郭子暄

（南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中也發(fā)揮了更大的作用。圍繞電網(wǎng)安全和風(fēng)電光伏等新能源消納開展具體工作，踐行靈活性保障機(jī)制，確保應(yīng)用效果滿足預(yù)期。

1 儲能技術(shù)

儲能技術(shù)借助相應(yīng)的手段將富余的能量利用特殊裝置予以存儲，而在能量不足的狀態(tài)下進(jìn)行釋放，更好地維持能量供需的平衡性。由于電能無法直接存儲，因此一般是將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、化學(xué)能或電磁能，通過建立完整的存儲模式，結(jié)合能量的轉(zhuǎn)化方式和應(yīng)用要求保證儲能的效果。目前較為常見的儲能技術(shù)主要包括物理儲能、化學(xué)儲能、相變儲能以及電磁儲能，其對比如表1所示。

表1 儲能技術(shù)對比

抽水儲能、飛輪儲能、壓縮氣體儲能均屬于物理儲能，化學(xué)電池屬于化學(xué)儲能，超導(dǎo)磁儲能和超級電容儲能屬于電磁儲能。除了化學(xué)電池儲能處理方式，其余均為無污染儲能控制，并且都具備功率較大、響應(yīng)速率較快、能量轉(zhuǎn)換率高的特點(diǎn)，要結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境和要求選取適配的儲能技術(shù)方案[1]。

2 儲能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)要貫穿整個系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電以及用電，為了提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要整合技術(shù)要求開展風(fēng)電光伏等新能源并網(wǎng)消納工作，最大程度上提高配電網(wǎng)和微網(wǎng)電力平衡水平，真正意義上降低電網(wǎng)增容對其運(yùn)行質(zhì)量和安全性產(chǎn)生的影響。

2.1 削峰填谷

電池儲能系統(tǒng)在實際應(yīng)用環(huán)境中能結(jié)合負(fù)荷的變化進(jìn)行相應(yīng)處理，不僅響應(yīng)速度較快，而且能打造較為精準(zhǔn)的控制模式，建立雙向調(diào)節(jié)體系。不管是針對發(fā)電側(cè)還是電網(wǎng)側(cè)，儲能技術(shù)在實際應(yīng)用中都能形成削峰填谷的處理模式，在改善傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行區(qū)間的同時，還能為電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用控制予以支持，并為風(fēng)電光伏等新能源并網(wǎng)消納提供較為可靠的處理依據(jù)。

2.2 輔助調(diào)頻

近年來，傳統(tǒng)的火電機(jī)組運(yùn)行過程并不能有效滿足功率跟蹤和調(diào)頻控制的要求，而應(yīng)用儲能系統(tǒng)能打造快速的響應(yīng)模式，配合高效應(yīng)用管理機(jī)制夯實能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，有效提高轉(zhuǎn)換效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)節(jié)性能應(yīng)用不當(dāng)造成的缺陷。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效率要優(yōu)于其他系統(tǒng)。

儲能系統(tǒng)在實際調(diào)頻應(yīng)用控制環(huán)境中能建立較為合理且高效的控制模式，并且在受控的條件下能建立完整且規(guī)范的功率上下調(diào)控模式，最大程度減少機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用造成的資源損耗，打造更加可靠、安全且完整的調(diào)頻控制體系。

在儲能系統(tǒng)支持的調(diào)控模式中，無論是上調(diào)還是下調(diào)都能圍繞功率交替展開，從而打造更加科學(xué)且規(guī)范的應(yīng)用模式，配合靈活的處理機(jī)制最大程度上提高調(diào)節(jié)效率。輸出功率能借助對負(fù)荷變化的精準(zhǔn)跟蹤予以調(diào)控，調(diào)控處理的精準(zhǔn)性較好，大大縮減了調(diào)控的時長，便于提高調(diào)節(jié)速率[2]。相較于傳統(tǒng)的調(diào)頻機(jī)組，在自動發(fā)電控制（Automatic Generation control，AGC）指令下達(dá)后，儲能系統(tǒng)可以建構(gòu)更加可控的應(yīng)用平臺，并減少調(diào)節(jié)延時、偏差以及反向等問題，從而最大程度上發(fā)揮雙向調(diào)節(jié)控制的優(yōu)勢作用，實現(xiàn)多元化調(diào)頻。

2.3 提高電能質(zhì)量

在風(fēng)電場并網(wǎng)過程中，較為常見的問題就是電壓降落或閃變現(xiàn)象，不僅會對電能傳輸?shù)馁|(zhì)量和安全性產(chǎn)生影響，還會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。而利用儲能系統(tǒng)能打造有效的控制模式，發(fā)揮其大容量應(yīng)用優(yōu)勢，對風(fēng)電場并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量降低問題予以控制，有效改善應(yīng)用難題。

如果應(yīng)用儲能系統(tǒng)中的飛輪儲能，配合平滑輸出功率波動性分析和處理就能實現(xiàn)更加可控的電能控制，避免并網(wǎng)容量不足對其應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，最大程度上改善電能質(zhì)量。配合使用超級電容器，借助模糊邏輯控制對風(fēng)電并網(wǎng)電能予以合理性調(diào)控處理，打造有效且規(guī)范的應(yīng)用平臺，維持整體調(diào)控效果。在進(jìn)行仿真分析后可知，儲能系統(tǒng)能最大程度上發(fā)揮其穩(wěn)定作用，并對剩余容量予以電壓協(xié)調(diào)補(bǔ)償，提高電能應(yīng)用的綜合水平。

多數(shù)電力系統(tǒng)發(fā)電量都是借助預(yù)測系統(tǒng)負(fù)荷與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組出力差值進(jìn)行評估，此時大規(guī)模風(fēng)電功率接入會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，若不能有效調(diào)控，則難免會對電能傳輸?shù)男Ч斐捎绊?。借助儲能系統(tǒng)改進(jìn)遺傳算法能對風(fēng)速進(jìn)行短期預(yù)測和評估，達(dá)到電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的目的，提升系統(tǒng)應(yīng)用安全性，實現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益

相較于傳統(tǒng)的應(yīng)用模式，儲能系統(tǒng)能更好地提升電力系統(tǒng)整體凈收益，借助“低充高效”的處理方式對峰谷電價差的電費(fèi)差額年收益予以優(yōu)化。由于相應(yīng)的電能應(yīng)用和轉(zhuǎn)換模式發(fā)生了改變，因此儲能系統(tǒng)的應(yīng)用能大大優(yōu)化調(diào)峰效果，創(chuàng)造較為可觀的調(diào)峰收益[3]。儲能系統(tǒng)配合火電、新能源等機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的優(yōu)化控制，從而形成年經(jīng)濟(jì)效益的有效優(yōu)化，進(jìn)一步打造更加可靠且安全的儲能管理模式，滿足大規(guī)模風(fēng)電接入對于經(jīng)濟(jì)效益的新要求。

除此之外，還能從延緩電網(wǎng)改造、緊急備用系統(tǒng)優(yōu)化等方面提高經(jīng)濟(jì)效益，減少系統(tǒng)停電產(chǎn)生的損失電量，有效建立更加科學(xué)的系統(tǒng)評估模式，避免用戶電量不足產(chǎn)生的問題，真正意義上實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和安全效益的和諧統(tǒng)一。

2.5 太陽能發(fā)電

隨著新能源的不斷發(fā)展和進(jìn)步，太陽能光伏發(fā)電和儲能聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)受到了更多的關(guān)注。建立相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配合結(jié)構(gòu)應(yīng)用要求和規(guī)范構(gòu)建完整的應(yīng)用運(yùn)行管理機(jī)制，從而提升儲能效果。光伏匯流母排通過DC/DC變流器直接接入電池儲能系統(tǒng)，電池再經(jīng)過逆變器完成電網(wǎng)的并入。光伏匯流母排分為兩個基本路徑，一路借助逆變器并網(wǎng)，另一路借助變流器接入儲能系統(tǒng)。只有借助儲能系統(tǒng)完成并網(wǎng)處理，才能最大程度上減少設(shè)備的損耗，并維持整體系統(tǒng)應(yīng)用效果，符合大容量、快速響應(yīng)的應(yīng)用要求，確保最大發(fā)電量狀態(tài)下依舊不會出現(xiàn)任何異常情況，為控制平衡提供保障。

3 分布式光伏+儲能系統(tǒng)模塊化集成

研究儲能技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用時采用實證分析，以分布式光伏+儲能系統(tǒng)模塊化集成作為實際案例。這種分布式光伏+儲能系統(tǒng)模塊化集成設(shè)計方案具備典型的擴(kuò)展性和靈活性，儲能系統(tǒng)的一次電氣設(shè)備包括變流器、電池、無功補(bǔ)償器、升壓配電箱以及電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等，二次控制系統(tǒng)涵蓋能量管理模塊、電池檢測模塊、儲能測控模塊。各個系統(tǒng)模塊之間需要進(jìn)行安全隔離設(shè)計，保證即插即用。

3.1 儲能電池單元設(shè)計

在進(jìn)行儲能電池單元設(shè)計時，需要基于最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性原則采用膠體電池和鉛炭電池結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)。采用2 V/500 Ah鉛炭電池（FCP-500）和2 V/500 Ah膠體電池（OPZV-500）進(jìn)行儲能電源設(shè)計，其中儲能電源中兩種電池各500個。整個儲能單元一共包括4條支路，為了保證儲能單元性能，需要進(jìn)行集裝箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和熱管理優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合兩個單體電池組的熱力學(xué)特性進(jìn)行熱量統(tǒng)計和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證最終結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳散熱。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要進(jìn)行溫度場仿真計算和流場仿真計算，以保證最終的散熱結(jié)構(gòu)最佳。為保障儲能單元的安全性，需要引入一體化監(jiān)控模塊，對儲能系統(tǒng)的安全情況和周圍環(huán)境因素進(jìn)行實時監(jiān)控。

3.2 儲能雙向變流器單元設(shè)計

儲能雙向變流器具備典型的雙向逆變特性，能夠?qū)崿F(xiàn)容量為100 kW的并網(wǎng)充放電功能，同時實現(xiàn)1 kW/ms的功率變化率可調(diào)度。本文設(shè)計的儲能雙向變流器轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到97%左右，同時交流輸出電流總諧波畸變率≤3%。

3.3 儲能電池監(jiān)測單元設(shè)計

為了保障儲能系統(tǒng)的安全性，設(shè)計儲能電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

通過該設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)δ茈姵貭顟B(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）的精確預(yù)測。底層電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）還能實現(xiàn)對電池內(nèi)阻、電壓、溫度等相關(guān)信號的監(jiān)控，完成電芯相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控，并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)故障識別功能。上層集中管理單元（Centralized Management Unit，CMU）主要應(yīng)用于BMU電池信息的采集和上傳，總結(jié)歸納相關(guān)信息后得到組電池信息，然后通過深度分析計算實現(xiàn)熱管理控制、電池狀態(tài)估算以及荷電狀態(tài)估算等。

本文提出的儲能電池監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)24 h的實時精準(zhǔn)監(jiān)測，從而保障整個光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的有效監(jiān)測。此外，該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)中每節(jié)電池剩余電量的實時監(jiān)測，從而了解電池的實時運(yùn)行狀態(tài)，保證單節(jié)電池和整個儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。儲能電池監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)故障并給出預(yù)警后，需要根據(jù)預(yù)警提示信息進(jìn)行系統(tǒng)處理，以排除故障。在實際設(shè)計中需要執(zhí)行相關(guān)配套軟件的設(shè)置，控制好軟件的功能，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)電池運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的全面調(diào)用和全面檢索、電池實時監(jiān)控以及故障信息警告等功能。本系統(tǒng)信息采集模塊具有小體積化特征，安裝簡便，信息采集方便，配置靈活，安全運(yùn)維成本較低[4,5]。

3.4 儲能系統(tǒng)測控設(shè)計及其功能實現(xiàn)

加強(qiáng)測控中心的設(shè)計，通過測控中心實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)的控制和監(jiān)測，同時利用測控中心還能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)和儲能系統(tǒng)總體功率、電壓的調(diào)節(jié)與控制。設(shè)計的測控系統(tǒng)還需具備當(dāng)?shù)胤謺r電價的綜合分析功能，對接電網(wǎng)結(jié)合電價政策進(jìn)行充放電控制，保證其能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的總體經(jīng)濟(jì)性。此外，該測控系統(tǒng)還能對光伏及儲能系統(tǒng)的總體設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)采集與分析顯示，為光儲一體化系統(tǒng)的科學(xué)運(yùn)行提供全面、智能化的控制保證。

4 結(jié) 論

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展為大規(guī)模新能源接入提供了更加安全可控的平臺，能夠有效優(yōu)化電能傳輸質(zhì)量，建立完整且規(guī)范的控制模式，配合儲能應(yīng)用要求實現(xiàn)削峰填谷、功率跟蹤以及調(diào)頻控制等功能，為系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益和安全效益的提升提供保障，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)健康發(fā)展。