劉振宇

（國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

多元復(fù)合儲能技術(shù)具有高效性、經(jīng)濟(jì)性的鮮明特征，其中集成了電池儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)、超導(dǎo)磁儲能技術(shù)等多種新型技術(shù)手段，能夠顯著優(yōu)化系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，降低設(shè)備冗余度，提升系統(tǒng)的響應(yīng)反饋速度。新時(shí)期電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大、服務(wù)對象增多，接入的電力設(shè)備類型和規(guī)格也更加多樣，如何利用好不同來源、不同格式能源，如何發(fā)揮多元復(fù)合儲能技術(shù)的優(yōu)勢，緩解電力設(shè)備能源應(yīng)用壓力，成為諸多電網(wǎng)工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問題，有必要進(jìn)行深入探究。

1 基于多元復(fù)合儲能技術(shù)的電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

多元復(fù)合儲能技術(shù)即綜合使用多種儲能手段的集成技術(shù)類型，既包含物理儲能、化學(xué)儲能，也包含電磁儲能，引入電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)中，可以較好地緩解能源出力間歇性、波動(dòng)性問題，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效地運(yùn)行?，F(xiàn)階段，我國新能源研究不斷深入，適用的技術(shù)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(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲和輸出。（2）超磁導(dǎo)儲能。該種儲能裝置通常由超導(dǎo)線圈、低溫容器等結(jié)構(gòu)組成，整體的響應(yīng)速度極快，一般僅需1 ～5ms 即可給出反饋，儲能效率更是達(dá)到了90%以上。（3）超級電容器儲能。與常規(guī)電容器相比，該種儲能方式的容量可以達(dá)到20～100 倍，能量密度高且循環(huán)潛力大，經(jīng)過1 ～50 萬次循環(huán)后，容量和內(nèi)阻仍舊有較為驚人的表現(xiàn)，降幅一般不會(huì)超過10%～20%。（4）電池類儲能。包含鉛酸電池、鈉硫電池等，發(fā)展時(shí)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(shù)受限等局限性。不同儲能技術(shù)性能特征可見表1。

表1 適用于電力設(shè)備能源自動(dòng)集成的幾種儲能技術(shù)

本次選用飛輪儲能技術(shù)、超級電容器儲能技術(shù)、鉛酸電池儲能技術(shù)作為能源自動(dòng)集成系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)技術(shù)集，在前端設(shè)置能源采集模塊，經(jīng)過處理后由射頻傳輸技術(shù)傳送給儲能模塊，儲能模塊在特定算法支持下計(jì)算各單元的荷電狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)集成。所有能源存放在緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)電力設(shè)備需要電能時(shí)，統(tǒng)一釋放，以達(dá)到提升能源利用效率的目的。

2 基于多元復(fù)合儲能技術(shù)的電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)功能配置

2.1 設(shè)備能源采集板塊

在能源自動(dòng)集成系統(tǒng)中，電力設(shè)備需要根據(jù)實(shí)際情況反饋能源需求信息，采集并獲取相關(guān)能源，以確保設(shè)備的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)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(shè)計(jì)實(shí)踐中，為提升設(shè)備的運(yùn)行效率和精簡程度，采用了嵌入式處理器方式，在各電力設(shè)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(nèi)外設(shè)等部分，內(nèi)部設(shè)置了12 組獨(dú)立總線，可以完成指令緩沖、解譯、傳送等工作任務(wù)。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(yīng)不同地區(qū)的模塊使用需求。提前設(shè)置處理器工作邏輯，使用周期化采集方式與電力設(shè)備形成對接，保證自動(dòng)電能集成系統(tǒng)中能源儲量的充足性，為后續(xù)的釋放和分配做好鋪墊。

2.2 設(shè)備儲能板塊

設(shè)備儲能板塊是整個(gè)能源自動(dòng)集成系統(tǒng)的核心所在，需要合理配置儲能技術(shù)，協(xié)調(diào)好不同技術(shù)之間的關(guān)系，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)過程中，采用超級電容器技術(shù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，功率密度預(yù)計(jì)可以達(dá)到102～104W/kg，明顯高于現(xiàn)有的蓄電池功率密度水平。電容器內(nèi)部配備了導(dǎo)體聚合物材料，可以作為電容器陽極使用，當(dāng)電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部的正負(fù)離子會(huì)在電場影響下發(fā)生變化，形成電層并開始儲能，后期需要提取電能時(shí)，電層則會(huì)逐漸變薄并釋放能量，保障設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行，如此一來，既保證了原有電力系統(tǒng)架構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又避免了電力設(shè)備遭受不利影響的問題，超級電容器結(jié)構(gòu)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(fù)合儲能系統(tǒng)，并根據(jù)不同情況計(jì)算儲能單元荷電狀態(tài)，計(jì)算方法如下：

圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)簡圖

式中，ew代表電容內(nèi)剩余電量；dt代表集成過程中電容容量。

當(dāng)電容容量或電容內(nèi)剩余電量不明時(shí)，也可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

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

2.3 設(shè)備能源集成板塊

能源集成模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用廣泛聯(lián)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(shè)備，科學(xué)裝配集成器并完成單元之間的聯(lián)通?？紤]到電力設(shè)備系統(tǒng)中，大多存在多個(gè)儲能單元，集成和應(yīng)用環(huán)節(jié)很可能出現(xiàn)混淆、錯(cuò)用問題，因此，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置“一對一”“一對多”形式，明確不同單元的分類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)配置能源“看門狗”，以儲能技術(shù)為依托搭建能源緩沖區(qū)，將收集的能源集成到緩沖區(qū)之內(nèi)，后續(xù)需要使用能源時(shí)，統(tǒng)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(qū)分，還可以設(shè)計(jì)專門的分類算法，區(qū)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(qū)分度控制，可以更好地對集成后的能源進(jìn)行分類存儲，為后期電能的有效利用提供支持，避免出現(xiàn)電能浪費(fèi)等問題。

3 基于多元復(fù)合儲能技術(shù)的電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)測試情況

為驗(yàn)證多元復(fù)合儲能技術(shù)的應(yīng)用效果及電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)的應(yīng)用狀況，本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮易實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性問題，結(jié)合電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)的實(shí)際使用和運(yùn)行場景調(diào)整平臺細(xì)節(jié)。其中硬件環(huán)境部分配置了Intel i5 處理器，以及1TB 的HDD 硬盤，以及8G 內(nèi)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(wěn)定性會(huì)更有保障，采用集成內(nèi)存控制器，也能夠較好地規(guī)避原有內(nèi)存模式下存在的響應(yīng)延遲困境，保證測試過程的順利進(jìn)行。軟件環(huán)境中，主要采用了Windows10 操作系統(tǒng)，以及SQL 2016 數(shù)據(jù)庫，該種數(shù)據(jù)庫軟件支持分布式數(shù)據(jù)組織形式，可以與其他服務(wù)器軟件建立良好聯(lián)系，響應(yīng)速度較快，可以提供對外可擴(kuò)展標(biāo)記語言。環(huán)境準(zhǔn)備完成后，還需要對其他測試設(shè)備進(jìn)行檢查，設(shè)備類型主要包含電壓表、電流表、傳感器、LPC2132 芯片等。運(yùn)用該測試平臺開展電力設(shè)備能源自動(dòng)集成系統(tǒng)測試，以及其他對照組系統(tǒng)運(yùn)行情況的測試。

3.2 測試指標(biāo)

測試環(huán)節(jié)共設(shè)計(jì)了以下幾種指標(biāo)：（1）集成能源利用效果。考慮到電力設(shè)備能源應(yīng)用系統(tǒng)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(bǔ)償，保證供電品質(zhì)；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(bǔ)償時(shí)，要求儲能系統(tǒng)快速響應(yīng)；作為不間斷電源使用時(shí)，要求儲能容量滿足負(fù)荷需求。因此，能源自動(dòng)集成系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了差異化的利用效果評估指標(biāo)，比如，快速響應(yīng)指標(biāo)、負(fù)荷調(diào)節(jié)指標(biāo)等，以全面、客觀地評估系統(tǒng)運(yùn)行效果。（2）能源集成經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益是自動(dòng)能源集成系統(tǒng)運(yùn)行中極為關(guān)鍵的衡量指標(biāo)，主要研究多元儲能技術(shù)及集成系統(tǒng)應(yīng)用后，電力設(shè)備能夠節(jié)省多少用于電力補(bǔ)償、負(fù)荷調(diào)節(jié)、不間斷電源設(shè)置維護(hù)的資金。通過計(jì)算，將單位能源利用效益確定為2.5 元，則總效益計(jì)算方式如下：

式中，E為能源集成經(jīng)濟(jì)效益；Re為額定能源；Rs為集成后的再利用能源。將各組別計(jì)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(tǒng)運(yùn)行效果評估提供依據(jù)。

3.3 測試過程

測試過程中，另外選擇了兩種電力設(shè)備能源供應(yīng)方案作為對照組，對照組一使用單一儲能技術(shù)，對照組二不使用儲能技術(shù)，按照3.2 所述內(nèi)容計(jì)算集成經(jīng)濟(jì)效益，對比不同方案之間的效益水平。同時(shí)，選定燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、電站鍋爐等電力設(shè)備作為試驗(yàn)設(shè)備，觀測能源自動(dòng)集成系統(tǒng)作為電壓補(bǔ)償、不間斷電源供應(yīng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)中介時(shí)的響應(yīng)速度情況、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況。根據(jù)電力設(shè)備的日常運(yùn)行狀態(tài)，共選擇和確定了高壓運(yùn)行、低壓運(yùn)行兩種測試場景，每種場景下設(shè)置5 次重復(fù)試驗(yàn)，將所有測驗(yàn)結(jié)果記錄在表格中，為后續(xù)的分析討論提供依據(jù)。

3.4 測試結(jié)果

本次測試得到的經(jīng)濟(jì)效益對比情況可見表2。從表中可以看出，基于多元復(fù)合儲能技術(shù)的自動(dòng)電能集成系統(tǒng)運(yùn)行效益要明顯高于單一儲能模式及未使用儲能技術(shù)模式下的系統(tǒng)效益，節(jié)省電能及資金總額更為可觀，能夠?yàn)殡娏υO(shè)備的運(yùn)行提供良好支持。同時(shí)，進(jìn)行了電能利用效果評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于多元復(fù)合儲能技術(shù)的自動(dòng)電能集成系統(tǒng)無論在高壓還是低壓環(huán)境下，均可以較好地完成設(shè)定任務(wù)，5 次測試下的系統(tǒng)響應(yīng)平均耗時(shí)僅有27ms 左右，而單一儲能需要耗費(fèi)6 ～7s，可見其響應(yīng)速度之快。同時(shí)，該集成系統(tǒng)還可以用于不間斷電源供應(yīng)，以2.1kW 為實(shí)際輸出功率時(shí)，儲能容量可以達(dá)到262.5AH，延時(shí)時(shí)間可以達(dá)到12h 左右，相比之下，單一儲能系統(tǒng)儲能容量僅有175AH，延時(shí)時(shí)間也僅有8h。

表2 多元復(fù)合儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益測試情況

4 結(jié)語

綜上所述，多元復(fù)合儲能技術(shù)是提升電力設(shè)備供電能力、優(yōu)化電力設(shè)備運(yùn)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(dòng)性，使系統(tǒng)中的能源得到更充分的利用，實(shí)踐中務(wù)必要給予充分重視。要結(jié)合實(shí)際需求開發(fā)能源自動(dòng)集成訪問與利用平臺，開通信息采集、設(shè)備儲能、集成利用板塊，做好后期的測試評估工作，對應(yīng)調(diào)整技術(shù)細(xì)節(jié)，切實(shí)提升自動(dòng)集成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，為電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入活力。