王涵，姚興

（河南師范大學國際教育學院，河南新鄉(xiāng)，453007）

儲能技術以其自身所具備的諸多優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。但從實際情況來看，單獨的儲能技術或多或少存在一定的缺陷，影響了實際的應用效果。為使儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢得以最大限度地發(fā)揮，需要通過有效的方法，彌補這些技術缺陷。比較簡單的方法是復合儲能技術，通過一些技術措施，將不同的儲能技術有機結合到一起，以此來提升該技術在電力系統(tǒng)中的應用效果。

1 儲能技術的主要類型

從本質的角度上講，儲能技術即存儲電能，這是一項比較先進且實用的技術，它的提出及其在電力系統(tǒng)中的應用，使一些傳統(tǒng)的問題得到有效解決。該技術的主要類型如下：

■1.1 機械儲能

這是比較成熟的儲能技術，較具代表性的有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。

1.1.1 抽水蓄能

該儲能方式在電能儲存中的應用較為廣泛，其最為突出的特點是存儲容量大。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國抽水蓄能裝機容量居于世界首位，截止到2020年末，投運的抽水蓄能機組總容量已經(jīng)超過4000萬kW。抽水蓄能機組的運行效率大約在75%左右，使用年限約為50a，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等環(huán)節(jié)。唯一的不足是機組建設周期過長且前期投資較大。

1.1.2 壓縮空氣儲能

該儲能方式主要是借助分子內(nèi)力進行發(fā)電。當電力負荷處于低谷期時，通過空氣壓縮，可將電能存儲到相應的容器當中。待到用電高峰期時，可對壓縮的空氣進行釋放，借此來對渦輪機進行驅動，從而達到發(fā)電的目的。這種儲能方式的特點體現(xiàn)在如下幾個方面：能量的轉換效率非常高、且存儲容量較大、運行時間長。該技術在發(fā)達國家應用的較為廣泛，典型的項目如表1所示。

表1 國外壓縮空氣儲能典型項目

■1.2 電磁儲能

電磁儲能是一種較為先進的儲能形式，大體上可細分為以下兩類：一類是超導磁，另外一類是超級電容器[1]。

1.2.1 超導磁儲能

這種儲能形式又被稱之為SMES，它是利用超導線圈對電磁能進行儲存，具有響應速度快、儲能密度大等特點[2]。由于超導磁儲能裝置的造價相對較高，并且運行時會產(chǎn)生強磁場，從而制約了該儲能方式的推廣應用。

1.2.2 超級電容器

該儲能形式的理論基礎為電化學，利用電解質完成充電/放電，其特點是使用年限長、功率密度高、響應速度快等。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，這種儲能形式的能量密度比較低，耐壓水平也不是很高，從而限制了其應用。

■1.3 電化學儲能

這是一種利用電池完成電能存儲與釋放的過程，電池儲能系統(tǒng)是該技術的主要儲能形式，如鋰離子、鉛酸以及液流電池等[3]。其中鋰離子電池的循環(huán)壽命比較長，且能量密度相對較高，但具體應用時發(fā)現(xiàn)，其安全性和穩(wěn)定性偏低；鉛酸電池的循環(huán)壽命較短，并且使用過程中會對環(huán)境造成污染；全釩液流電池的輸出功率高，且響應速度非常快，結構簡單、設計靈活，可實現(xiàn)模塊化組合拼裝，典型項目如表2所示。

表2 液流電池儲能典型項目

2 儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用

■2.1 儲能技術的作用

在相當長的一段時間里，我國的電力系統(tǒng)以火電為主，通過燃煤進行發(fā)電會對環(huán)境造成一定的污染，風電的出現(xiàn)使這一問題得到有效解決。風電以風能作為動力源，風是一種自然現(xiàn)象，具有隨機、波動等特性，由此對風力發(fā)電的穩(wěn)定性造成不利影響。通過儲能技術，可以使風電出力變得更加穩(wěn)定。

近年來，在全球性能源危機的背景下，利用可再生能源進行發(fā)電已經(jīng)成為必然趨勢。正因如此，使得風電和光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中的占比不斷增大。然而可再生能源發(fā)電雖然能夠緩解能源緊缺的現(xiàn)狀，減輕環(huán)境污染，但這種發(fā)電方式卻具有穩(wěn)定性低、無法保證連續(xù)性等缺陷。以目前應用較為廣泛的風電為例，風是這種發(fā)電方式的基礎，而風速的變化具有不確定性，波動變化非常大，由此使得風電機組的輸出呈現(xiàn)為波動性和間歇性的特點。從國內(nèi)目前的總體情況來看，越來越多的風電接入到電力系統(tǒng)當中，其對電網(wǎng)運行的影響逐步顯現(xiàn)，想要最大限度地發(fā)揮出風電的作用，并減輕其對整個電力系統(tǒng)的影響，就需要對儲能技術進行合理應用。

■2.2 多元復合儲能模式

在電力系統(tǒng)中對儲能技術進行應用的過程中，除要考慮所選儲能系統(tǒng)的技術性能之外，還應當將經(jīng)濟性作為考慮因素。不同的儲能裝置技術參數(shù)有所差別，具體包括以下幾個方面：循環(huán)壽命、能量、周期效率等等。然而，現(xiàn)階段并沒有任何一種儲能裝置可以完全達到上述要求，解決這一問題最為有效的途徑是多元復合儲能。所謂的多元復合儲能實質上就是將機械儲能、電磁儲能、電化學儲能等不同類型的儲能技術或裝置，通過合理的方法組合到一起，形成一個全新的儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多種儲能技術的性能，并且能夠實現(xiàn)技術方面的優(yōu)勢互補。根據(jù)上文中對儲能技術類型的分析，提出SMES與蓄電池復合的儲能系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對風電場的功率波動進行平抑，確保風電處理的平穩(wěn)性與可控性。

■2.3 復合儲能系統(tǒng)的應用要點

本文提出一種全新的復合儲能系統(tǒng)，它由兩個不同的儲能技術組合而成，一個是SMES技術，另一個是蓄電池技術。復合儲能系統(tǒng)在風電并網(wǎng)中的應用模式如圖1所示。

圖1 風電并網(wǎng)系統(tǒng)中的具體應用模式示意圖

超導磁的輸出與蓄電池的輸出相同，全部都是直流，為確保輸出能夠順利接入到電力系統(tǒng)當中，需要對直流進行轉換，使其變?yōu)榻涣?，這個過程可以通過變流器來實現(xiàn)。變流器會按照控制器實時傳輸?shù)闹噶?，對兩個儲能單元的充電與放電過程進行精準控制，通過變流器與復合儲能系統(tǒng)的協(xié)同運作，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流的動態(tài)調(diào)節(jié)[4]。圖1中各個部分的功率存在一定的數(shù)學關系，可用下式進行描述：

在上式當中，Pwind表示風電場的實際出力；sb P與P分別表示復合儲能系統(tǒng)中兩個儲能單元的有功功率；Pgrid表示風電場與復合儲能系統(tǒng)疊加在一起后的總輸出功率的負值。本次提出的復合儲能系統(tǒng)的電路拓撲結構如圖2所示。

圖2 復合儲能系統(tǒng)電路拓撲結構示意圖

從圖2中可以清楚的看到，復合儲能系統(tǒng)采用的是雙向變流器，該變流器為電壓源型，其在反饋無功能量的過程中，斬波器會同時輸出電壓和電流反向。故此，需要在開關位置處以反并聯(lián)的方式加裝二極管，從而使能量經(jīng)由二極管后反饋給電源。用L表示系統(tǒng)側濾波器和線路的電感等效，用R表示內(nèi)阻與器件的開關損耗。C2是直流母線側的電容，它的主要作用是提供穩(wěn)定的直流電壓，保證雙向變流器的正常運行。超導磁本身具有電流源的特性，在這一前提條件下，需要通過并聯(lián)的方式加裝斬波器，對超導磁體兩端的電壓進行調(diào)節(jié)。因為蓄電池的電壓源基本均為等效，所以只需要通過變流器對其工作電源進行調(diào)節(jié)即可。儲能單元的能量變換由斬波器與變流器配合實現(xiàn)，在此基礎上，可通過直流電流的形式，對能量進行存儲[5]。之所以采用上述結構，與其所具備的優(yōu)勢密切相關，具體如下：復合儲能系統(tǒng)中的儲能單元能夠擁有屬于自己的獨立變流器，這樣便可按照上層傳輸過來的指令實現(xiàn)精確控制。

為便于研究，假設復合儲能系統(tǒng)中兩種不同儲能裝置同時處于充電和放電模式，且二者之間并無功率流動。在此前提下，變流器的工作狀態(tài)共有4種。需要闡明的一點是，設計控制器時，以復合儲能系統(tǒng)的功率和能量控制作為重點，變換器為理想器件，即不計算其運行時的損耗。

為確保復合后的儲能系統(tǒng)能夠保持運行穩(wěn)定、可靠的運行狀態(tài)，需要對其進行有效控制?；诖颂岢鲆粋€兩層的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對復合儲能的有效控制。該控制系統(tǒng)除了能夠確定復合儲能的功率需求之外，還能控制變流器的開關，在這一前提下，使儲能裝置完成充、放電。復合儲能中，控制系統(tǒng)的控制重點是變流器，通過對變流器的控制，來達到調(diào)節(jié)電流和電容電壓的目的[6]。對此，可以采用前饋解耦的方法進行控制，將電流調(diào)節(jié)作為內(nèi)環(huán)，電容電壓調(diào)節(jié)作為外環(huán)，這樣能夠使控制過程變得更加簡單，具體可通過PI控制予以實現(xiàn)。

3 結論

綜上所述，為提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，解決風電并網(wǎng)對系統(tǒng)造成的不利影響，可對先進的儲能技術進行合理應用。在具體應用時，為最大限度地發(fā)揮出儲能技術的作用，達到預期中的應用效果，可將兩種以上的儲能技術聯(lián)合到一起，組成復合儲能系統(tǒng)。本文的研究結果表明，經(jīng)復合后的儲能系統(tǒng)可以彌補單一系統(tǒng)的缺陷和不足。