多元復合儲能技術在電力設備能源自動集成中的運用研究

劉振宇

（國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

多元復合儲能技術具有高效性、經濟性的鮮明特征，其中集成了電池儲能技術、飛輪儲能技術、超導磁儲能技術等多種新型技術手段，能夠顯著優化系統的負荷調節能力，降低設備冗余度，提升系統的響應反饋速度。新時期電網系統建設規模擴大、服務對象增多，接入的電力設備類型和規格也更加多樣，如何利用好不同來源、不同格式能源，如何發揮多元復合儲能技術的優勢，緩解電力設備能源應用壓力，成為諸多電網工作者關注的焦點問題，有必要進行深入探究。

1 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統框架設計

多元復合儲能技術即綜合使用多種儲能手段的集成技術類型，既包含物理儲能、化學儲能，也包含電磁儲能，引入電力設備能源自動集成系統中，可以較好地緩解能源出力間歇性、波動性問題，使系統更加穩定、高效地運行?，F階段，我國新能源研究不斷深入，適用的技術主要包含以下幾類：（1）飛輪儲能。主要利用電力電子變流器裝置，對電動機、發電機狀態進行實時管控，從而實現電能的存儲和輸出。（2）超磁導儲能。該種儲能裝置通常由超導線圈、低溫容器等結構組成，整體的響應速度極快，一般僅需1 ～5ms 即可給出反饋，儲能效率更是達到了90%以上。（3）超級電容器儲能。與常規電容器相比，該種儲能方式的容量可以達到20～100 倍，能量密度高且循環潛力大，經過1 ～50 萬次循環后，容量和內阻仍舊有較為驚人的表現，降幅一般不會超過10%～20%。（4）電池類儲能。包含鉛酸電池、鈉硫電池等，發展時間較早，大容量儲能較為可靠，但具有充放電速度較慢、充放電次數受限等局限性。不同儲能技術性能特征可見表1。

表1 適用于電力設備能源自動集成的幾種儲能技術

本次選用飛輪儲能技術、超級電容器儲能技術、鉛酸電池儲能技術作為能源自動集成系統平臺設計技術集，在前端設置能源采集模塊，經過處理后由射頻傳輸技術傳送給儲能模塊，儲能模塊在特定算法支持下計算各單元的荷電狀態，并實現能源的自動集成。所有能源存放在緩沖區內，當電力設備需要電能時，統一釋放，以達到提升能源利用效率的目的。

2 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統功能配置

2.1 設備能源采集板塊

在能源自動集成系統中，電力設備需要根據實際情況反饋能源需求信息，采集并獲取相關能源，以確保設備的持續平穩運行。因此，系統設計時，需要重點優化設備能源采集模塊，綜合考慮其可靠性與高效性，確保能源采集充足、適宜。本次設計實踐中，為提升設備的運行效率和精簡程度，采用了嵌入式處理器方式，在各電力設備中配置了TMS320C5504 DPS 處理器，處理器使用C55x 芯片，保安CPU、存儲空間、片內外設等部分，內部設置了12 組獨立總線，可以完成指令緩沖、解譯、傳送等工作任務。模塊的刷新速度為200ms，最小有用電能變量為0.001kW·h，工作電壓為3.3V DC，工作溫度為-20 ～40℃，能夠較好地適應不同地區的模塊使用需求。提前設置處理器工作邏輯，使用周期化采集方式與電力設備形成對接，保證自動電能集成系統中能源儲量的充足性，為后續的釋放和分配做好鋪墊。

2.2 設備儲能板塊

設備儲能板塊是整個能源自動集成系統的核心所在，需要合理配置儲能技術，協調好不同技術之間的關系，以確保系統的穩定、高效運行。本次設計過程中，采用超級電容器技術作為設計基礎，功率密度預計可以達到102～104W/kg，明顯高于現有的蓄電池功率密度水平。電容器內部配備了導體聚合物材料，可以作為電容器陽極使用，當電力設備能源自動集成系統運行時，內部的正負離子會在電場影響下發生變化，形成電層并開始儲能，后期需要提取電能時，電層則會逐漸變薄并釋放能量，保障設備的持續運行，如此一來，既保證了原有電力系統架構的正常運轉，又避免了電力設備遭受不利影響的問題，超級電容器結構簡圖可見圖1。另外，配置飛輪儲能裝置、鉛酸電池儲能裝置，形成多元復合儲能系統，并根據不同情況計算儲能單元荷電狀態，計算方法如下：

圖1 超級電容器結構簡圖

式中，ew代表電容內剩余電量；dt代表集成過程中電容容量。

當電容容量或電容內剩余電量不明時，也可以用下式進行計算：

式中，Amin和Amax分別代表電力設備中能源的最小值和最大值；A代表當前電力設備電能。

2.3 設備能源集成板塊

能源集成模塊設計時，需要采用廣泛聯通、有序連接的基本思路，找出可連接儲能裝置的核心電力設備，科學裝配集成器并完成單元之間的聯通?？紤]到電力設備系統中，大多存在多個儲能單元，集成和應用環節很可能出現混淆、錯用問題，因此，可以根據實際需求設置“一對一”“一對多”形式，明確不同單元的分類標準，同時配置能源“看門狗”，以儲能技術為依托搭建能源緩沖區，將收集的能源集成到緩沖區之內，后續需要使用能源時，統一釋放和分配，以確保能源利用效率的提升。為確保能源種類合理區分，還可以設計專門的分類算法，區分度控制公式如下：

式中，C1,C2為能源種類；sim(C1,C2)為能源種類的相似度。通過區分度控制，可以更好地對集成后的能源進行分類存儲，為后期電能的有效利用提供支持，避免出現電能浪費等問題。

3 基于多元復合儲能技術的電力設備能源自動集成系統測試情況

為驗證多元復合儲能技術的應用效果及電力設備能源自動集成系統的應用狀況，本文設計和編制了專門的測試方案，測試過程如下。

3.1 測試平臺

測試平臺設計時，需要綜合考慮易實現性和經濟性問題，結合電力設備能源自動集成系統的實際使用和運行場景調整平臺細節。其中硬件環境部分配置了Intel i5 處理器，以及1TB 的HDD 硬盤，以及8G 內存容量的DDR4 集成顯卡、UHD Graphics630 集成顯卡，通信能力更加可靠。由于處理器中融入了圖形處理核心，因此兼容性、穩定性會更有保障，采用集成內存控制器，也能夠較好地規避原有內存模式下存在的響應延遲困境，保證測試過程的順利進行。軟件環境中，主要采用了Windows10 操作系統，以及SQL 2016 數據庫，該種數據庫軟件支持分布式數據組織形式，可以與其他服務器軟件建立良好聯系，響應速度較快，可以提供對外可擴展標記語言。環境準備完成后，還需要對其他測試設備進行檢查，設備類型主要包含電壓表、電流表、傳感器、LPC2132 芯片等。運用該測試平臺開展電力設備能源自動集成系統測試，以及其他對照組系統運行情況的測試。

3.2 測試指標

測試環節共設計了以下幾種指標：（1）集成能源利用效果?？紤]到電力設備能源應用系統對電能儲存的要求是不同的，部分情況下，儲能目的是提供電壓補償，保證供電品質；部分情況下，則是為了提供不間斷電源，保證供電的可靠性。這些目的背后隱藏的功能性需求是存在差異的，比如，作為電壓補償時，要求儲能系統快速響應；作為不間斷電源使用時，要求儲能容量滿足負荷需求。因此，能源自動集成系統測試環節，設計了差異化的利用效果評估指標，比如，快速響應指標、負荷調節指標等，以全面、客觀地評估系統運行效果。（2）能源集成經濟效益。經濟效益是自動能源集成系統運行中極為關鍵的衡量指標，主要研究多元儲能技術及集成系統應用后，電力設備能夠節省多少用于電力補償、負荷調節、不間斷電源設置維護的資金。通過計算，將單位能源利用效益確定為2.5 元，則總效益計算方式如下：

式中，E為能源集成經濟效益；Re為額定能源；Rs為集成后的再利用能源。將各組別計算得到的效益綜合記錄下來，對比不同方案下的效益水平，為電能集成系統運行效果評估提供依據。

3.3 測試過程

測試過程中，另外選擇了兩種電力設備能源供應方案作為對照組，對照組一使用單一儲能技術，對照組二不使用儲能技術，按照3.2 所述內容計算集成經濟效益，對比不同方案之間的效益水平。同時，選定燃氣輪機、發電機、電站鍋爐等電力設備作為試驗設備，觀測能源自動集成系統作為電壓補償、不間斷電源供應、負荷調節中介時的響應速度情況、目標實現情況。根據電力設備的日常運行狀態，共選擇和確定了高壓運行、低壓運行兩種測試場景，每種場景下設置5 次重復試驗，將所有測驗結果記錄在表格中，為后續的分析討論提供依據。

3.4 測試結果

本次測試得到的經濟效益對比情況可見表2。從表中可以看出，基于多元復合儲能技術的自動電能集成系統運行效益要明顯高于單一儲能模式及未使用儲能技術模式下的系統效益，節省電能及資金總額更為可觀，能夠為電力設備的運行提供良好支持。同時，進行了電能利用效果評估，結果發現，基于多元復合儲能技術的自動電能集成系統無論在高壓還是低壓環境下，均可以較好地完成設定任務，5 次測試下的系統響應平均耗時僅有27ms 左右，而單一儲能需要耗費6 ～7s，可見其響應速度之快。同時，該集成系統還可以用于不間斷電源供應，以2.1kW 為實際輸出功率時，儲能容量可以達到262.5AH，延時時間可以達到12h 左右，相比之下，單一儲能系統儲能容量僅有175AH，延時時間也僅有8h。

表2 多元復合儲能技術經濟效益測試情況

4 結語

綜上所述，多元復合儲能技術是提升電力設備供電能力、優化電力設備運行性能的重要手段，可以更高效地緩解能源出力間歇性和波動性，使系統中的能源得到更充分的利用，實踐中務必要給予充分重視。要結合實際需求開發能源自動集成訪問與利用平臺，開通信息采集、設備儲能、集成利用板塊，做好后期的測試評估工作，對應調整技術細節，切實提升自動集成系統的經濟、社會效益，為電力企業的可持續發展注入活力。