關(guān)新，吳世瑋，解雨琪，李明洋

（沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

1 新能源發(fā)電發(fā)展概況

隨著“雙碳”計劃的持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，我國風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源清潔發(fā)電技術(shù)迎來了寬廣的發(fā)展空間。據(jù)目前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，至 2022 年 12 月底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá) 3.654 4 × 108kW，同比增長率為 11.2 %（參見圖1）。其中，新增裝機(jī)容量為 3.763 × 107kW，同比減少 21 %（參見圖2）。2021 年，我國風(fēng)力發(fā)電量已達(dá) 6.526 × 1011kWh，同比增長率為 40.5 %。2022 年 1 月～2022 年 11 月，風(fēng)力發(fā)電量累計為 6.144 8 × 1011kWh，累計增速為 12.2 %（參見圖3、圖4）。

圖1 2017～2022 年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計圖

圖2 2017～2022 年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量統(tǒng)計圖

圖3 2017～2022 年中國風(fēng)力發(fā)電量占比統(tǒng)計圖

圖4 2017～2022 年中國風(fēng)力發(fā)電量統(tǒng)計圖

風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分，在我國電力系統(tǒng)發(fā)電總量中占據(jù)著重要地位。2021 年中國風(fēng)力發(fā)電量占全國發(fā)電總量的 8.04 %，2022 年 1 月至 11 月風(fēng)電發(fā)電量約占總發(fā)電量的8.00 %。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)使用率穩(wěn)定地保持在較高水平。2021 年 12 月，全國風(fēng)電利用率達(dá) 97.6 %。北京、天津、黑龍江、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西等 18 個省、市的風(fēng)電利用率達(dá)到 100 %。2022 年，風(fēng)電利用率達(dá) 96.8 %。在北京、天津、上海、江蘇、浙江、安徽、廣西、海南等 13 個省、市風(fēng)電利用率達(dá) 100 %（參見圖5）。隨著半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步發(fā)展，光伏發(fā)電總量也在逐年穩(wěn)步提升。2022 年新增光伏并網(wǎng)總?cè)萘繛?8.740 8 ×1011kW，其中集中式光伏電站容量為 3.629 4 ×1011kW，分布式光伏總量為 5.111 4 × 1011kW。截止 2022 年底累計光伏并網(wǎng)總?cè)萘繛?3.920 4 ×1012kW，其中集中式光伏電站容量為 2.344 2 ×1012kW，分布式光伏總量為 1.576 2× 1012kW。目前，在能源消費(fèi)總量中非化石能源的占比已經(jīng)提高到了 17.3 % 左右，其中光伏發(fā)電量占比達(dá)到 4.2 %左右。由目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，隨著國家進(jìn)一步加大對風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)的投入和布局，新能源發(fā)電量的占比一定會進(jìn)一步增加，并逐步替代傳統(tǒng)火力發(fā)電在民生、生產(chǎn)發(fā)展中的重任，因此構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢在必行。

圖5 風(fēng)/光發(fā)電消費(fèi)比重圖

2 新能源發(fā)展趨勢

為了應(yīng)對全球氣候變化加劇和資源消耗持續(xù)增加等問題，新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)變成了世界各國的普遍共識。在過去的一段時間里，新能源技術(shù)有了巨大的發(fā)展。尤其是在歐美等發(fā)達(dá)國家，新能源已經(jīng)成為了主要的能源來源，在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益增加。

現(xiàn)今，我國也加大了對新能源的重視力度，開始將新能源發(fā)電引入到電網(wǎng)中，不斷大力發(fā)展新能源技術(shù)，著力于構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)，用于緩解當(dāng)前的用電緊張形勢[1]。國家先后出臺了一系列政策，如《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》、《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，鼓勵企業(yè)向清潔能源轉(zhuǎn)型，向產(chǎn)業(yè)升級邁進(jìn)。由于目前傳統(tǒng)化石能源的供給側(cè)還無法滿足國內(nèi)日漸增加的能源需求，而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，因此大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對于我國推動實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

目前具備風(fēng)能等天然地理資源的各地政府都在積極規(guī)劃布局清潔能源建設(shè)，積極推進(jìn)風(fēng)電等新能源的開發(fā)利用，助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展。截至 2022 年，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量突破 1.2 × 108kW，連續(xù) 3 a突破 1× 108kW。風(fēng)電、光伏發(fā)電量首次突破 1 ×1012kWh，達(dá)到 1.19 × 1012kWh，同比增長 21 %。

發(fā)展新能源是未來的重要方向，不僅具有廣闊的市場應(yīng)用前景，也有利于我國能源企業(yè)完成產(chǎn)業(yè)升級和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化改革。

3 儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電領(lǐng)域中的作用

儲能技術(shù)就是通過人為方式，實現(xiàn)能源的釋放和存儲。儲能技術(shù)解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動性，從而有效地降低了分布式電源對電網(wǎng)的沖擊。伴隨著儲能設(shè)備建設(shè)成本不斷下降，新能源產(chǎn)業(yè)在電力系統(tǒng)中的地位逐漸提高。

儲能設(shè)備即可作為能量的緩沖器，又可作為后備電源，在解決輸變電的不一致性問題上，可起到一定程度的改善作用，可以有效地提高電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性，使電力系統(tǒng)的可調(diào)度能力得到提高。儲能設(shè)備有效地抑制了可再生能源的并網(wǎng)功率波動，降低了對電網(wǎng)的影響，提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，減少了不必要能源消納[2]。

3.2 儲能技術(shù)對新能源電力系統(tǒng)發(fā)展的重要性

3.2.1 為新能源發(fā)電大規(guī)模使用創(chuàng)造條件

風(fēng)能發(fā)電技術(shù)和太陽能發(fā)電技術(shù)等均為當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)中的重要的組成部分。新能源具有清潔、可循環(huán)等傳統(tǒng)化石能源所不具備的優(yōu)勢，但是也存在波動性和間歇性的特點，影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性。儲能技術(shù)的應(yīng)用可有效改善新能源并網(wǎng)時的穩(wěn)定性問題。

3.2.2 能夠改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)

隨著能源需求逐漸加大，單一使用傳統(tǒng)的化石能源，不利于我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而且會引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)。要保障能源充分，就必須改變當(dāng)前能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。在新能源使用過程中，結(jié)合用戶的實際能源需求，采用適合方式對新能源系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，通過合理使用儲能技術(shù)（獨立或并網(wǎng)），保障能源供給，并保護(hù)環(huán)境。

3.2.3 調(diào)峰和控制輸出平穩(wěn)

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源電信號具有間歇性和波動性這兩個明顯的特點，是目前在電網(wǎng)中無法對新能源大規(guī)模使用的最主要原因。使用儲能技術(shù)是解決這一問題的有效手段。通過儲能設(shè)備對電站進(jìn)行調(diào)峰，確保其后期能夠平穩(wěn)輸出，同時不會增加電網(wǎng)的容量，并能夠提高新能源的利用率。

3.2.4 提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)作效率

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，是確認(rèn)電網(wǎng)安全的重要指標(biāo)。在運(yùn)行過程中，任何一個部分出現(xiàn)故障，對于整個體系的安全穩(wěn)定均會產(chǎn)生不利影響[3]。使用儲能系統(tǒng)能夠確保電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時對其進(jìn)行有效的控制，能有效抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中的波動，并通過相互協(xié)調(diào)的方式，對電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)自我調(diào)控的作用。在電網(wǎng)系統(tǒng)停電、斷電時，儲能設(shè)備能夠在一段時間內(nèi)提供有效的供電。

3.3 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用優(yōu)勢

3.3.1 抑制風(fēng)電并網(wǎng)的功率

新能源并網(wǎng)的過程對電力系統(tǒng)帶來的不良影響會損害電壓的穩(wěn)定性。結(jié)合儲能技術(shù)，對風(fēng)力發(fā)電場進(jìn)行建模分析，構(gòu)建有效的風(fēng)—光—儲協(xié)調(diào)控制方案，開展對電網(wǎng)無功功率和有功功率調(diào)節(jié)和容量配置，可控制功率的頻繁變化，穩(wěn)定并網(wǎng)的輸出功率[4]。

新能源并網(wǎng)的過程對電力系統(tǒng)帶來了不良影響—頻率波動。在新能源發(fā)電的情況下，加入行之有效的儲能系統(tǒng)，可對電力系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償，確保入網(wǎng)頻率的一致性。在此基礎(chǔ)上對儲能系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化，可提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的壽命，進(jìn)而降低整個電力系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。通過在新能源并網(wǎng)中加設(shè)儲能系統(tǒng)，使儲能系統(tǒng)作為備用電源，可以改善由發(fā)電間歇而引起的供電中斷現(xiàn)象，進(jìn)而提高供電穩(wěn)定性。

3.3.3 優(yōu)化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量

在新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中會出現(xiàn)電壓降落或閃變等問題，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。在新能源系統(tǒng)中加入儲能設(shè)備，可平穩(wěn)控制功率的波動，實現(xiàn)電能質(zhì)量優(yōu)化。在新能源并網(wǎng)中加入超級電容器等儲能器件，通過模糊邏輯控制來進(jìn)行電能質(zhì)量的調(diào)控，可進(jìn)一步改善電能質(zhì)量降低的問題。

3.3.4 提高新能源并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性

由于新能源輸出功率會變化不定，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要提高備用容量。在新能源并網(wǎng)過程中，利用如抽水儲能等物理儲能方式，可將電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的物理勢能，提高風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。通過結(jié)合電價收益最大目標(biāo)和新能源輸出功率最小目標(biāo)，形成兩種對應(yīng)的新能源發(fā)電和物理蓄能方案，實現(xiàn)對應(yīng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，既可提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，也可有效降低了風(fēng)電發(fā)電的成本投入。

3.4 新能源發(fā)電領(lǐng)域儲能形式

目前國內(nèi)外對于大規(guī)模新能源發(fā)電并入電力系統(tǒng)時所采取的儲能技術(shù)的應(yīng)用而言，主要采取能量型儲能和功能性儲能相結(jié)合的方式。新能源領(lǐng)域儲能技術(shù)主要的應(yīng)用形式參見圖6。如抽水蓄能、鋰電池、液流電池等能量型儲存適合用于調(diào)頻調(diào)峰的用途。如飛輪儲能、超級電容儲能及超導(dǎo)磁儲能等功率型儲能方式，適合于實時的負(fù)荷平滑和優(yōu)化電能質(zhì)量方面。

圖6 新能源領(lǐng)域儲能技術(shù)應(yīng)用形式

3.5 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用形式

在構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)作為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，遍布在發(fā)電—配電—用電的各個環(huán)節(jié)。因為在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況不同，儲能技術(shù)給電網(wǎng)帶來的價值也不同[6]。但是，在工程實際中，儲能設(shè)備主要分布在新能源測、傳統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)測、用戶側(cè)等。

像其他寄生蟲一樣，弓形蟲可以在動物和人之間傳染，其主要傳播途徑是消化道。人食用被感染的肉類或接觸被感染貓的糞便，直接或間接通過胃腸道感染弓形蟲。

3.5.1 新能源側(cè)

新能源輸出功率具有不確定性和波動性，會增加并網(wǎng)難度。儲能系統(tǒng)利用自身的能量時空平移特性，可提高風(fēng)電輸出功率的可控性，提高新能源并網(wǎng)接入能力[7]。風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電均受環(huán)境天氣等因素影響。利用風(fēng)、光資源之間的互補(bǔ)特性，并在系統(tǒng)中配置適當(dāng)容量的儲能裝置，可平抑風(fēng)、光并網(wǎng)所帶來的波動，減少對電網(wǎng)造成的影響，還可以提高電網(wǎng)對新能源的接納能力

3.5.2 傳統(tǒng)電源側(cè)

傳統(tǒng)電源主要是指火電在未來新能源電力系統(tǒng)中將承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)或用作備用電源。GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定，在正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值是 ± 0.2 Hz?；痣娫谡{(diào)頻過程中存在爬坡率低、調(diào)節(jié)速度慢等缺點。儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、雙向調(diào)節(jié)的能力。在火電機(jī)組側(cè)配置電池儲能系統(tǒng)，輔助火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻，可保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長火電機(jī)組的使用壽命。

3.5.3 電網(wǎng)側(cè)

儲能電站的接入可以有效提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，緩解負(fù)荷高峰時的供電壓力，實現(xiàn)削峰填谷，平滑配網(wǎng)中的負(fù)荷波動，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。因無功補(bǔ)償器具有靈活性、快速響應(yīng)等特點，所以當(dāng)電網(wǎng)中有功功率的劇烈波動威脅電網(wǎng)頻率穩(wěn)定時，通過儲能電站輔助調(diào)頻，可維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，提高電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)對新能源消納能力。由于分布式新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)側(cè)涵蓋了較多的微電網(wǎng)以及主動配電網(wǎng)，微電網(wǎng)中風(fēng)、光等可再生能源的波動性給電力系統(tǒng)帶來了負(fù)面影響。儲能系統(tǒng)的加入不僅可以維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡，還能有效緩解棄風(fēng)、棄光等問題。主動配電網(wǎng)是由風(fēng)、光等分布式電源、可控負(fù)荷、分布式儲能等能源構(gòu)成的，可主動參與運(yùn)行、控制、管理，從而提高配電網(wǎng)對分布式新能源的接納能力。儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3.5.4 用戶側(cè)

儲能裝置能夠使用戶自主或者通過外部調(diào)度控制儲能進(jìn)行電能儲存或釋放，并根據(jù)分時電價政策分時段充放電進(jìn)行盈利，降低用戶電費(fèi)。在電力負(fù)荷處于高峰時，電價較高，用戶則利用儲能裝置進(jìn)行放電，維持自身用電需求。當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷時，電價較低，用戶則通過儲能裝置將電能存儲，從而實現(xiàn)削峰填谷，減少電網(wǎng)負(fù)荷高峰時的壓力，降低用戶用電費(fèi)用。當(dāng)用戶參與需求側(cè)響應(yīng)并對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時，儲能系統(tǒng)的接入能夠提高用戶參與需求側(cè)響應(yīng)的能力。用戶實現(xiàn)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)時易出現(xiàn)電能不足的情況。此時儲能裝置作為不間斷電源，可以提高供電的可靠性。當(dāng)發(fā)電裝置處于出力高峰時，通過儲能裝置儲存電能；當(dāng)電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰時，此時電價較高，儲能裝置放電，用戶在滿足自身用電需求的同時利用余電上網(wǎng)，從而獲得收益。

4 儲能技術(shù)在新能源發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用方法

上述內(nèi)容討論了儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景，分析了儲能技術(shù)在穩(wěn)定新能源發(fā)電并網(wǎng)時的獨特優(yōu)勢，那么如何將儲能技術(shù)應(yīng)用于新能源發(fā)電側(cè)，發(fā)揮其特有的優(yōu)勢呢？結(jié)合發(fā)電側(cè)的工程實際情況，大體有以下 3 種方式可以實現(xiàn)：

4.1 方式一

出現(xiàn)頻率偏差時，借助同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻原理，利用調(diào)速器和偏差率相結(jié)合原理，共同作用改變發(fā)電機(jī)組的發(fā)力，迅速完成一次調(diào)頻。繼而進(jìn)行二次調(diào)頻，借助具有電力電子變流裝置的新型儲能設(shè)備將調(diào)頻的響應(yīng)控制在毫秒的范圍內(nèi)，可確保電信號頻率穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值，實現(xiàn)良好的調(diào)頻效果。

4.2 方式二

將發(fā)電機(jī)組與儲能裝置相結(jié)合，模擬成一個虛擬的同步發(fā)電機(jī)組。這樣可以借助虛擬調(diào)頻模型平臺將傳統(tǒng)的同步調(diào)頻模型轉(zhuǎn)移。在儲能系統(tǒng)內(nèi)加入能量控制系統(tǒng)，使虛擬的模型算法運(yùn)行起來，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)對新能源并網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。

4.3 方式三

借助電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一支配的方式來實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻。儲能系統(tǒng)在調(diào)度指揮的作用下完成對應(yīng)指令，結(jié)合調(diào)度的有功、無功數(shù)值，進(jìn)而對電網(wǎng)發(fā)出功率或者吸收功率實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。因為單一調(diào)頻調(diào)峰的算法較為復(fù)雜，所以在借助電網(wǎng)完成輔助時，可進(jìn)一步降低了調(diào)控的難度。

5 結(jié)束語

本文中筆者介紹了近年來新能源的發(fā)展趨勢及儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用形式，通過分析儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的作用，得出了一些新能源發(fā)電領(lǐng)域中儲能技術(shù)應(yīng)用的一般可行性方法。

隨著我國大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔能源技術(shù)，穩(wěn)步推進(jìn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的節(jié)點目標(biāo)[8]，著力于構(gòu)建以清潔能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)，儲能技術(shù)作為新能源發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，一定將迎來廣闊的應(yīng)用場景。