儲熱與電池儲能的電網聯合應用

文/牛瀟 葉鵬

隨著經濟和電力需求的快速增長，中國電力供需經常處于偏緊狀態；不得不進行拉閘限電，影響了供電可靠性，簡單増加發電側的裝機容量及擴大電網建設以提升輸電容量并不是解決該問題的最優方法。然而，在電力需求的低谷時段又有大量的電力設備閑置，無法充分地利用這些設備，導致電網運行的經濟性下降。

傳統配電網面對間歇式能源的快速接入，沒有采取新的調度思維，而是仍有大量的棄風行為來應對大量的功率涌入電網，面對可再生能源的大量接入，其中儲能技術引起大家的關注。

隨著“煤改電”的快速推進，電儲熱鍋爐作為一種新型的可儲能裝置進入人們的視野。作為三北高寒地區的取暖與供熱水與熱蒸汽的需求日益擴大，因此作為一種可選的儲能方案。其中儲熱與其他裝置相比具有高效，環保，容量大，而且能量輸出與輸入平穩的特點，但考慮到熱量對于用戶的需求，只能持續運行以保證供熱，因此需要其他的輸出功率快速變化的裝置進行配合，比如電池儲能。

為此，本文分析并總結了電網儲熱與電池儲能的單獨與聯合應用的現狀。

1 儲熱在電網應用的現狀

當前，儲熱負荷主要以儲熱電鍋爐為典型代表。儲熱電鍋爐不僅可以在規定時段內向用戶供熱，而且還可以將多余的熱能儲存到儲熱罐中，以應對在極端情況下儲熱電鍋爐功能不足導致的熱能短缺問題。同時，儲熱電鍋爐能夠在電力系統負荷低谷時進行電儲熱，而在電力系統負荷高峰期時選擇退出電網依靠自身的電儲熱進行供熱，通過這一過程可以起到電力系統削峰填谷的作用，使負荷的峰谷差減小，提高了配電網調度運行的穩定性。

應用和研究主要集中在利用棄風資源進行供熱來提高經濟效益。文獻[1]為有效解決風電發電過程中存在的棄風現場，提升風電的消納水平，提出了基于儲能與儲熱鍋爐協調優化的共同調度模型，并以棄風量最小為目標函數，通過協調優化算例驗證了儲能與儲熱鍋爐協調優化可以提升風電的消納能力；文獻[2]為實現熱電廠僅配置電鍋爐和配置儲熱裝置方案的對比，以供電供熱煤耗量最小為目標函數建立儲熱裝置的電熱調度模型，最后通過算例驗證了熱電廠配置儲熱裝置在解決風電棄風方面所需要的煤耗量要比僅配置電鍋爐所需要的煤耗量低，得出儲熱裝置比電鍋爐裝置的經濟性更優的結論。文獻[3]針對蒙西電網風電機組容易產生棄風等問題，提出了基于電儲熱鍋爐的調峰方案，通過技術可行性、經濟評價、財務效益以及風電場投資蓄熱成本四個方面開展研究。文獻[4]以連續直接控制負荷需求響應為基礎建立電加熱水算法的儲熱模型，通過電加熱器與風電的協調調度可以實現系統的供需平衡。文獻[5]在考慮風電不確定區域間的調峰能力提出了風電不確定區域的調峰互濟改進模型，通過算例驗證該模型可以有效的解決風電存在的棄風現象并降低系統的整體運行成本。

2 儲能在電網的應用現狀

隨著技術的進步，單體儲能電池的能量密度、成本、穩定性等指標都得到了很好的發展，鉛酸電池逐漸退出應用市場，取而代之的是各種鋰離子電池。

目前有關電池儲能的應用和研究主要集中在網側和用戶側。當電池儲能用于網側時，可以通過自身的充放電特性抑制負荷波動，從而緩解配電阻塞；當電池儲能應用在用戶側時，其主要作用是在負荷低谷期進行電能的儲存，減小配電網負荷的低谷點，在負荷需求高峰期進行對系統放電，削減負荷的波峰值，儲能在用戶側的應用可以為配電網系統的削峰填谷提供技術手段。文獻[6]中用戶可以根據服務商提供的實時電價信息決定儲能單元的工作模式：即，在配電網系統電價低時儲能進行電能的存儲，而當電價高時用戶側的儲能進行電能的釋放，用戶根據電價實時信息對儲能單元進行控制可以達到系統削峰填谷的目的。文獻[7]提出了基于分時電價政策，用戶儲能通過“低儲高發”方式套利運行，客觀上也為電網提供了調峰服務。文獻[8]提出了基于聯絡線功率波動的頻域分析，利用儲能對電網聯絡線進行平抑波動。文獻[9]提出了基于經濟性的考慮來驗證電池儲能對設備擴容有優勢。文獻[10]針對配電網電壓跌落和頻率偏移等問題，提出了采用分布式儲能進行協調控制解決系統配電網電壓跌落和頻率偏移等問題，通過算例驗證該算法可以減小配電網電壓和頻率偏差，改善配電網供電電壓質量

3 儲熱與儲能聯合應用的研究現狀

電池儲能和儲熱技術的不斷成熟使基于電池儲能和儲熱的多類型聯合調度成為可能，開展電池儲能和儲熱的多類型聯合調度必將成為電力系統未來研究的重點方向之一。目前，有關儲熱與儲能聯合調度的研究主要集中在改善風電棄風和提升風電并網消納方面的研究，有關風電、可控負荷、儲能聯合系統調度研究的國內外相關文獻相對較少。文獻[11]基于風電場直接供熱模式開展儲能和儲熱聯合運行優化控制策略研究，文章中提出的優化控制策略能夠提升風電的消納能力和經濟效益；文獻[12]開展風電場、電池儲能、儲熱的協調調度研究，建立含風電、電池儲能和儲熱的目標函數和約束條件，基于粒子群算法進行目標函數的求解，經過算例驗證協調調度策略可以提升風電消納能力；考慮電池儲能與儲熱式電鍋爐成本較為昂貴，設計合理的容量配置是影響風電消納效果與設備利用效率的關鍵。文獻[13]開展蓄熱式電鍋爐與儲能系統聯合儲能的風電協調調度研究，基于聯合運行系統的最大收益作為目標函數建立相關數學模型，并基于粒子群算法對目標函數進行求解，通過算例分析驗證了蓄熱式電鍋爐與儲能系統聯合儲能在提升風電消納能力方面的有效性。

4 結語

儲能系統和儲熱系統既可以作為負荷接入配電網消耗系統功率也可以作為為配電網系統提供功率需求，大量柔性負荷接入配電網雖然給配電網的經濟調度和功率帶來了新的挑戰，但是其供需特性可以使柔性負荷即可以作為電源進行配電網的負荷調整，目前，基于儲能系統和儲熱系統的可調負荷的研究主要集中在提升風電消納方面，而考慮可調負荷的配電網的優化協調調度研究還未展開。開展基于儲能系統和儲熱系統可調負荷的研究對于而減小配電網負荷峰谷差和實現削峰填谷，從而提升配電網運行的安全可靠性具有重要現實意義。