点，影响电网的运行安全稳定性。储能技术的应用可有效改善新能源并网时的稳定性问题。

3.2.2 能够改变能源供应结构

随着能源需求逐渐加大，单一使用传统的化石能源，不利于我国经济的可持续发展，而且会引发严重的环境危机。要保障能源充分，就必须改变当前能源供应结构。在新能源使用过程中，结合用户的实际能源需求，采用适合方式对新能源系统进行科学设计，通过合理使用储能技术（独立或并网），保障能源供给，并保护环境。

3.2.3 调峰和控制输出平稳

风力发电和光伏发电等新能源电信号具有间歇性和波动性这两个明显的特点，是目前在电网中无法对新能源大规模使用的最主要原因。使用储能技术是解决这一问题的有效手段。通过储能设备对电站进行调峰，确保其后期能够平稳输出，同时不会增加电网的容量，并能够提高新能源的利用率。

3.2.4 提升系统稳定性和运作效率

电力系统稳定运行，是确认电网安全的重要指标。在运行过程中，任何一个部分出现故障，对于整个体系的安全稳定均会产生不利影响[3]。使用储能系统能够确保电网系统中发生故障时对其进行有效的控制，能有效抑制电网系统中的波动，并通过相互协调的方式，对电网系统实现自我调控的作用。在电网系统停电、断电时，储能设备能够在一段时间内提供有效的供电。

3.3 储能技术在新能源发电领域中应用优势

3.3.1 抑制风电并网的功率

新能源并网的过程对电力系统带来的不良影响会损害电压的稳定性。结合储能技术，对风力发电场进行建模分析，构建有效的风—光—储协调控制方案，开展对电网无功功率和有功功率调节和容量配置，可控制功率的频繁变化，稳定并网的输出功率[4]。

新能源并网的过程对电力系统带来了不良影响—频率波动。在新能源发电的情况下，加入行之有效的储能系统，可对电力系统进行功率补偿，确保入网频率的一致性。在此基础上对储能系统的进行优化，可提高新能源发电系统的寿命，进而降低整个电力系统的生产成本。通过在新能源并网中加设储能系统，使储能系统作为备用电源，可以改善由发电间歇而引起的供电中断现象，进而提高供电稳定性。

3.3.3 优化电力系统的电能质量

在新能源发电并网过程中会出现电压降落或闪变等问题，导致电能质量下降。在新能源系统中加入储能设备，可平稳控制功率的波动，实现电能质量优化。在新能源并网中加入超级电容器等储能器件，通过模糊逻辑控制来进行电能质量的调控，可进一步改善电能质量降低的问题。

3.3.4 提高新能源并网的经济性

由于新能源输出功率会变化不定，为提高电力系统的稳定性，需要提高备用容量。在新能源并网过程中，利用如抽水储能等物理储能方式，可将电能转化为稳定的物理势能，提高风电场并网运行的稳定性[5]。通过结合电价收益最大目标和新能源输出功率最小目标，形成两种对应的新能源发电和物理蓄能方案，实现对应的稳定调节，既可提高电力系统的运行稳定性，也可有效降低了风电发电的成本投入。

3.4 新能源发电领域储能形式

目前国内外对于大规模新能源发电并入电力系统时所采取的储能技术的应用而言，主要采取能量型储能和功能性储能相结合的方式。新能源领域储能技术主要的应用形式参见图6。如抽水蓄能、锂电池、液流电池等能量型储存适合用于调频调峰的用途。如飞轮储能、超级电容储能及超导磁储能等功率型储能方式，适合于实时的负荷平滑和优化电能质量方面。

图6 新能源领域储能技术应用形式

3.5 储能技术在新能源发电领域中应用形式

在构建新能源电力系统中储能技术作为关键的核心技术之一，遍布在发电—配电—用电的各个环节。因为在电力系统中的应用情况不同，储能技术给电网带来的价值也不同[6]。但是，在工程实际中，储能设备主要分布在新能源测、传统电源侧、电网测、用户侧等。

像其他寄生虫一样，弓形虫可以在动物和人之间传染，其主要传播途径是消化道。人食用被感染的肉类或接触被感染猫的粪便，直接或间接通过胃肠道感染弓形虫。

3.5.1 新能源侧

新能源输出功率具有不确定性和波动性，会增加并网难度。储能系统利用自身的能量时空平移特性，可提高风电输出功率的可控性，提高新能源并网接入能力[7]。风力发电与光伏发电均受环境天气等因素影响。利用风、光资源之间的互补特性，并在系统中配置适当容量的储能装置，可平抑风、光并网所带来的波动，减少对电网造成的影响，还可以提高电网对新能源的接纳能力

3.5.2 传统电源侧

传统电源主要是指火电在未来新能源电力系统中将承担调频任务或用作备用电源。GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》中规定，在正常运行条件下频率偏差限值是 ± 0.2 Hz。火电在调频过程中存在爬坡率低、调节速度慢等缺点。储能系统具有快速响应、双向调节的能力。在火电机组侧配置电池储能系统，辅助火电机组进行调频，可保证电网安全稳定运行，延长火电机组的使用寿命。

3.5.3 电网侧

储能电站的接入可以有效提高电网的调峰能力，缓解负荷高峰时的供电压力，实现削峰填谷，平滑配网中的负荷波动，保证系统安全稳定运行，提升电网的电压质量。因无功补偿器具有灵活性、快速响应等特点，所以当电网中有功功率的剧烈波动威胁电网频率稳定时，通过储能电站辅助调频，可维持电网频率稳定，提高电网侧系统对新能源消纳能力。由于分布式新能源大规模接入电网，使得电网侧涵盖了较多的微电网以及主动配电网，微电网中风、光等可再生能源的波动性给电力系统带来了负面影响。储能系统的加入不仅可以维持微电网系统的能量平衡，还能有效缓解弃风、弃光等问题。主动配电网是由风、光等分布式电源、可控负荷、分布式储能等能源构成的，可主动参与运行、控制、管理，从而提高配电网对分布式新能源的接纳能力。储能系统在主动配电网中也发挥着关键作用。

3.5.4 用户侧

储能装置能够使用户自主或者通过外部调度控制储能进行电能储存或释放，并根据分时电价政策分时段充放电进行盈利，降低用户电费。在电力负荷处于高峰时，电价较高，用户则利用储能装置进行放电，维持自身用电需求。当电力负荷处于低谷时，电价较低，用户则通过储能装置将电能存储，从而实现削峰填谷，减少电网负荷高峰时的压力，降低用户用电费用。当用户参与需求侧响应并对电网进行调节时，储能系统的接入能够提高用户参与需求侧响应的能力。用户实现自发自用、余电上网时易出现电能不足的情况。此时储能装置作为不间断电源，可以提高供电的可靠性。当发电装置处于出力高峰时，通过储能装置储存电能；当电网处于负荷高峰时，此时电价较高，储能装置放电，用户在满足自身用电需求的同时利用余电上网，从而获得收益。

4 储能技术在新能源发电领域中应用方法

上述内容讨论了储能设备在电力系统中的应用场景，分析了储能技术在稳定新能源发电并网时的独特优势，那么如何将储能技术应用于新能源发电侧，发挥其特有的优势呢？结合发电侧的工程实际情况，大体有以下 3 种方式可以实现：

4.1 方式一

出现频率偏差时，借助同步发电机的调频原理，利用调速器和偏差率相结合原理，共同作用改变发电机组的发力，迅速完成一次调频。继而进行二次调频，借助具有电力电子变流装置的新型储能设备将调频的响应控制在毫秒的范围内，可确保电信号频率稳定在标准值，实现良好的调频效果。

4.2 方式二

将发电机组与储能装置相结合，模拟成一个虚拟的同步发电机组。这样可以借助虚拟调频模型平台将传统的同步调频模型转移。在储能系统内加入能量控制系统，使虚拟的模型算法运行起来，实现储能系统对新能源并网的调峰调频。

4.3 方式三

借助电网调度统一支配的方式来实现调峰调频。储能系统在调度指挥的作用下完成对应指令，结合调度的有功、无功数值，进而对电网发出功率或者吸收功率实现调节控制。因为单一调频调峰的算法较为复杂，所以在借助电网完成辅助时，可进一步降低了调控的难度。

5 结束语

本文中笔者介绍了近年来新能源的发展趋势及储能技术在新能源电力系统中的应用形式，通过分析储能技术在新能源电力系统中的作用，得出了一些新能源发电领域中储能技术应用的一般可行性方法。

随着我国大力发展风电、光伏等清洁能源技术，稳步推进“碳达峰”“碳中和”的节点目标[8]，着力于构建以清洁能源为主导的新型电力系统，储能技术作为新能源发电并网的关键技术，一定将迎来广阔的应用场景。