新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

許思遠

（廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516000）

1 儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性

1.1 充當備用電源

新能源發(fā)電系統(tǒng)會受到天氣等因素的影響，如風速的變化會影響風機發(fā)電，導(dǎo)致發(fā)電量波動。同樣，光伏發(fā)電也會受到光照的影響，出現(xiàn)發(fā)電量較少、用電側(cè)電力供應(yīng)不足的問題。但在發(fā)電系統(tǒng)中引入了儲能技術(shù)后，能夠很好地解決這一問題，儲能裝置的配備能很好地響應(yīng)并應(yīng)對電量變化問題，實現(xiàn)電量調(diào)整，保證用電側(cè)穩(wěn)定供電。

1.2 保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

無論是光伏發(fā)電還是風力發(fā)電，都存在一定間歇性和不穩(wěn)定性問題，新能源系統(tǒng)的并網(wǎng)會給電力系統(tǒng)的安全運行和電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不良沖擊。在新能源系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能裝置后，能夠有效應(yīng)對并響應(yīng)新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和接入過程中產(chǎn)生的電能波動。與此同時，能夠進行有功功率和無功功率之間的轉(zhuǎn)換，最終提高電網(wǎng)各項運行參數(shù)和運行指標的穩(wěn)定性[1,2]。

1.3 平抑新能源功率突變

在天氣等因素的影響下，發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率會呈現(xiàn)瞬時波動特征，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。儲能裝置引入發(fā)電系統(tǒng)后能有效規(guī)避這一缺陷，快速應(yīng)對瞬時波動和功率變化，保障穩(wěn)定發(fā)電。

1.4 提高新能源發(fā)電的經(jīng)濟性

以光伏發(fā)電和風電為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性，在并網(wǎng)中可能對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響，給電網(wǎng)帶來極大負擔。為了解決這一問題，需要為電網(wǎng)增加儲能系統(tǒng)，提升備用容量。儲能裝置的應(yīng)用能優(yōu)化儲能容量，以此提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵儲能技術(shù)

隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，并網(wǎng)安全性要求越來越高，儲能系統(tǒng)對于新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)而言變得越來越重要。為了進一步提升儲能系統(tǒng)發(fā)展水平，必須要不斷發(fā)展完善相應(yīng)儲能技術(shù)。目前已經(jīng)形成了多種成熟的儲能技術(shù)，包括磁場儲能技術(shù)、化學儲能技術(shù)、機械儲能技術(shù)以及電場儲能技術(shù)等。不同儲能技術(shù)具有不同的特征和應(yīng)用環(huán)境，具體分析如表1所示。

表1 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵儲能技術(shù)分析

2.1 飛輪儲能

飛輪儲能是借助旋轉(zhuǎn)體動能轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電能存儲，飛輪在電機驅(qū)動下實現(xiàn)電能和動能之間的轉(zhuǎn)化。為了保證達到最大的儲能效率，一般在近似真空環(huán)境下運行飛輪系統(tǒng)，以此降低摩擦損耗，提升使用壽命。這種運行方式不僅規(guī)避了對環(huán)境的不良影響，而且降低了運維難度。但飛輪儲能系統(tǒng)能量密度相對較低，系統(tǒng)安全性較差[3]。

2.2 抽水儲能

抽水儲能是目前發(fā)展最成熟的儲能技術(shù)之一，也是應(yīng)用規(guī)模最大的技術(shù)，應(yīng)用時一般需要在發(fā)電系統(tǒng)上下游配備專門的水庫。負荷低谷時利用電能進行抽水，將下游水庫中的水抽取到上游水庫中存儲；負荷高峰時利用發(fā)電機設(shè)備，結(jié)合上游水庫中的水資源進行發(fā)電。目前，該儲能技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換率能夠達到75%。抽水儲能在應(yīng)用中會受到建設(shè)周期、地勢等因素的影響，加上用電區(qū)域和發(fā)電站之間距離較遠，存在極大的能量損耗。

2.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能能夠有效進行電能負荷調(diào)節(jié)，在負荷低谷時利用空氣壓縮機進行處理，實現(xiàn)過剩電能存儲。在電網(wǎng)負荷較高時釋放壓縮空氣對燃氣輪機做功，從而發(fā)電。壓縮空氣儲能方式具有壽命長、響應(yīng)快、效率高的優(yōu)勢，能源轉(zhuǎn)化率也能夠達到75%以上，具備較好的發(fā)展?jié)摿?。壓縮空氣儲能主要應(yīng)用于電力調(diào)峰，但在實際應(yīng)用中會受到地形等因素的限制。

2.4 蓄電池儲能

蓄電池儲能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是鉛酸電池，大規(guī)模儲能應(yīng)用潛力最大的是液流電池。蓄電池儲能成本相對較低，同時可以通過蓄電池組來提升容量，但該方式也存在一定的缺點，如壽命短等。在蓄電池儲能發(fā)展中，很多新型蓄電池被不斷研究和開發(fā)，在風電和光伏發(fā)電中均具有很好的適用性[4]。

2.5 超級電容儲能

超級電容儲能的基礎(chǔ)也是電化學儲能，基于雙電層電容理論提供非常強的脈沖功率。超級電容儲能系統(tǒng)在執(zhí)行充電操作時，理想極化電極表面的電荷會吸引電解質(zhì)溶液中的異質(zhì)電荷，將異質(zhì)電荷吸附在電極表面形成雙電層電容，能夠有效應(yīng)對瞬態(tài)干擾和電壓跌落[5]。

2.6 超導(dǎo)儲能

超導(dǎo)儲能借助超導(dǎo)體磁場能量和線圈實現(xiàn)能量存儲，在進行儲能和能量釋放過程中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換、功率補償，具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、比容量大的特征。

3 新能源發(fā)電側(cè)儲能系統(tǒng)應(yīng)用案例實證分析

3.1 系統(tǒng)及其接入方式

10 MW/20.266 MW·h儲能系統(tǒng)包括2個3.45 MW/6.988 MW·h和 1個 3.45 MW/6.29 MW·h儲能單元，儲能系統(tǒng)采用集裝箱一體化設(shè)計方案，具有安裝維護方便、系統(tǒng)集成化程度高等優(yōu)點。3.45 MW/6.988 MW·h儲能單元由1臺10 m逆變一體儲能變流器集裝箱和兩臺13.3 m磷酸鐵鋰電池集裝箱組成，3.45 MW/6.29 MW·h儲能單元由1臺10 m逆變一體儲能變流器集裝箱和兩臺13.3 m磷酸鐵鋰電池集裝箱組成，儲能系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)電壓等級設(shè)定為10 kV，可以實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰等功能。10 MW/20.266 MW·h儲能系統(tǒng)1回路接入10 kV母線側(cè)，圖1為儲能系統(tǒng)接入方式。

3.2 儲能單元拓撲

單套鋰電池系統(tǒng)由10個電池簇組成，每簇容量為349.44 kW·h，每10簇通過電池控制柜匯流后接入儲能變流器直流側(cè)，兩臺交流器輸出直接并聯(lián)，通過1臺3 450 kVA干變升壓后接入10 kV母線。每個儲能單元集成有本地控制器，可以實現(xiàn)本地設(shè)備層綜合管理，統(tǒng)一通信接口和協(xié)議，如圖2所示。

3.3 儲能系統(tǒng)主要配置

依據(jù)實際應(yīng)用要求完成系統(tǒng)單元配置工作，保證系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，提升系統(tǒng)應(yīng)用控制模塊的運行效能。

（1）3.45 MW/6.988 MW·h系統(tǒng)。在設(shè)置本地控制器的過程中，需要在設(shè)備層開展針對性控制管理，利用同一系統(tǒng)的通信接口和協(xié)議實現(xiàn)實時性信息管理，維持整體控制結(jié)構(gòu)的可靠性。

（2）3.45 MW/6.29 MW·h系統(tǒng)。在本地設(shè)備層完成LC100 控制管理，統(tǒng)一建立匹配的通信接口和協(xié)議模式。

（3）能量管理系統(tǒng)。實現(xiàn)自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）調(diào)度處理，并且依據(jù)標準指令完成電網(wǎng)調(diào)頻工作。建立相匹配的控制模式，以便完成能源的實時性管理和動態(tài)跟蹤，最大程度上提高整個儲能系統(tǒng)的運維管理水平。

（4）電網(wǎng)側(cè)10 kV開關(guān)柜。一面設(shè)置10 kV進線柜結(jié)構(gòu)，另一面設(shè)置PT柜，以實現(xiàn)雙向計量處理。依據(jù)出線柜的相關(guān)標準和要求，維持控制效果的實效性，保證應(yīng)用管理效果最優(yōu)化。

（5）電廠側(cè)低壓開關(guān)柜。匹配電網(wǎng)側(cè)10 kV開關(guān)柜，建立對應(yīng)的儲能應(yīng)用控制單元，同時建立完整的應(yīng)用運行平臺。開關(guān)柜的具體規(guī)格為400 kW，能為集裝箱提供較合理的供電處理輔助功能，打造更加可控、規(guī)范的應(yīng)用框架，確保供電的及時性和安全性。

4 結(jié) 論

著重關(guān)注新能源發(fā)電系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)，同時針對提出的混合儲能系統(tǒng)的控制策略進行研究，借助超級電容器和蓄電池混合儲能系統(tǒng)進行優(yōu)勢互補，最終保障系統(tǒng)穩(wěn)定。通過對MATLAB/Simulink仿真實驗結(jié)果的分析，驗證了該控制策略的有效性。