儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用策略

王甜甜

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421000）

0 引 言

儲能技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，可以解決傳統(tǒng)電網(wǎng)中存在的穩(wěn)定性不足和可靠性較差等問題，也可以為新型電力系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行提供支持。將儲能技術(shù)引入新型電力系統(tǒng)，并充分發(fā)揮其優(yōu)勢作用，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重要意義。基于該背景，文章研究儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用控制策略，介紹儲能技術(shù)的特點(diǎn)、分類及其在新型電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用，分析儲能技術(shù)在提高新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性水平方面的重要作用。

1 儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的作用及特點(diǎn)

1.1 儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的作用

儲能技術(shù)是一種重要的電源和能量儲存方式，可以為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的供電來源。隨著新能源的快速發(fā)展和傳統(tǒng)能源的逐漸淘汰，儲能技術(shù)的應(yīng)用越來越受重視。儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，主要作用是通過存儲電能調(diào)節(jié)和控制電力需求。儲能技術(shù)的主要形式包括蓄電池、超級電容以及燃料電池等[1]。其中：蓄電池是最常見的一種儲能設(shè)備，主要用于小型移動設(shè)備和微型發(fā)電站的備用電源；超級電容用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的儲能裝置，能夠快速響應(yīng)負(fù)荷變化并提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；燃料電池可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電機(jī)。儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主要作用包括以下4個(gè)方面：一是輔助與調(diào)度可再生能源；二是改善電能質(zhì)量；三是在電網(wǎng)故障情況下實(shí)現(xiàn)應(yīng)急保障；四是輔助電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。儲能技術(shù)作為一種高效、環(huán)保、可靠的新型能源供應(yīng)方式，將得到更廣泛的應(yīng)用[2]。

1.2 儲能技術(shù)的分類

目前，儲能技術(shù)主要分為化學(xué)式電池、流體式蓄電池以及超級電容等多種類型。其中，化學(xué)式電池是常見的儲能方式之一，通過將電荷存儲在物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)能量的儲存。常用的化學(xué)式電池包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋅-空氣電池等，具有高能量密度、長壽命、快速充電等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于電動汽車、無人機(jī)以及智能家居等場景。流體式蓄電池是一種以液體作為電解質(zhì)進(jìn)行能量儲存的技術(shù)；超級電容是一種可以瞬間釋放大量能量的設(shè)備。儲能技術(shù)的發(fā)展離不開新材料的研究和創(chuàng)新。目前，相關(guān)人員一直在探索新的儲能材料，如金屬氧化物、有機(jī)物料以及納米結(jié)構(gòu)材料等。這些新材料有望在未來帶來更多的儲能技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，以推動儲能技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步[3]。

1.3 儲能技術(shù)的特點(diǎn)

新型電力系統(tǒng)的建設(shè)中，儲能技術(shù)可以為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源，減少因天氣等因素造成的波動性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和資源的可持續(xù)發(fā)展。此外，儲能技術(shù)能夠降低對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的需求，從而減輕環(huán)境污染，已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，其特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：一是存儲容量大，可以在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量；二是使用成本低廉，與其他新能源技術(shù)相比，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用；三是操作簡單方便，技術(shù)門檻較低；四是可以適應(yīng)不同需求，如快速響應(yīng)和緩沖儲備等；五是為電網(wǎng)提供備用電源保障，避免因突發(fā)事件導(dǎo)致停電等問題；六是具有可控性和靈活性。基于儲能技術(shù)，存儲介質(zhì)可以隨時(shí)隨地被激活，在電網(wǎng)中起到調(diào)峰的作用，緩解高峰期負(fù)荷壓力。同時(shí)，通過選擇和控制儲能設(shè)備的位置，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)負(fù)載的分布式管理等[4]。

2 儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電中的應(yīng)用

新能源發(fā)電作為一種清潔、高效且環(huán)保的電源，其發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。然而，由于新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性和難以預(yù)測等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)電網(wǎng)無法滿足新能源發(fā)電的需求。基于該背景，儲能技術(shù)能夠發(fā)揮重要作用，可以解決新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和不可預(yù)知性問題。例如，光伏電站在晴朗天氣下能夠產(chǎn)生大量電能，但在陰雨天或者夜間不能正常運(yùn)行。此時(shí)，采用儲能技術(shù)存儲電能，可以保證在需要的時(shí)候有足夠的電能供應(yīng)。此外，儲能技術(shù)可以提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少因負(fù)荷波動引起的故障[5]。

2.2 儲能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰中的應(yīng)用

采用儲能技術(shù)能夠有效緩解新能源波動造成的影響，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過控制儲能設(shè)備，可以將能量儲存起來，在需要用電時(shí)釋放電能，以滿足電網(wǎng)的用電需求。儲能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰過程中能夠發(fā)揮重要作用。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化較大時(shí)，如夏季高溫天氣或冬季寒冷天氣等情況下，電網(wǎng)負(fù)荷會大幅增加或者減少。此時(shí)，如果僅依靠傳統(tǒng)電源調(diào)節(jié)負(fù)荷，則可能會導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)電壓過低或者短路等情況。使用儲能技術(shù)可以提前儲存電量，及時(shí)調(diào)整負(fù)荷曲線，很好地解決了該問題。此外，采用儲能技術(shù)可以降低電網(wǎng)的投資成本，比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2.3 儲能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用

儲能設(shè)備可以通過調(diào)節(jié)其輸出功率的大小實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，儲能設(shè)備會向電網(wǎng)提供額外的電量以緩解負(fù)載壓力；而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷減少時(shí)，儲能設(shè)備會從電網(wǎng)中抽取電量以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。儲能技術(shù)能夠有效提高電網(wǎng)的靈活性，儲能設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)的變化，從而可以提升電網(wǎng)的快速響應(yīng)能力。此外，儲能設(shè)備通常比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，壽命也更長，因此使用儲能設(shè)備可以有效減輕電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的壓力，改善電網(wǎng)的可靠性，節(jié)約投資成本。而且儲能設(shè)備通常具有較高的容錯(cuò)率和穩(wěn)定性，因此可以幫助電網(wǎng)更好地應(yīng)對突發(fā)事件并保證供電質(zhì)量。

2.4 儲能技術(shù)在電網(wǎng)備用中的應(yīng)用

通過預(yù)先規(guī)劃儲能設(shè)備，可以提前儲備足夠的電能，以備不時(shí)之需。利用儲能設(shè)備為電網(wǎng)提供額外的容量，能夠增加系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。其中，預(yù)先規(guī)劃是一種較為簡單有效的方式，適用于對負(fù)荷需求相對穩(wěn)定和對經(jīng)濟(jì)性要求較高的用戶群體。與預(yù)先規(guī)劃相比，利用儲能設(shè)備為電網(wǎng)提供額外的容量則是一種更靈活的方式。基于該方式可以減少電網(wǎng)的投資成本，同時(shí)能夠更好地適應(yīng)不同類型的負(fù)荷需求。但是，由于儲能設(shè)備的運(yùn)行效率較低，在實(shí)際操作過程中可能會存在一些問題。此外，由于儲能設(shè)備能夠存儲的電能有限，在某些情況下可能需要采取其他方式保障供電質(zhì)量。

3 儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的控制策略

3.1 儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能是儲能技術(shù)的重要組成部分，也是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。儲能系統(tǒng)通常包括電池組、一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等多種子系統(tǒng)組。其中：電池組是最基礎(chǔ)的儲能設(shè)備，可以將電能儲存起來并提供給其他系統(tǒng)使用；一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)用于電池組的充電和放電；輔助系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。儲能系統(tǒng)的功能主要包括蓄能、放電、充放電平衡等方面，需要得到有效的控制才能夠發(fā)揮最佳的效果。例如，蓄能方面需要考慮電池組容量、電壓以及電流等因素，放電方面需要考慮電池組的壽命和安全性等問題，充放電平衡方面需要注意不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下電池組的充放電狀態(tài)是否達(dá)到平衡點(diǎn)，避免出現(xiàn)過載情況。儲能系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)

3.2 儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

儲能系統(tǒng)是現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分，能夠有效存儲和釋放電能，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持，因此準(zhǔn)確描述儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對于優(yōu)化儲能系統(tǒng)的性能具有重要意義。儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要包括能量平衡方程和功率分配方程。其中：能量平衡方程用于描述儲能系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的能量傳遞關(guān)系，包括電池內(nèi)部的電荷傳輸、與外界交流電路的連接等；功率分配方程則用來描述儲能系統(tǒng)輸出功率的大小及其變化規(guī)律。通過建模可以得到儲能系統(tǒng)狀態(tài)變量和輸入變量之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測。

狀態(tài)變量公式為

式中：egin{aligned}為蓄電池內(nèi)儲存電量的大小，Ah；S_i為蓄電池i的電壓值，V；left為蓄電池i的電流值，A；S_{Li}為蓄電池內(nèi)放電量，A·h/cell；S_{Ei}為蓄電池內(nèi)充電量，A·h/cell；T為矩陣上的轉(zhuǎn)置操作； ight為蓄電池i的溫度值；aligned為蓄電池i的充放電速率，C。

輸入變量公式為

式中：egin{aligned}U_i為蓄電池i的輸入電源電壓，V；left為蓄電池i的輸入電流，A；U_{Li}為蓄電池i的輸入源電壓，V；U_{Ei}為蓄電池i的輸入源電流，A；aligned為外部環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等。

輸出變量公式為

式中：egin{aligned}P_i為蓄電池i的輸出功率，W；left為蓄電池i的輸出電流，A；P_{Li}為蓄電池i的輸出源電壓，V；P_{Ei}為蓄電池i的輸出源電流，A；aligned為蓄電池i的輸出功率，W。

基于式（1）～式（3），可以建立儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)需要考慮不同儲能設(shè)備的特點(diǎn)和參數(shù)等因素的影響，以確保模型的精度和可靠性。

3.3 儲能系統(tǒng)的控制策略

研究儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的控制策略，需要先了解儲能技術(shù)的基本原理和工作方式。儲能技術(shù)主要包括蓄電池、超級電容以及燃料電池等多種形式。其中，蓄電池作為一種可再生能源存儲設(shè)備，可以儲存電能并在需要用電時(shí)釋放，以滿足不同時(shí)間點(diǎn)的用電需求。因此，對于儲能技術(shù)的控制策略設(shè)計(jì)而言，必須考慮電力系統(tǒng)所處的時(shí)間尺度和負(fù)荷變化情況等因素。針對不同的儲能類型，可以采用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)最佳效果。例如，對于超級電容器，可以通過動態(tài)調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)電壓輸出，從而達(dá)到更好的功率質(zhì)量比；對于燃料電池，可以考慮使用反饋控制算法優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。為提高儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的效率和穩(wěn)定性，可以考慮與其他發(fā)電機(jī)組或者儲能設(shè)備之間的協(xié)同控制策略。通過設(shè)計(jì)和實(shí)施，可以更好地利用儲能技術(shù)的優(yōu)勢，促進(jìn)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。

4 結(jié) 論

儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中具有重要作用和發(fā)展前景，有助于解決傳統(tǒng)電網(wǎng)面臨的穩(wěn)定性不足和可靠性較差等問題，幫助新能源發(fā)電設(shè)備發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會價(jià)值。未來的研究工作應(yīng)該加強(qiáng)對儲能技術(shù)的開發(fā)和推廣力度，探索新的控制策略和管理模式，推動儲能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。