分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷中的應(yīng)用研究

【關(guān)鍵詞】分布式儲(chǔ)能技術(shù)；配電網(wǎng)；削峰填谷；應(yīng)用研究

引言

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)具有靈活部署、快速響應(yīng)、雙向調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，在負(fù)荷高峰時(shí)釋放電能，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的時(shí)空轉(zhuǎn)移，可以有效平衡電力供需，提高配電網(wǎng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性[1]。因此，研究分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷方面的作用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

一、分布式儲(chǔ)能技術(shù)與配電網(wǎng)削峰填谷概述

（一）分布式儲(chǔ)能技術(shù)內(nèi)涵

分布式儲(chǔ)能技術(shù)指的是在用戶側(cè)或者靠近配電網(wǎng)的位置安裝的小規(guī)模儲(chǔ)能裝置，這些裝置既可以單獨(dú)工作，也可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)與配電網(wǎng)展開互動(dòng)。比較常見的分布式儲(chǔ)能手段包含電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能等等。其中，電池儲(chǔ)能現(xiàn)在應(yīng)用最廣，鋰電池的能量密度比較高，壽命也比較長，慢慢變成分布式儲(chǔ)能方面的主流品種；鉛酸電池因?yàn)槌杀据^低、技術(shù)成熟等原因，在一些比較看重成本的地方還有一定的使用范圍。超級(jí)電容儲(chǔ)能具備功率密度大、充放電速度較快、循環(huán)使用壽命較長等特性，適合用于短時(shí)間內(nèi)高功率輸出的場合，例如電動(dòng)汽車的迅速啟動(dòng)和制動(dòng)能量回收等場景。飛輪儲(chǔ)能依靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪將電能變成機(jī)械能儲(chǔ)存起來，但能量密度比較低，現(xiàn)在主要用于不間斷電源等領(lǐng)域。

（二）配電網(wǎng)削峰填谷的重要性

配電網(wǎng)削峰填谷的根本目的在于通過調(diào)節(jié)電力的供需關(guān)系，使電網(wǎng)的負(fù)荷曲線變得較為平緩，削減峰谷差異，其達(dá)成有著諸多重要的意義。從電網(wǎng)運(yùn)行角度而言，削峰填谷能夠減輕電網(wǎng)設(shè)備的負(fù)荷壓力，延長設(shè)備的使用壽命，縮減設(shè)備的維修費(fèi)用和降低故障發(fā)生率[2]。而且，均衡的負(fù)荷有益于提升電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定度與頻率穩(wěn)定度，縮減電壓起伏和頻率誤差給用戶設(shè)備帶來的影響，保證電力供應(yīng)的品質(zhì)和可靠程度。從能源利用角度來說，削峰填谷能提升電力資源的利用效率，防止在用電高峰時(shí)發(fā)電設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成能源浪費(fèi)，也能避免在用電低谷時(shí)發(fā)電設(shè)備出力不夠引發(fā)能源閑置。削峰填谷有益于推動(dòng)可再生能源的利用，減輕可再生能源間歇性、波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來的壓力，促使能源結(jié)構(gòu)朝著可優(yōu)化、可持續(xù)方向發(fā)展。

（三）配電網(wǎng)削峰填谷的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

盡管削峰填谷對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)營發(fā)展意義重大，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中依舊遭遇很多難題。一方面，傳統(tǒng)削峰填谷手段本身有局限性，發(fā)電側(cè)調(diào)度調(diào)節(jié)要受到發(fā)電機(jī)組自身特性制約，無法實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)負(fù)荷。例如，大型火電機(jī)組開停機(jī)需花較多時(shí)間，調(diào)節(jié)速度較慢，無法立刻回應(yīng)負(fù)荷突然轉(zhuǎn)變；而水電機(jī)組，調(diào)節(jié)速度雖快，但是它的調(diào)節(jié)能力受到水汽情況季節(jié)變化影響。另一方面，需求側(cè)管理的推進(jìn)也遇到很多困難，由于用戶對(duì)待分時(shí)電價(jià)的反應(yīng)并不靈敏，用電習(xí)慣比較頑固，缺少有效的激勵(lì)機(jī)制等因素，所以需求側(cè)管理的結(jié)果常不盡人意。隨著可再生能源在配電網(wǎng)中大規(guī)模接入，其間歇性和波動(dòng)性給削峰填谷帶來新的挑戰(zhàn)。可再生能源的發(fā)電功率受自然條件影響較大，如太陽能發(fā)電晚上無法發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速變化影響不穩(wěn)定等，這就導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測更加困難。

二、分布式儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)削峰填谷的原理與優(yōu)勢

（一）應(yīng)用原理

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)削峰填谷的應(yīng)用原理主要是依靠電能的儲(chǔ)存和釋放，如圖1所示。

在負(fù)荷低谷時(shí)段，當(dāng)電網(wǎng)的發(fā)電功率大于用電功率時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)利用充電過程把多余的電能儲(chǔ)存起來，此時(shí)儲(chǔ)能裝置充當(dāng)用電負(fù)載的角色，從電網(wǎng)吸取電能，并將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或者機(jī)械能等形式加以儲(chǔ)存。在負(fù)荷高峰時(shí)段，當(dāng)電網(wǎng)的發(fā)電功率不能滿足用電功率需求的時(shí)候，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)采用放電過程把儲(chǔ)存的電能釋放到電網(wǎng)當(dāng)中，此時(shí)儲(chǔ)能裝置就成了一個(gè)電源，給電網(wǎng)供應(yīng)電能，以此來填補(bǔ)電網(wǎng)的供電缺口。經(jīng)過這樣的充放電過程的反復(fù)循環(huán)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)便完成了負(fù)荷的時(shí)空轉(zhuǎn)移，將高峰時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到了低谷時(shí)段，從而達(dá)到了削峰填谷的目的[3]。

（二）優(yōu)勢分析

1.靈活的充放電特性

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)具備較高的靈活性，其充放電功率及方向可根據(jù)配電網(wǎng)當(dāng)前的負(fù)荷情況靈活調(diào)整。與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備不同的是，儲(chǔ)能系統(tǒng)不用考慮機(jī)組的啟停時(shí)間以及調(diào)節(jié)速度上的限制，能夠較快地從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為放電狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)不同的削峰填谷需求。當(dāng)負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速放電，給電網(wǎng)補(bǔ)充電力；當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)又可以及時(shí)充電，把多余的電能儲(chǔ)存起來。

2.快速響應(yīng)能力

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的變化可以實(shí)現(xiàn)快速的反應(yīng)，在電網(wǎng)負(fù)荷處于變化的情況下可以在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)完成充電和放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用能夠更好地應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的突發(fā)故障以及電網(wǎng)負(fù)荷的突然變化，進(jìn)而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。比如當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以對(duì)電網(wǎng)提供短路電流，防止電網(wǎng)由于電壓的不穩(wěn)定而導(dǎo)致電壓崩潰的情況；當(dāng)可再生能源的發(fā)電功率突然下降時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)電網(wǎng)提供能量的補(bǔ)充，使得電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電量能夠滿足電網(wǎng)的需求[4]。

3.就近布置減少損耗

分布式儲(chǔ)能裝置大多設(shè)置在用戶側(cè)或者配電網(wǎng)附近，與傳統(tǒng)的集中式儲(chǔ)能相比，削減了電能在傳輸過程中的損耗。電能在長距離傳輸時(shí)會(huì)被電阻、電感等要素影響，引發(fā)一定數(shù)量的能量損失；但是分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)就地設(shè)置，可以直接給用戶或者局部電網(wǎng)提供電能支撐，提升了能源利用效能。而且，就地設(shè)置減小了配電網(wǎng)對(duì)主電網(wǎng)的依賴，加強(qiáng)了配電網(wǎng)自身的運(yùn)作能力，提升了配電網(wǎng)的可靠程度和抗災(zāi)能力。

4.支持可再生能源消納

隨著可再生能源在配電網(wǎng)中的比重越來越高，其波動(dòng)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)造成了很大的困擾。而分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配合使用，存儲(chǔ)可再生能源產(chǎn)生的多余電能，在可再生能源發(fā)電量不足時(shí)放出儲(chǔ)存的電能，從而提高了可再生能源的消納水平。如在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)白天有光照時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將多余的電能進(jìn)行存儲(chǔ)；而在晚上或者陰雨天時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將存儲(chǔ)的電能放出來，供給負(fù)載用電，達(dá)到平滑輸出的作用。

三、影響分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷中應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素

（一）儲(chǔ)能設(shè)備選型

不同類型的儲(chǔ)能設(shè)備有著各自的性能特點(diǎn)，它們適用的場景也不盡相同。在選型時(shí)，要全面考量配電網(wǎng)的實(shí)際需求、成本因素、環(huán)境狀況等諸多要素。鋰離子電池具備能量密度高、充放電效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，比較適合用于那些對(duì)能量密度和充放電效率有較高要求的場合[5]，比如商業(yè)建筑、工業(yè)園區(qū)等削峰填谷的應(yīng)用當(dāng)中；而鉛酸電池的成本較低，技術(shù)成熟，但能量密度和循環(huán)壽命較差，因此比較適合用在對(duì)成本比較敏感的場景中。

（二）容量配置

合理的容量配置是分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷的基礎(chǔ)：容量過小無法容納足夠的電能，無法支撐在用電高峰時(shí)段的足夠電力，達(dá)不到削峰填谷的要求；容量過大，則造成浪費(fèi)和提高成本，而且占用空間過大。容量需要結(jié)合配電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)、峰谷差、可再生能源接納情況等因素來考慮，在對(duì)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測的基礎(chǔ)上，依據(jù)可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法，得到滿足削峰填谷所需的最適容量。

（三）控制策略

控制策略直接決定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率以及削峰填谷的成效，常見的控制策略有時(shí)間序列控制策略、依據(jù)負(fù)荷預(yù)測的控制策略、依照經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的控制策略等等。基于時(shí)間序列的控制策略按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間表去控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程，這種方法十分簡單易于執(zhí)行，但是它無法按實(shí)際情況中的負(fù)荷變動(dòng)實(shí)施靈活調(diào)節(jié)，削峰填谷的效果較為有限；依靠負(fù)荷預(yù)測的控制策略通過對(duì)過往負(fù)荷數(shù)值、氣象信息等諸多因素展開分析并預(yù)估未來的情況，進(jìn)而預(yù)先規(guī)劃好儲(chǔ)能系統(tǒng)什么時(shí)候應(yīng)當(dāng)充電或放電，這樣可以很好地適應(yīng)負(fù)荷實(shí)際發(fā)生的改變情況，提高削峰填谷的精準(zhǔn)性；而基于經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的控制策略，則是在考慮電價(jià)、儲(chǔ)能系統(tǒng)成本等因素的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同場景和需求選擇適合的控制策略，或結(jié)合多種控制策略來實(shí)現(xiàn)最好的削峰填谷效果。

（四）通信與協(xié)調(diào)控制

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)一般是由多個(gè)分散的儲(chǔ)能裝置組成，因此需要建立一個(gè)高效的通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)儲(chǔ)能裝置的信息交流與協(xié)調(diào)控制。通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)獲取配電網(wǎng)當(dāng)前的負(fù)荷信息、儲(chǔ)能裝置當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息等，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持[6]。協(xié)調(diào)控制是為了避免各個(gè)儲(chǔ)能裝置之間產(chǎn)生沖突和競爭，從而達(dá)到系統(tǒng)整體效益最大的目的：在多個(gè)儲(chǔ)能裝置同時(shí)充電或放電時(shí)，通過協(xié)調(diào)控制來合理分配各個(gè)儲(chǔ)能裝置的充放電功率，防止給電網(wǎng)帶來沖擊。

四、促進(jìn)分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷中有效應(yīng)用的策略與建議

（一）政策支持與激勵(lì)機(jī)制

政府要出臺(tái)相關(guān)政策措施，促使分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中得到應(yīng)用。一方面，給予儲(chǔ)能項(xiàng)目投資補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等政策扶持，削減項(xiàng)目的投資費(fèi)用，加強(qiáng)企業(yè)投資的積極性。例如，針對(duì)新建的分布式儲(chǔ)能項(xiàng)目給予一定的投資補(bǔ)貼，對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備的購置給予稅收減免等。另一方面，形成合理的電價(jià)機(jī)制，給參加削峰填谷的儲(chǔ)能用戶給予經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，利用峰谷電價(jià)差、容量電價(jià)等政策，引領(lǐng)用戶在負(fù)荷低谷時(shí)充電，在負(fù)荷高峰時(shí)放電，提升用戶參加削峰填谷的積極主動(dòng)性。政府還可以制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目的監(jiān)督，保證儲(chǔ)能項(xiàng)目的質(zhì)量和安全。

（二）技術(shù)創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)制定

加大分布式儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)投入，能夠推動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備的性能提升、成本下降。因此，要研發(fā)新的儲(chǔ)能材料和技術(shù)，提升儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度和充放電效率；同時(shí)，可以研究固態(tài)電池、鈉離子電池等新型電池技術(shù)，尋找超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)的新用途；也要加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的智能化控制技術(shù)研究，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性。此外，可以利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷和優(yōu)化控制，制定統(tǒng)一的分布式儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證儲(chǔ)能設(shè)備的質(zhì)量和安全。

（三）市場機(jī)制建設(shè)

建立完整的分布式儲(chǔ)能參與電力市場的交易機(jī)制，可以讓儲(chǔ)能用戶參與到電力市場的調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)市場中去，從而獲取經(jīng)濟(jì)利益。通過市場的力量來促使儲(chǔ)能資源的合理分布，達(dá)成良好的應(yīng)用狀態(tài)，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。比如，建立起儲(chǔ)能用戶、發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的電力交易平臺(tái)，可以開展電能的雙向交易：儲(chǔ)能用戶按照市場電價(jià)變動(dòng)的情況，自行調(diào)配自身的充放電策略，在電價(jià)處于低位時(shí)多充電，在電價(jià)較高時(shí)放電，從而得到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益。而且通過市場競爭，可以加強(qiáng)儲(chǔ)能企業(yè)的競爭態(tài)勢，激發(fā)其創(chuàng)新能力，推動(dòng)服務(wù)質(zhì)量更上一層樓。

（四）人才培養(yǎng)與交流合作

加大對(duì)分布式儲(chǔ)能方面人才的培養(yǎng)力度，提升從業(yè)人員的技術(shù)水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)。高校與科研機(jī)構(gòu)要設(shè)立相關(guān)專業(yè)和課程，打造一支既懂電力又懂儲(chǔ)能技術(shù)的復(fù)合型人才團(tuán)隊(duì)，開設(shè)課程包含電力系統(tǒng)分析、儲(chǔ)能技術(shù)原理、控制理論等內(nèi)容；企業(yè)也要加強(qiáng)對(duì)員工的培訓(xùn)力度，定期舉辦技術(shù)交流和培訓(xùn)活動(dòng)，讓員工隨時(shí)知曉行業(yè)的最新技術(shù)和動(dòng)向；還要強(qiáng)化企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)之間的相互合作，推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研用”相互結(jié)合。

結(jié)語

分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷中有很大的應(yīng)用優(yōu)勢和應(yīng)用空間。展望未來，隨著技術(shù)和政策不斷完善，分布式儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)削峰填谷的作用會(huì)越來越重大。在此進(jìn)程中，分布式儲(chǔ)能技術(shù)能對(duì)形成安全、高效、干凈的現(xiàn)代電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)自己的力量，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

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