“双碳” 背景下新型电力系统的储能规划与运行控制技术研究

王 哲

（南瑞电力设计有限公司， 江苏 南京 211100）

0 引言

在国家战略实施 “双碳” 目标的背景下，开展新能源的研究，是实现 “一次能量零碳化、二次能量高效利用” 的重要发展方向。而在未来的新型电力系统发展过程中，新型电力系统将逐渐替代传统的燃气电、煤电等电力生产方式。在新能源开发利用中，如何有效地应对其不稳定因素，是保证未来电力资源生产和传输过程中的电力储备充足的重要保证。新能源的开发与利用通常建立在电力系统的储能技术之上，只有依靠新型储能技术才能实现电能的最大利用。

1 针对新型电力系统进行储能规划的必要性

在 “双碳” 目标持续推进的背景下，风能发电、太阳能发电等新电力能源的开发和利用已成为未来可持续发展的主要趋势之一。考虑到光伏、风电的特点（如图1 所示），其最大的缺陷是波动性、分散性和不稳定性，因此，完善的储能方案及其相应的调度方法将对电网的 “实时均衡” 和 “平稳运行” 产生重要的影响。能量存储涉及电力供需均衡管理、电源侧管理和需求侧管理等诸多方面。作为最为基础的储能系统，其系统规划设计的好坏，关系到新能源系统能否真正满足目前社会的用电需求[1]。

图1 新型电力系统的相关重点特征示例

需求侧管理就是通过调节和干预综合用电负荷特性曲线方式，达到提高负荷消耗的目的，是提高用能效率、达到节能目的的一种重要手段。而进行电源侧管理，目的主要在于通过优化各电源群系统的发电特性、运行参数来进一步提高系统的整体发电性能，从而有效解决系统中的电能变化传输问题。合理采用系统运行控制技术，电力系统可以实现峰谷互补，满足电力用户的用电需求。

2 新型电力系统储能规划与运行控制技术类型

2.1 电化学能量存储——电化学储能

在日常生活中，电化学能量存储，即电化学储能，是一种最常用的能量存储方法，主要利用电化学蓄电池蓄电方式将电能储存起来，能量转化效率高达81%左右[2]。目前，使用最多的是锂—聚合物电池，如磷酸铁锂、三元锂电池等。化学电池的高效率和广泛应用，促进了新能源汽车等领域的发展，同时，也促进了电力系统中储能技术的新突破。

2.2 机械能量储存——抽水储能

在这些新的电力系统中，抽水蓄能是最普遍的一种，既简单可行，又具有较强的实用价值。同时，也是一种成本低廉、可控性好的能源。抽水蓄能技术主要采用水力，其整体转化效率在75%左右。抽水蓄能的基本实现原理是通过将电能转化为势能，从而实现对能量的传输和存储，以满足产生多余电力的需要。将势能转化为电能，可以应对发电不足。在大型电力系统中，利用抽水蓄能，可以实现电源低谷、高峰的切换。从目前的实际应用情况看，抽水蓄能技术具有操作成本容易控制、容量大、能量循环效率高、自放电率低和寿命长等特点，且发展历史悠久，技术成熟程度高[3]。除了抽水蓄能之外，目前广泛使用的机械蓄能技术有两种，一种是压缩空气蓄能，另一种是飞轮蓄能。飞轮储能可以为UPS 供电，以压缩空气为储能单元，用于分布式电网。

2.3 电磁能量存储——电磁储能

不管哪一种能源存储方法，都是先把电能转换成其他能，然后再将其转换成电能。超导能量存储是指将电能转换成电磁能，并将其存储起来的一种新技术，从而达到稳定供电的目的。从其核心部件、技术原理等方面来看，超导体的性能是决定储能技术性能、能量损失情况的一个关键因素，并且在一定程度上也会受到高温、低温等因素的影响。因此，在极端高温和极端低温条件下，均可应用于各种超导材料。与此同时，在电力系统中，超导能量存储是最常用的一种技术，在新型电力系统中得到了广泛应用，该方法不仅能够有效解决新能源发电技术运行过程中的接入难题，同时，也具备较强的快速响应、动态调节能力的特点[4]。从根本上说，超级电容属于一种电容装置，具有十分强大的应用功能，并且，能够存储更多的电力能源。此外，通过科学运用超级电容储能技术，也可以在某种程度上解决能量在动态储存、科学储存和有效储存等方面的难题。其最大的优势是工作状态稳定、维修简单以及寿命长，见表1。由于其内部电阻较小，相对于传统的电化学存储，具有耐过充、耐高温等优点。同时，还具有高比表面、高介电常数和高耐压等优势，是一种极具发展潜力的新型储能材料。

表1 超级电容所具有的优势及特点

2.4 太阳能能量存储——太阳能板储能

太阳能板储能技术是一项将太阳能板储能技术应用于光伏发电领域的研究。其基本原理就是将太阳能电池板所产生的电能存储起来，再用逆变器将其转化为电能并输出。这一新型的可再生能源利用技术，不仅具有良好的区域适应性，而且能够降低系统故障发生率，提高系统的可靠性，还能有效解决太阳能发电储能的问题。

3 储能规划与运行控制技术探讨——以氢储能规划与运行为例

3.1 运行特点分析

氢能虽非一种能量来源，却可以用于电力存储，是一种重要的能量存储手段。因为氢气不能在自然界中单独存在，因此，制取氢气需要消耗大量的能量。当前，绿氢的应用前景非常广泛，其技术实施路径主要为绿色能源→电力→绿氢→电力的方式，见图2。在转换过程中，都会产生能量损失，因此，其经济性不高，应将其分为需求方，在特殊场景的特殊需求下进行应用[5]。在双碳目标下，氧存储的优越性日益凸显。尽管目前已实现约80%的氢气转化，但氢气储存依然面临巨大的技术挑战，尤其是在零碳储能领域，以氢气为能源的储能方式，其能耗是目前已知最大的，但在经济上却没有任何优势。

图2 绿氢储能技术实施路径

然而，在电力系统中，氢能的应用仍不容忽视，尤其是氢作为新能源，如氢燃料电池为新能源汽车提供能源，是实现 “零碳” 的重要途径之一。在新能源电网中，电力系统的运行状态不稳定是一个大问题，而储能技术则更多地使用在用电低谷和峰谷用电调度上，无论何种储能技术，都要在发电高峰期间将电能存储起来，以保证电力的持续稳定输出。氢能存储能量技术不只是一种新的能源系统，更是一种对双碳减排有很大帮助的新能源。

3.2 技术运行难点及主要技术路线原理

氢储能技术路线的基本思路：将新能源发电系统的电能通过功率电子转换器转换成氢气，以水为主要原料，通过电解反应生成氢气，实现储能。然后，以氢为燃料，将化学能转换为电能。从容量上来说，相比于电化学存储技术，氢能存储技术的储能容量更大，整个系统的容量甚至可以达到GW 级。随着工艺水平的不断提高，可进一步提高氢能存储技术的整体经济效益，降低工程造价。另外，利用氢能存储技术，可以实现氢能存储，大大提高了新型电力系统的储能灵活性。氢储能的技术难点及优势如表2 所示。

表2 氢储能的技术难点及优势汇总

4 结语

伴随新型电力系统的不断进步和发展，电力系统运行中所用的传统发电技术、储能规划方式及手段等也将逐渐被淘汰。在此过程中，如何解决新型电力形态储能运行控制技术的不可持续、不稳定等问题，将成为当前乃至今后很长一段时间内的研究重点。通过采用科学有效的储能技术，能够有效调整电力系统的电源峰谷差，进一步提高电源的供给稳定性，并在新型电力系统运行中发挥更大的作用。