儲能技術在大規模新能源并網中的運用

郭子暄

（南方電網能源發展研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著電網發展進程的不斷加快，儲能技術在電力系統中也發揮了更大的作用。圍繞電網安全和風電光伏等新能源消納開展具體工作，踐行靈活性保障機制，確保應用效果滿足預期。

1 儲能技術

儲能技術借助相應的手段將富余的能量利用特殊裝置予以存儲，而在能量不足的狀態下進行釋放，更好地維持能量供需的平衡性。由于電能無法直接存儲，因此一般是將其轉變為機械能、化學能或電磁能，通過建立完整的存儲模式，結合能量的轉化方式和應用要求保證儲能的效果。目前較為常見的儲能技術主要包括物理儲能、化學儲能、相變儲能以及電磁儲能，其對比如表1所示。

表1 儲能技術對比

抽水儲能、飛輪儲能、壓縮氣體儲能均屬于物理儲能，化學電池屬于化學儲能，超導磁儲能和超級電容儲能屬于電磁儲能。除了化學電池儲能處理方式，其余均為無污染儲能控制，并且都具備功率較大、響應速率較快、能量轉換率高的特點，要結合具體的應用環境和要求選取適配的儲能技術方案[1]。

2 儲能技術在大規模新能源并網中的應用

電力系統中應用儲能技術要貫穿整個系統運行環節，包括發電、輸電、配電以及用電，為了提升電力系統運行的穩定性，需要整合技術要求開展風電光伏等新能源并網消納工作，最大程度上提高配電網和微網電力平衡水平，真正意義上降低電網增容對其運行質量和安全性產生的影響。

2.1 削峰填谷

電池儲能系統在實際應用環境中能結合負荷的變化進行相應處理，不僅響應速度較快，而且能打造較為精準的控制模式，建立雙向調節體系。不管是針對發電側還是電網側，儲能技術在實際應用中都能形成削峰填谷的處理模式，在改善傳統機組運行區間的同時，還能為電力系統經濟性應用控制予以支持，并為風電光伏等新能源并網消納提供較為可靠的處理依據。

2.2 輔助調頻

近年來，傳統的火電機組運行過程并不能有效滿足功率跟蹤和調頻控制的要求，而應用儲能系統能打造快速的響應模式，配合高效應用管理機制夯實能量轉換的基礎，有效提高轉換效率，彌補傳統機組調節性能應用不當造成的缺陷。根據調研數據，儲能系統的調頻效率要優于其他系統。

儲能系統在實際調頻應用控制環境中能建立較為合理且高效的控制模式，并且在受控的條件下能建立完整且規范的功率上下調控模式，最大程度減少機組旋轉備用造成的資源損耗，打造更加可靠、安全且完整的調頻控制體系。

在儲能系統支持的調控模式中，無論是上調還是下調都能圍繞功率交替展開，從而打造更加科學且規范的應用模式，配合靈活的處理機制最大程度上提高調節效率。輸出功率能借助對負荷變化的精準跟蹤予以調控，調控處理的精準性較好，大大縮減了調控的時長，便于提高調節速率[2]。相較于傳統的調頻機組，在自動發電控制（Automatic Generation control，AGC）指令下達后，儲能系統可以建構更加可控的應用平臺，并減少調節延時、偏差以及反向等問題，從而最大程度上發揮雙向調節控制的優勢作用，實現多元化調頻。

2.3 提高電能質量

在風電場并網過程中，較為常見的問題就是電壓降落或閃變現象，不僅會對電能傳輸的質量和安全性產生影響，還會造成嚴重的經濟損失和安全隱患。而利用儲能系統能打造有效的控制模式，發揮其大容量應用優勢，對風電場并網引起的電能質量降低問題予以控制，有效改善應用難題。

如果應用儲能系統中的飛輪儲能，配合平滑輸出功率波動性分析和處理就能實現更加可控的電能控制，避免并網容量不足對其應用效果產生影響，最大程度上改善電能質量。配合使用超級電容器，借助模糊邏輯控制對風電并網電能予以合理性調控處理，打造有效且規范的應用平臺，維持整體調控效果。在進行仿真分析后可知，儲能系統能最大程度上發揮其穩定作用，并對剩余容量予以電壓協調補償，提高電能應用的綜合水平。

多數電力系統發電量都是借助預測系統負荷與傳統發電機組出力差值進行評估，此時大規模風電功率接入會增加系統的復雜性，若不能有效調控，則難免會對電能傳輸的效果造成影響。借助儲能系統改進遺傳算法能對風速進行短期預測和評估，達到電力系統優化調度的目的，提升系統應用安全性，實現最佳經濟效益。

2.4 優化經濟效益

相較于傳統的應用模式，儲能系統能更好地提升電力系統整體凈收益，借助“低充高效”的處理方式對峰谷電價差的電費差額年收益予以優化。由于相應的電能應用和轉換模式發生了改變，因此儲能系統的應用能大大優化調峰效果，創造較為可觀的調峰收益[3]。儲能系統配合火電、新能源等機組進行一次調頻和二次調頻的優化控制，從而形成年經濟效益的有效優化，進一步打造更加可靠且安全的儲能管理模式，滿足大規模風電接入對于經濟效益的新要求。

除此之外，還能從延緩電網改造、緊急備用系統優化等方面提高經濟效益，減少系統停電產生的損失電量，有效建立更加科學的系統評估模式，避免用戶電量不足產生的問題，真正意義上實現經濟效益和安全效益的和諧統一。

2.5 太陽能發電

隨著新能源的不斷發展和進步，太陽能光伏發電和儲能聯合運行系統受到了更多的關注。建立相應的拓撲結構，配合結構應用要求和規范構建完整的應用運行管理機制，從而提升儲能效果。光伏匯流母排通過DC/DC變流器直接接入電池儲能系統，電池再經過逆變器完成電網的并入。光伏匯流母排分為兩個基本路徑，一路借助逆變器并網，另一路借助變流器接入儲能系統。只有借助儲能系統完成并網處理，才能最大程度上減少設備的損耗，并維持整體系統應用效果，符合大容量、快速響應的應用要求，確保最大發電量狀態下依舊不會出現任何異常情況，為控制平衡提供保障。

3 分布式光伏+儲能系統模塊化集成

研究儲能技術在大規模新能源并網中的應用時采用實證分析，以分布式光伏+儲能系統模塊化集成作為實際案例。這種分布式光伏+儲能系統模塊化集成設計方案具備典型的擴展性和靈活性，儲能系統的一次電氣設備包括變流器、電池、無功補償器、升壓配電箱以及電能質量調節器等，二次控制系統涵蓋能量管理模塊、電池檢測模塊、儲能測控模塊。各個系統模塊之間需要進行安全隔離設計，保證即插即用。

3.1 儲能電池單元設計

在進行儲能電池單元設計時，需要基于最優技術經濟性原則采用膠體電池和鉛炭電池結合的混合儲能系統。采用2 V/500 Ah鉛炭電池（FCP-500）和2 V/500 Ah膠體電池（OPZV-500）進行儲能電源設計，其中儲能電源中兩種電池各500個。整個儲能單元一共包括4條支路，為了保證儲能單元性能，需要進行集裝箱結構優化設計和熱管理優化設計。結合兩個單體電池組的熱力學特性進行熱量統計和散熱結構設計，保證最終結構能夠實現最佳散熱。在進行結構設計中，還需要進行溫度場仿真計算和流場仿真計算，以保證最終的散熱結構最佳。為保障儲能單元的安全性，需要引入一體化監控模塊，對儲能系統的安全情況和周圍環境因素進行實時監控。

3.2 儲能雙向變流器單元設計

儲能雙向變流器具備典型的雙向逆變特性，能夠實現容量為100 kW的并網充放電功能，同時實現1 kW/ms的功率變化率可調度。本文設計的儲能雙向變流器轉換效率能夠達到97%左右，同時交流輸出電流總諧波畸變率≤3%。

3.3 儲能電池監測單元設計

為了保障儲能系統的安全性，設計儲能電池狀態監控系統，如圖1所示。

通過該設計系統能夠對儲能電池狀態進行實時監控，實現電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）的精確預測。底層電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）還能實現對電池內阻、電壓、溫度等相關信號的監控，完成電芯相關數據的采集、監控，并在數據分析的基礎上實現故障識別功能。上層集中管理單元（Centralized Management Unit，CMU）主要應用于BMU電池信息的采集和上傳，總結歸納相關信息后得到組電池信息，然后通過深度分析計算實現熱管理控制、電池狀態估算以及荷電狀態估算等。

本文提出的儲能電池監控系統能夠實現24 h的實時精準監測，從而保障整個光伏發電儲能系統的有效監測。此外，該系統還能夠實現整個系統中每節電池剩余電量的實時監測，從而了解電池的實時運行狀態，保證單節電池和整個儲能系統的安全穩定運行。儲能電池監控系統運行中發現故障并給出預警后，需要根據預警提示信息進行系統處理，以排除故障。在實際設計中需要執行相關配套軟件的設置，控制好軟件的功能，保證其能夠實現電池運行歷史數據的全面調用和全面檢索、電池實時監控以及故障信息警告等功能。本系統信息采集模塊具有小體積化特征，安裝簡便，信息采集方便，配置靈活，安全運維成本較低[4,5]。

3.4 儲能系統測控設計及其功能實現

加強測控中心的設計，通過測控中心實現對儲能系統充放電狀態的控制和監測，同時利用測控中心還能夠進行遠程自動控制，實現光伏并網和儲能系統總體功率、電壓的調節與控制。設計的測控系統還需具備當地分時電價的綜合分析功能，對接電網結合電價政策進行充放電控制，保證其能夠滿足系統運行的總體經濟性。此外，該測控系統還能對光伏及儲能系統的總體設備數據進行科學采集與分析顯示，為光儲一體化系統的科學運行提供全面、智能化的控制保證。

4 結 論

儲能系統的應用和發展為大規模新能源接入提供了更加安全可控的平臺，能夠有效優化電能傳輸質量，建立完整且規范的控制模式，配合儲能應用要求實現削峰填谷、功率跟蹤以及調頻控制等功能，為系統整體經濟效益和安全效益的提升提供保障，促進電力系統的可持續健康發展。