儲能技術在新能源發電系統中的應用與優化研究

劉 紅，任曉榕

（1.中國電力國際發展有限公司，北京 100080；2.山西中電神頭第二發電有限責任公司，山西 朔州 036000）

0 引 言

新能源發電系統主要依靠太陽能、風能、水能等可再生能源來產生電能，然而這些能源的波動性和不穩定性使得電網的運行面臨諸多挑戰。例如，在風電場或太陽能光伏場景下，能源的產生受到天氣條件的影響，而電網負荷卻需要穩定供應。這種不匹配會導致電網的頻率波動、能源的浪費以及電力供應的不穩定。因此，引入儲能技術作為新能源發電系統的輔助手段。

1 新能源發電系統與儲能技術概述

1.1 新能源發電系統的特點和挑戰

新能源發電系統作為一種清潔、可持續的能源供應方式，在全球范圍內得到了廣泛的關注和應用，同時面臨一些挑戰。首先，能源波動性和不可控性是其主要問題之一。由于新能源發電受到自然條件的限制，如太陽能光伏發電受日照強度和云量影響，風能發電受風速和風向影響，能源的產生存在波動性和不可控性。其次，新能源發電系統與電網負荷之間的匹配也是一個重要的挑戰。由于新能源發電的波動性，電網的頻率和電壓可能發生波動，影響電網的穩定運行和電力質量。最后，新能源發電系統的能源供應與電力需求之間存在時間和空間上的不匹配，導致能源的浪費和電力供應的不穩定。為了克服這些挑戰，儲能技術作為一種重要的能源管理工具被引入新能源發電系統，可以幫助平衡能源的供需關系，提供能源的靈活性和可調度性，從而提高電網的穩定性和可靠性。

1.2 儲能技術的分類和原理

儲能技術是將能量在一段時間內轉化成儲存形式，以便在需要時再次釋放能量的技術。根據儲能介質的不同，儲能技術可以分為機械儲能技術、電化學儲能技術、熱儲能技術以及化學儲能技術。

機械儲能技術利用機械裝置將能量轉化為機械形式進行儲存。常見的機械儲能技術包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。抽水蓄能在低峰時段將水抽升到高處的蓄能池中，高峰時段通過釋放水來驅動渦輪發電機發電。壓縮空氣儲能則將空氣壓縮儲存，高峰時段釋放空氣經過渦輪發電機發電。飛輪儲能利用高速旋轉的飛輪來儲存能量，高峰時段通過減速器將其轉化為電能[1]。

電化學儲能技術利用化學反應將能量轉化為電能進行儲存。常見的電化學儲能技術包括電池和超級電容器。電池通過將化學能轉化為電能進行儲存，包括鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池等。超級電容器利用雙層電容效應將能量儲存起來，具有高功率密度和快速充放電等特性。

熱儲能技術利用熱能的溫度差進行能量的儲存。常見的熱儲能技術包括蓄熱技術和熱泵技術。蓄熱技術利用高溫和低溫儲存介質之間的溫度差來儲存和釋放熱能，包括熔融鹽蓄熱、水蒸氣蓄熱和地下蓄熱等。熱泵技術則利用低溫熱源通過熱泵循環將熱能從低溫傳遞到高溫，實現熱能的儲存和利用。

化學儲能技術利用化學反應將能量儲存為化學鍵的能量。常見的化學儲能技術包括氫能儲存和化學合成儲能等。氫能儲存通過將氫氣與其他物質反應儲存為化合物，高峰時段通過反向反應釋放氫氣進行能量轉化。化學合成儲能利用化學反應將低值能源轉化為高值能源，實現能量的儲存和轉換。

2 儲能技術在新能源發電系統中的應用

2.1 儲能技術在平滑功率輸出中的應用

新能源發電系統如風能和太陽能發電系統，會受到自然資源的變化和季節性的影響，導致發電功率的不穩定性和波動性，給電網的穩定運行帶來了挑戰。為了解決這個問題，儲能技術被廣泛應用，以平滑新能源發電系統的功率輸出。

在平滑功率輸出方面，儲能技術采用多種應用方式，以應對不同的情況和需求。首先，儲能系統的儲能-釋能調節策略通過將新能源發電系統的過剩電能儲存起來，并在系統發電不足時釋放儲能，實現對功率的調節。這種調節方式可以有效減少新能源發電系統的功率波動性，使其更加穩定，有利于提高電網的可靠性。其次，儲能技術具備快速響應能力，能夠在電網需求變化時快速釋放或吸收儲能，以平衡供需之間的差異。通過在新能源發電系統中應用儲能技術，可以實現快速調節電力輸出，提高系統的響應能力，有助于應對電網負荷變化和尖峰用電需求。最后，儲能技術也具備調峰填谷能力，即在高峰期儲存電能，以滿足電網需求；在低谷期釋放儲能，以充分利用新能源發電系統的產能，實現電能的平衡調配[2]。這種調峰填谷的能力可以有效平衡電力供需，提高電網的穩定性和經濟性。

2.2 儲能技術在電網穩定性中的應用

新能源發電的不可控性和間斷性給電網的穩定運行帶來了挑戰，特別是在高比例的新能源接入情況下。儲能技術的應用可以有效改善電網的穩定性，提供調節能力，支持電網頻率與電壓的控制。

儲能技術在電網穩定性中的應用主要體現在以下幾個方面。首先，儲能系統可以提供快速響應的調節能力，以應對電網負荷變化和新能源發電波動帶來的頻率偏差。當電網負荷突然增加或新能源發電波動時，儲能系統可以迅速釋放儲存的能量，使電網頻率保持穩定。相反，當電網負荷減少時，儲能系統可以吸收多余的能量，避免電網頻率過高。通過這種方式，儲能技術可以提供頻率調節的支持，保持電網的穩定性。其次，儲能系統可以通過無功功率控制來支持電網的電壓穩定。當電網電壓過高或過低時，儲能系統可以根據需要吸收或釋放無功功率，調節電網的電壓水平。這種電壓控制能力對于維持電網的穩定運行和保護用戶設備具有重要意義。最后，儲能技術還可以提供電網備用容量，以應對突發的負荷增加或發電系統故障。當發生電力緊張的情況時，儲能系統可以快速釋放儲存的能量，提供額外的供電能力，確保電網的穩定供電。

2.3 儲能技術在調峰填谷中的應用

由于新能源發電的間斷性和波動性，往往無法滿足電網負荷的需求，特別是在高負荷時段或低負荷時段。儲能技術的應用可以通過在低負荷時段儲存多余的能量，然后在高負荷時段釋放儲存的能量，以平衡電網的供需差異，實現調峰填谷的效果。

儲能技術在調峰填谷中的應用主要體現在以下幾個方面。首先，儲能系統可以在低負荷時段儲存多余的能量。當新能源發電系統產生的能量超過電網負荷需求時，儲能系統可以將多余的能量轉化為儲存能量，以避免浪費。這種能量的儲存可以通過電池、超級電容器、抽水蓄能等不同的儲能技術來實現。其次，當電網負荷需求增加時，儲能系統可以釋放儲存的能量，填補供需缺口。在高負荷時段，儲能系統可以向電網注入儲存的能量，以滿足電網的需求[3]。最后，儲能技術還可以提供緊急備用電源，以應對突發的負荷增加或發電系統故障。當發生電力緊張的情況時，儲能系統可以迅速釋放儲存的能量，提供額外的供電能力，以保障電網的穩定供電。

3 儲能技術在新能源發電系統中的優化研究

3.1 儲能容量的優化配置

儲能容量的優化配置是新能源發電系統中儲能技術優化研究的重要方向之一。儲能容量的大小直接影響著儲能系統的性能、成本以及經濟性。因此，合理配置儲能容量對于實現系統的最優運行至關重要。

在儲能容量的優化配置研究中，需要考慮以下幾個方面。首先，需要考慮電網負荷的特點和需求。不同地區、不同時間段的負荷需求不同，因此儲能容量的配置應根據具體情況進行調整。通過對電網負荷曲線和負荷預測數據的分析，可以確定儲能系統所需的容量范圍。其次，需要考慮新能源發電系統的特點和波動性。新能源發電系統的輸出具有波動性和間斷性，因此儲能容量的配置應能夠有效平滑能源輸出的波動，并滿足電網對穩定供電的要求。通過分析新能源發電系統的輸出曲線和波動情況，可以確定儲能容量的適宜范圍。再次，需要考慮經濟性和成本效益。儲能系統的建設和運行成本是優化配置的重要考慮因素。儲能容量的增加會增加系統的投資成本，因此需要在經濟性和成本效益之間進行權衡。通過經濟評估和成本效益分析，可以確定最優的儲能容量配置方案。最后，還要考慮系統的可靠性和安全性。儲能系統在實際運行中應具備足夠的可靠性和安全性，以確保其正常運行，保護電網的穩定性。

3.2 儲能系統運行策略的優化

儲能系統運行策略的優化是新能源發電系統中儲能技術優化研究的關鍵內容之一。通過優化儲能系統的運行策略，可以最大限度地發揮儲能系統的性能，提高系統的效率和經濟性。

優化儲能系統的運行策略需要綜合考慮多個因素。首先是充放電策略的優化，根據電網負荷需求和能源輸入情況，確定最佳的充放電時間和電量分配策略，以實現供需平衡和最大化利用儲能容量。其次是能量管理策略的優化，包括能量調度和能量優化控制2 個方面。通過動態調整儲能系統的充放電行為，使其能夠靈活應對電網需求，同時通過優化算法和控制策略使儲能系統在充放電過程中達到最優效果，提高系統的運行效率和經濟性[4]。再次是儲能系統與電網協同運行策略的優化，儲能系統應與電網的運行要求相匹配，如在電網頻率控制方面提供快速調節功率響應。通過協同運行策略的優化，可以實現儲能系統與電網的互補，提高整個系統的效率和可靠性。最后是安全管理策略的優化，儲能系統應滿足安全和可靠性的要求，包括安全監測、故障診斷以及安全控制等方面。通過優化安全管理策略，可以提高儲能系統的安全性和可靠性，預防潛在的意外事故。

3.3 儲能技術與其他能源系統的協同優化

儲能技術與其他能源系統的協同優化是新能源發電系統中儲能技術優化研究的重要內容。通過協同優化儲能技術與其他能源系統的運行，可以提高系統的整體效率、可靠性以及經濟性。

首先，與風電、光伏等可再生能源系統的協同優化是關鍵。由于可再生能源的波動性和間歇性，其輸出功率會有較大的波動，導致電網的不穩定性。儲能技術可以通過調節充放電速率和容量，實現對可再生能源輸出功率的平滑處理，提供靈活的調峰填谷能力，從而提高系統的可靠性和供電質量。

其次，與傳統能源系統的協同優化具有重要意義。傳統能源系統包括火電、核電等基礎能源，其輸出功率相對穩定，但在調峰填谷和應對電網負荷波動方面存在一定的局限性。儲能技術的引入可以彌補傳統能源系統的不足，提供靈活的調節能力，優化系統的供需平衡，降低能源消耗和環境影響。

最后，與電網系統的協同優化也是重要的研究方向。儲能技術可以作為電網的有源電力調節手段，根據電網需求進行充放電操作，提供快速響應和靈活控制，平衡電網的功率和頻率[5]。通過與電網系統的協同優化，可以實現電力系統的穩定運行和負荷管理，提高電網的可靠性和安全性。

4 結 論

儲能技術在新能源發電系統中具有廣泛的應用前景。通過儲能技術的引入，可以平滑新能源發電系統的功率輸出，提高電網的穩定性和可靠性，實現調峰填谷和頻率調節等功能。此外，優化儲能容量配置可以提高系統的經濟性與能源利用效率。隨著儲能技術的不斷發展和成熟，更多的新能源發電系統將采用儲能技術進行優化配置和運行管理。同時，跨領域合作與綜合能源系統的研究將進一步推動儲能技術與其他能源系統的協同優化，實現能源的高效利用和可持續發展。