雙碳能源時(shí)代下電力系統(tǒng)調(diào)度中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用研究

顧文侃，徐琳瑋，周廉鈞

（上海市電力公司浦東供電公司，上海 200125）

0 引 言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和可再生能源的快速發(fā)展，雙碳能源時(shí)代已成為全球能源發(fā)展的新趨勢(shì)。在這一時(shí)代背景下，電力系統(tǒng)調(diào)度面臨著更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)和變化。由于可再生能源的波動(dòng)性和不確定性，電力系統(tǒng)的功率平衡和穩(wěn)定性受到前所未有的挑戰(zhàn)。

1 雙碳能源時(shí)代下的電力系統(tǒng)構(gòu)成

在雙碳能源時(shí)代，即“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)下，電力系統(tǒng)構(gòu)成經(jīng)歷深刻的變革，主要表現(xiàn)在更大規(guī)模地融合可再生能源，尤其作為主要電力來源的太陽(yáng)能和風(fēng)能，如圖1 所示。分布式微電網(wǎng)起至關(guān)重要的作用，允許小規(guī)模的電源近距離輸送電能，從而減少輸電損耗，并通過智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)電力資源的高效利用。儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以用于應(yīng)對(duì)可再生能源的間歇性，還可以在高峰時(shí)段釋放電能以確保供電穩(wěn)定。與此同時(shí)，綜合能源服務(wù)在這一架構(gòu)中也占據(jù)重要地位，實(shí)現(xiàn)多種能源的有機(jī)結(jié)合與協(xié)同工作，滿足用戶對(duì)于電力、熱力以及燃?xì)獾木C合需求。而智能電表和先進(jìn)的電網(wǎng)管理系統(tǒng)為這一復(fù)雜的系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐與實(shí)時(shí)調(diào)度能力，確保系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。這一構(gòu)成不僅標(biāo)志著電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型，也意味著從中央集中式供電向分布式供電的轉(zhuǎn)變，為雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

圖1 雙碳能源時(shí)代下的電力系統(tǒng)構(gòu)成

2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類與特性

2.1 常見的儲(chǔ)能技術(shù)類型及其運(yùn)行原理

常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及熱-電儲(chǔ)能等。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能主要是通過電化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存電能，并在需要時(shí)將電化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。這類儲(chǔ)能技術(shù)的代表是各類二次電池，如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。此外，燃料電池和超級(jí)電容器也是電化學(xué)儲(chǔ)能的重要形式。電磁儲(chǔ)能技術(shù)的主要形式為超導(dǎo)磁儲(chǔ)能，利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)來存儲(chǔ)能量。當(dāng)需要釋放電能時(shí)，將磁能轉(zhuǎn)換回電能。由于超導(dǎo)狀態(tài)下的電阻為零，能量損失非常小。熱-電儲(chǔ)能主要是利用熱電偶效應(yīng)，將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，之后再通過熱電偶將熱能轉(zhuǎn)換回電能[2]。

2.2 不同儲(chǔ)能技術(shù)的特性比較

電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及熱-電儲(chǔ)能3 類主要儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵特性如表1 所示。

表1 不同儲(chǔ)能技術(shù)的特性比較

由表1 可知，儲(chǔ)能技術(shù)具有各自獨(dú)特的特性和應(yīng)用范圍。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有中至高的儲(chǔ)能容量，其效率范圍為80%～95%，使用壽命為5 ～20 年，成本則為500 ～5 000 元/（kW·h），滿足長(zhǎng)周期、大規(guī)模的儲(chǔ)能需求。電磁儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能容量為低至中，但其最大的特點(diǎn)是具有極高的效率，達(dá)到95%～99%。此外，其使用壽命也相對(duì)穩(wěn)定，為10 ～15 年，成本介于1 000 ～5 000 元/（kW·h），主要適用于短時(shí)應(yīng)用和高頻響應(yīng)場(chǎng)景。而熱-電儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能容量為中等，效率介于60%～80%，使用壽命為10～20年，成本則為300～2 000元/（kW·h），更適用于與熱能應(yīng)用相結(jié)合的場(chǎng)景，如余熱回收和季節(jié)性儲(chǔ)能。各儲(chǔ)能技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和局限性，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景，這也決定其在未來能源系統(tǒng)中的應(yīng)用前景和市場(chǎng)份額。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)度中的應(yīng)用

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)度策略及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響

儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)度策略包括如何有效地分配和利用儲(chǔ)能資源，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可靠性。首先，儲(chǔ)能設(shè)備可以通過削峰填谷的方式，平滑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和可再生能源的不穩(wěn)定輸出，減少對(duì)電力設(shè)備的磨損與老化，提高電力系統(tǒng)的整體效率。其次，儲(chǔ)能設(shè)備可以在電力系統(tǒng)的頻率和電壓控制中發(fā)揮作用，通過快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)，幫助維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后，儲(chǔ)能設(shè)備還可以作為備用電源，在電力系統(tǒng)故障或者其他突發(fā)事件時(shí)，提供臨時(shí)的電力供應(yīng)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的韌性。這些調(diào)度策略在實(shí)踐中的運(yùn)用可以大幅提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，提升電力供應(yīng)的可靠性。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在平滑可再生能源輸出的應(yīng)用案例

以某風(fēng)電場(chǎng)的平滑可再生能源輸出建設(shè)實(shí)踐為例，該風(fēng)電場(chǎng)有一個(gè)總?cè)萘繛?0 MW 的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。在一個(gè)典型的風(fēng)速變化日，風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出在-20 ～+20 MW 波動(dòng)。在沒有儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，這種大幅度的波動(dòng)會(huì)給電網(wǎng)帶來很大壓力，甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的異常。然而，有電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的幫助，當(dāng)風(fēng)電功率上升時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收多余的電能；當(dāng)風(fēng)電功率下降時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放電能，從而平滑風(fēng)電的輸出。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)用成功減少風(fēng)電功率波動(dòng)的80%，顯著提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.3 提高系統(tǒng)靈活性的應(yīng)用案例

某電網(wǎng)公司為提高電力系統(tǒng)的靈活性，在某地區(qū)部署以鋰電池為核心的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。系統(tǒng)的總?cè)萘繛?00 MW·h，設(shè)計(jì)用于吸收夜間電網(wǎng)中的剩余電力，并在早晚高峰期間釋放電能，從而減輕高峰期間電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高電力系統(tǒng)的靈活性。峰谷電價(jià)差可以為電網(wǎng)公司帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

3.4 提升電網(wǎng)穩(wěn)定性的應(yīng)用案例

在某地區(qū)，電力系統(tǒng)因?yàn)榇笠?guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電和光伏電源，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。為此，該地電力公司投入并運(yùn)行一套總?cè)萘繛?00 MW·h 的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)行快速的有功和無功調(diào)節(jié)，以維持電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。在并網(wǎng)的第一年，系統(tǒng)成功抑制30 次嚴(yán)重的電壓暫降和10 次頻率偏離，有效提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

4 雙碳能源時(shí)代下電力系統(tǒng)調(diào)度的儲(chǔ)能優(yōu)化策略

4.1 基于雙碳目標(biāo)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化模型

基于雙碳目標(biāo)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化模型是一種針對(duì)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)碳排放最小化和運(yùn)行成本最低化的優(yōu)化模型。該模型的主要目標(biāo)是以最優(yōu)的方式進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度，從而在滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)碳排放的減少與運(yùn)行成本的降低。

具體來說，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)是碳排放量ECO2和運(yùn)行成本Crun的加權(quán)和，以此反映雙碳目標(biāo)的要求，可以表示為

式中：ω1和ω2為權(quán)重系數(shù)，表示碳排放和運(yùn)行成本在整體目標(biāo)中的相對(duì)重要性。

這樣的設(shè)計(jì)充分反映了雙碳目標(biāo)的要求，而優(yōu)化的決策變量主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率Pcharge和放電功率Pdischarge[4]。建立基于雙碳目標(biāo)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化模型主要流程如圖2 所示。

圖2 基于雙碳目標(biāo)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化模型建立流程

第一步，確定優(yōu)化目標(biāo)，即最小化Fopt。第二步，建立約束條件。約束條件包括電力系統(tǒng)的功率平衡約束、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電約束以及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定約束等。第三步，結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)與約束條件，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。第四步，使用優(yōu)化算法，如線性規(guī)劃、遺傳算法等，對(duì)模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的儲(chǔ)能調(diào)度策略。第五步，分析優(yōu)化結(jié)果，并基于這些結(jié)果為電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能調(diào)度制定合理的策略。

電力系統(tǒng)的功率平衡約束為

式中：Pload為需求功率；Pgen為供給功率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電約束為

4.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略優(yōu)化

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略優(yōu)化是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，涉及到如何根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和市場(chǎng)價(jià)格等信息，制定出合理的儲(chǔ)能充放電策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益的最大化。在制定儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略時(shí)，需要考慮的主要因素包括電力市場(chǎng)價(jià)格、電網(wǎng)負(fù)荷狀況、可再生能源出力以及儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的技術(shù)特性等。在這些因素的影響下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略優(yōu)化，可以構(gòu)建一個(gè)多期決策的優(yōu)化模型。在這個(gè)模型中，優(yōu)化目標(biāo)是最大化儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益，而決策變量則是每個(gè)時(shí)段的充電和放電決策。約束條件包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)約束（如充放電功率、儲(chǔ)能容量等）、電網(wǎng)運(yùn)行約束（如功率平衡、安全穩(wěn)定等）以及市場(chǎng)運(yùn)行約束（如市場(chǎng)價(jià)格、交易規(guī)則等）[5]。對(duì)于這種優(yōu)化模型，可以采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行求解。通過優(yōu)化算法，可以得到最優(yōu)的儲(chǔ)能運(yùn)行策略，有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效益，同時(shí)支持電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

4.3 基于先進(jìn)技術(shù)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化策略

人工智能（Artificial Intelligence，AI）、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)已在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，它們?yōu)閮?chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化策略提供新的可能性。

首先，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以用于預(yù)測(cè)電力市場(chǎng)的價(jià)格、電網(wǎng)負(fù)荷、可再生能源的出力等關(guān)鍵因素。通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以建立精確的預(yù)測(cè)模型，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度決策提供準(zhǔn)確的輸入信息。其次，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)還可以直接應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化決策。例如，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Deep Reinforcement Learning，DRL）算法可以處理具有復(fù)雜約束和高維決策空間的優(yōu)化問題，適合于解決儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略優(yōu)化問題。最后，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以處理和分析電力系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，挖掘其中的關(guān)鍵信息和知識(shí)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供支持。

在實(shí)際應(yīng)用中，這些先進(jìn)技術(shù)可以與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相結(jié)合，形成混合智能優(yōu)化策略，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的高效優(yōu)化運(yùn)行。這將對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生積極影響。

5 結(jié) 論

在雙碳能源時(shí)代，大規(guī)模集成可再生能源成為電力系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)，而儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用顯著提升電力系統(tǒng)調(diào)度的靈活性和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的綠色、低碳、高效運(yùn)行提供有效的支持。針對(duì)雙碳能源時(shí)代的電力系統(tǒng)特性，詳細(xì)研究各類儲(chǔ)能技術(shù)的性質(zhì)和應(yīng)用策略，并提出基于雙碳目標(biāo)的儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化模型、儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略優(yōu)化以及基于先進(jìn)技術(shù)的儲(chǔ)能優(yōu)化策略，為電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的有效應(yīng)用與優(yōu)化調(diào)度提供理論依據(jù)和技術(shù)路徑。