儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用分析

郭亞萍

（廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

基于不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，新能源發(fā)電系統(tǒng)能夠以風(fēng)光互補(bǔ)等新型能源來(lái)代替煤炭等傳統(tǒng)能源進(jìn)行發(fā)電。但受到這些新能源間歇性以及可控性較差的影響，新能源發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用仍有較大的上升空間。儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)用，是從降低峰值電力負(fù)荷的角度出發(fā)，為提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率提供的技術(shù)手段，對(duì)促進(jìn)電力行業(yè)的整體發(fā)展具有積極的意義。

1 電力系統(tǒng)常用的儲(chǔ)能技術(shù)

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)以蓄電池作為儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化的主要載體，其能夠基于化學(xué)反應(yīng)的原理，讓蓄電池中的電解質(zhì)在經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而達(dá)到存儲(chǔ)電能的目的。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這種儲(chǔ)能方式通常選擇負(fù)荷低谷時(shí)充電儲(chǔ)能，而在負(fù)荷高峰時(shí)將儲(chǔ)存的電能輸送到電網(wǎng)，不會(huì)受到地域條件的影響限制，能夠以快速的響應(yīng)時(shí)間來(lái)促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行效率的提升[1]。但由于蓄電池儲(chǔ)能的使用壽命較短，且維護(hù)過(guò)程比較復(fù)雜，這種儲(chǔ)能方式的實(shí)際應(yīng)用范圍有限，會(huì)受到維護(hù)成本以及技術(shù)水平的限制。

1.2 抽水儲(chǔ)能技術(shù)

抽水儲(chǔ)能技術(shù)主要依賴(lài)蓄能電站發(fā)揮儲(chǔ)能作用，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，蓄能電站主要利用水泵將水從低處抽到高處，而在負(fù)荷高峰時(shí)，則打開(kāi)水庫(kù)，利用水的動(dòng)力勢(shì)能來(lái)達(dá)到電能轉(zhuǎn)化和發(fā)電的目的。該儲(chǔ)能技術(shù)擁有的儲(chǔ)能空間較大，儲(chǔ)能時(shí)間也更長(zhǎng)，儲(chǔ)能過(guò)程中能夠呈現(xiàn)出較高的能量密度。但也會(huì)受到地形地勢(shì)的限制，在投資成本不足的情況下，不僅難以發(fā)揮該技術(shù)的作用，還容易對(duì)周邊的環(huán)境造成破壞[2]。

1.3 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)通常作為蓄電池系統(tǒng)的補(bǔ)充發(fā)揮作用。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，主要以風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化的方式達(dá)到電能儲(chǔ)存的目的。當(dāng)電機(jī)為飛輪驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力，讓飛輪達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)速度后，飛輪儲(chǔ)能裝置就可以發(fā)揮作用，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪動(dòng)能。如果這一過(guò)程中的用電量增大，則飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能就能夠帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)

考慮動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的基本條件，飛輪系統(tǒng)應(yīng)主要在接近真空的環(huán)境中運(yùn)行，用以達(dá)到降低風(fēng)阻和摩擦引起的動(dòng)能損失問(wèn)題。飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行的基本流程，需要在電能輸入電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)后，飛輪產(chǎn)生的機(jī)械能作用于發(fā)電機(jī)，就可以達(dá)到輸出電能的目的。在實(shí)際運(yùn)行中，飛輪儲(chǔ)能裝置本身具有良好的穩(wěn)定性，使用壽命較長(zhǎng)，但由于飛輪系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量密度較低，保障系統(tǒng)安全消耗的成本也比較高，還會(huì)受到場(chǎng)地條件的限制，因而存在一定的應(yīng)用限制。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，主要能夠發(fā)揮以下作用：首先，新能源發(fā)電領(lǐng)域涉及風(fēng)光互補(bǔ)等新型電力能源發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)能、光能的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，具有明顯的間歇性和波動(dòng)性。將儲(chǔ)能技術(shù)作為一種調(diào)峰手段，可以在不增加電網(wǎng)容量的前提下，讓新能源電站電能持續(xù)平穩(wěn)輸出，提升新能源的利用率，減少浪費(fèi)。其次，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中的波動(dòng)，通過(guò)相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的自我調(diào)控，以?xún)?yōu)化電力系統(tǒng)功率的方式，讓并網(wǎng)的輸出功率能夠持續(xù)穩(wěn)定。在這一過(guò)程中，以?xún)?chǔ)能技術(shù)來(lái)輔助新能源發(fā)電站的建模分析，有利于提升電力系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性[3]。以?xún)?chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與電力行業(yè)的發(fā)展之間有著密切的聯(lián)系。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)峰和運(yùn)行優(yōu)化，一方面能夠保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面也能夠在技術(shù)研發(fā)中積極拓展儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用渠道和范圍，提高儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)用性。

3 在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)的情況

新能源發(fā)電系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)的背景下有著廣闊的發(fā)展前景，以?xún)?chǔ)能技術(shù)作為穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的重要保障，促進(jìn)電力系統(tǒng)“發(fā)-輸-配-用”基本格局的轉(zhuǎn)變發(fā)展，能夠在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，更好地推動(dòng)電力行業(yè)整體的健康發(fā)展，讓其為社會(huì)發(fā)展提供更充足的電能供應(yīng)。基于此，結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用原理，對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩個(gè)典型的新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的情況進(jìn)行分析，主要可以從以下方面入手，針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題，促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)化。

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用方法

利用儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和促進(jìn)穩(wěn)定運(yùn)行，主要可以通過(guò)3 種方式實(shí)現(xiàn)。首先，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)頻率偏差時(shí)，可以依據(jù)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻功能，將調(diào)速器與偏差率結(jié)合起來(lái)，共同作用于發(fā)電機(jī)組，改變發(fā)電機(jī)組的發(fā)力，從而達(dá)到一次調(diào)頻的目的。然后按照相同的步驟進(jìn)行二次調(diào)頻，利用儲(chǔ)能裝置中的電力電子變流裝置，來(lái)提高調(diào)頻響應(yīng)控制的精準(zhǔn)度。這樣能夠?qū)l(fā)電系統(tǒng)的電信號(hào)頻率穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值的范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)頻效果。

其次，在新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行中，也可以將發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能裝置結(jié)合起來(lái)，將其看作為一個(gè)能夠保持同步的虛擬發(fā)電機(jī)組，然后以構(gòu)建虛擬調(diào)頻模型平臺(tái)的方式，將傳統(tǒng)的同步調(diào)頻模型轉(zhuǎn)移出去。在平臺(tái)中應(yīng)用配備能量控制系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，推動(dòng)虛擬模型算法的運(yùn)行，借助該模型算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源并網(wǎng)情況下的調(diào)峰調(diào)頻功能。

最后，在電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，在保證電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一支配的前提下，讓儲(chǔ)能系統(tǒng)依據(jù)調(diào)度指揮的相關(guān)指令來(lái)執(zhí)行操作，利用調(diào)度產(chǎn)生的有功和無(wú)功數(shù)值，對(duì)電網(wǎng)功率大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制[4]。在這一過(guò)程中，考慮單一調(diào)頻調(diào)峰算法的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程較為復(fù)雜，發(fā)揮電網(wǎng)的輔助作用，可以有效降低實(shí)際對(duì)其進(jìn)行調(diào)控的難度，提升儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方面已經(jīng)擁有較為成熟的技術(shù)，且風(fēng)力發(fā)電的原理本身較為簡(jiǎn)單，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，能夠有效保障整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較為常見(jiàn)，通常以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組+飛輪儲(chǔ)能的組合方式發(fā)揮作用。在實(shí)際應(yīng)用中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要通過(guò)飛輪的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到儲(chǔ)存能量的目的，對(duì)制成飛輪合成材料類(lèi)型的選擇，應(yīng)以飛輪儲(chǔ)存的能量大小作為依據(jù)，基于以下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：E——飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能；J——飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωmax——轉(zhuǎn)子的最大角速度；ωmin——轉(zhuǎn)子的最小角速度。

基于以上原理，可以依據(jù)每分鐘飛輪轉(zhuǎn)速千轉(zhuǎn)，將飛輪儲(chǔ)能裝置分為高速飛輪和低速飛輪兩種類(lèi)型。

飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2 所示。在確定好應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備后，將飛輪儲(chǔ)能裝置連接在風(fēng)機(jī)直流側(cè)后，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)將捕捉到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)用逆變器將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電，以并聯(lián)的方式將飛輪儲(chǔ)能裝置電路與系統(tǒng)直流電路連接起來(lái)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的輸出功率發(fā)生變化或存在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，逆變器與整流器之間的電流IG、IL也可能會(huì)發(fā)生變化。在這一過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)計(jì)控制策略的方式，在飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能Edc升高，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，抑制電路中直流電壓的上升，而在飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能下降的情況下，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備處于釋能的狀態(tài)，可以補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額。

圖2 飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，考慮該技術(shù)產(chǎn)生的自放電現(xiàn)象損失的能量占據(jù)其自身儲(chǔ)存能量的20%左右，因而很容易限制其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的長(zhǎng)期應(yīng)用。但飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也較為明顯，將其應(yīng)用于變化周期較小的一次頻率控制當(dāng)中，可以借助飛輪儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)吸收或釋放配電網(wǎng)中的有功及無(wú)功功率，從而有效提升電能的質(zhì)量水平。

3.3 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)更多作為主電網(wǎng)的補(bǔ)充發(fā)揮作用。結(jié)合以往該系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，考慮瞬時(shí)功率穩(wěn)定性差是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮作用的主要問(wèn)題。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，以無(wú)源并聯(lián)儲(chǔ)能的方式，穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載功率，控制系統(tǒng)脈沖，保證電源正常的充電和放電功能，提升電流的穩(wěn)定性。

在儲(chǔ)能方面，應(yīng)用電池儲(chǔ)能技術(shù)，可以將儲(chǔ)能裝置以并聯(lián)或充電控制器的方式與光伏電池組連接，基于電化學(xué)的方法將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。這一過(guò)程中能夠應(yīng)用的電池類(lèi)型廣泛，鉛酸電池、鐵鋰電池、鈉離子電池等都可以作為儲(chǔ)能裝置；應(yīng)用熱儲(chǔ)能技術(shù)，則可以將太陽(yáng)能板上列陣光伏電池組的余熱、太陽(yáng)能板下陣列的散熱等熱能儲(chǔ)存起來(lái)，用于地暖、熱水供應(yīng)等需求溫度傳輸媒介的場(chǎng)合。

在電力調(diào)峰方面，儲(chǔ)能技術(shù)主要借助儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮作用。基于當(dāng)前電力行業(yè)科學(xué)并網(wǎng)的要求，以協(xié)調(diào)功率和密度均較高的系統(tǒng)為主要目的，可以借助儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)存單元的密度進(jìn)行調(diào)控。在這一過(guò)程中，應(yīng)用超級(jí)電容裝置，可以改善提升電力系統(tǒng)的質(zhì)量水平。在應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借助儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能功率穩(wěn)定性的分析，能夠降低故障的發(fā)生概率，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，也可以將其作為優(yōu)化蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效手段和方法。

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元通過(guò)逆變器并聯(lián)于交流母線，儲(chǔ)能單元通過(guò)變流器與交流母線連接，用于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的供需平衡。應(yīng)用雙向儲(chǔ)能變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)升壓與逆變、降壓與整流的解耦控制。在儲(chǔ)能裝置放電時(shí)，前級(jí)變流器工作于升壓模式，后級(jí)變流器工作于逆變模式，而儲(chǔ)能裝置充電時(shí)，二者工作狀態(tài)均相反。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向和趨勢(shì)

儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)階段的發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)其存在著明顯的缺陷和不足。例如，現(xiàn)階段新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的建設(shè)和維護(hù)成本都比較高，投資成本的回收期也比較長(zhǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命也普遍比較低，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全問(wèn)題仍未得到明顯的改善。當(dāng)前也未形成基于儲(chǔ)能技術(shù)的多樣化商業(yè)模式，難以獲得理想的盈利水平來(lái)支持儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化和發(fā)展。因而現(xiàn)階段的儲(chǔ)能技術(shù)仍然面臨著規(guī)劃、技術(shù)、安全等多方面的問(wèn)題。

在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)能夠充分考慮我國(guó)在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)以及雙碳總體目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)優(yōu)化，以提升儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性為主要目標(biāo)，積極探索和嘗試將各種現(xiàn)代化手段應(yīng)用到儲(chǔ)能技術(shù)的有效方法，以此來(lái)不斷提升儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)際使用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用到新能源發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，能夠有效提升電源的整體質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。考慮現(xiàn)階段受到電站儲(chǔ)能條件以及要求不同的影響，實(shí)際應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型存在差異。以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)的作用，應(yīng)考慮不同發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化原理，針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)具體技術(shù)內(nèi)容的優(yōu)化研究，提升儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用效果。