關新，吳世瑋，解雨琪，李明洋

（沈陽工程學院，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，我國風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源清潔發(fā)電技術迎來了寬廣的發(fā)展空間。據目前的數據統(tǒng)計，至 2022 年 12 月底，我國風電裝機總容量達 3.654 4 × 108kW，同比增長率為 11.2 %（參見圖1）。其中，新增裝機容量為 3.763 × 107kW，同比減少 21 %（參見圖2）。2021 年，我國風力發(fā)電量已達 6.526 × 1011kWh，同比增長率為 40.5 %。2022 年 1 月～2022 年 11 月，風力發(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 年中國風電裝機容量統(tǒng)計圖

圖2 2017～2022 年中國風電新增裝機容量統(tǒng)計圖

圖3 2017～2022 年中國風力發(fā)電量占比統(tǒng)計圖

圖4 2017～2022 年中國風力發(fā)電量統(tǒng)計圖

風力發(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)電總量中占據著重要地位。2021 年中國風力發(fā)電量占全國發(fā)電總量的 8.04 %，2022 年 1 月至 11 月風電發(fā)電量約占總發(fā)電量的8.00 %。風力發(fā)電并網使用率穩(wěn)定地保持在較高水平。2021 年 12 月，全國風電利用率達 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、市的風電利用率達到 100 %。2022 年，風電利用率達 96.8 %。在北京、天津、上海、江蘇、浙江、安徽、廣西、海南等 13 個省、市風電利用率達 100 %（參見圖5）。隨著半導體材料的進一步發(fā)展，光伏發(fā)電總量也在逐年穩(wěn)步提升。2022 年新增光伏并網總容量為 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 年底累計光伏并網總容量為 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，在能源消費總量中非化石能源的占比已經提高到了 17.3 % 左右，其中光伏發(fā)電量占比達到 4.2 %左右。由目前的統(tǒng)計數據分析可知，隨著國家進一步加大對風電、光伏等新能源發(fā)電技術的投入和布局，新能源發(fā)電量的占比一定會進一步增加，并逐步替代傳統(tǒng)火力發(fā)電在民生、生產發(fā)展中的重任，因此構建新型電力系統(tǒng)勢在必行。

圖5 風/光發(fā)電消費比重圖

2 新能源發(fā)展趨勢

為了應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，新能源技術有了巨大的發(fā)展。尤其是在歐美等發(fā)達國家，新能源已經成為了主要的能源來源，在能源結構中的占比日益增加。

現今，我國也加大了對新能源的重視力度，開始將新能源發(fā)電引入到電網中，不斷大力發(fā)展新能源技術，著力于構建新能源電力系統(tǒng)，用于緩解當前的用電緊張形勢[1]。國家先后出臺了一系列政策，如《關于完善能源綠色低碳轉型體制機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”現代能源體系規(guī)劃》，鼓勵企業(yè)向清潔能源轉型，向產業(yè)升級邁進。由于目前傳統(tǒng)化石能源的供給側還無法滿足國內日漸增加的能源需求，而風力發(fā)電是可再生能源領域中技術最成熟、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)展風力發(fā)電對于我國推動實現能源結構優(yōu)化具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

目前具備風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，積極推進風電等新能源的開發(fā)利用，助推經濟發(fā)展。截至 2022 年，全國風電、光伏發(fā)電新增裝機容量突破 1.2 × 108kW，連續(xù) 3 a突破 1× 108kW。風電、光伏發(fā)電量首次突破 1 ×1012kWh，達到 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用前景，也有利于我國能源企業(yè)完成產業(yè)升級和能源結構優(yōu)化改革。

3 儲能技術在新能源電力系統(tǒng)的應用現狀

3.1 儲能技術在新能源發(fā)電領域中的作用

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

儲能設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的安全性、穩(wěn)定性，使電力系統(tǒng)的可調度能力得到提高。儲能設備有效地抑制了可再生能源的并網功率波動，降低了對電網的影響，提高了電網的經濟性，減少了不必要能源消納[2]。

3.2 儲能技術對新能源電力系統(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

風能發(fā)電技術和太陽能發(fā)電技術等均為當前新能源發(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，影響電網的運行安全穩(wěn)定性。儲能技術的應用可有效改善新能源并網時的穩(wěn)定性問題。

3.2.2 能夠改變能源供應結構

隨著能源需求逐漸加大，單一使用傳統(tǒng)的化石能源，不利于我國經濟的可持續(xù)發(fā)展，而且會引發(fā)嚴重的環(huán)境危機。要保障能源充分，就必須改變當前能源供應結構。在新能源使用過程中，結合用戶的實際能源需求，采用適合方式對新能源系統(tǒng)進行科學設計，通過合理使用儲能技術（獨立或并網），保障能源供給，并保護環(huán)境。

3.2.3 調峰和控制輸出平穩(wěn)

風力發(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。使用儲能技術是解決這一問題的有效手段。通過儲能設備對電站進行調峰，確保其后期能夠平穩(wěn)輸出，同時不會增加電網的容量，并能夠提高新能源的利用率。

3.2.4 提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和運作效率

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

3.3 儲能技術在新能源發(fā)電領域中應用優(yōu)勢

3.3.1 抑制風電并網的功率

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

新能源并網的過程對電力系統(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)進行功率補償，確保入網頻率的一致性。在此基礎上對儲能系統(tǒng)的進行優(yōu)化，可提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的壽命，進而降低整個電力系統(tǒng)的生產成本。通過在新能源并網中加設儲能系統(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象，進而提高供電穩(wěn)定性。

3.3.3 優(yōu)化電力系統(tǒng)的電能質量

在新能源發(fā)電并網過程中會出現電壓降落或閃變等問題，導致電能質量下降。在新能源系統(tǒng)中加入儲能設備，可平穩(wěn)控制功率的波動，實現電能質量優(yōu)化。在新能源并網中加入超級電容器等儲能器件，通過模糊邏輯控制來進行電能質量的調控，可進一步改善電能質量降低的問題。

3.3.4 提高新能源并網的經濟性

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。在新能源并網過程中，利用如抽水儲能等物理儲能方式，可將電能轉化為穩(wěn)定的物理勢能，提高風電場并網運行的穩(wěn)定性[5]。通過結合電價收益最大目標和新能源輸出功率最小目標，形成兩種對應的新能源發(fā)電和物理蓄能方案，實現對應的穩(wěn)定調節(jié)，既可提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，也可有效降低了風電發(fā)電的成本投入。

3.4 新能源發(fā)電領域儲能形式

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

圖6 新能源領域儲能技術應用形式

3.5 儲能技術在新能源發(fā)電領域中應用形式

在構建新能源電力系統(tǒng)中儲能技術作為關鍵的核心技術之一，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)中的應用情況不同，儲能技術給電網帶來的價值也不同[6]。但是，在工程實際中，儲能設備主要分布在新能源測、傳統(tǒng)電源側、電網測、用戶側等。

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

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

3.5.2 傳統(tǒng)電源側

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

3.5.3 電網側

儲能電站的接入可以有效提高電網的調峰能力，緩解負荷高峰時的供電壓力，實現削峰填谷，平滑配網中的負荷波動，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提升電網的電壓質量。因無功補償器具有靈活性、快速響應等特點，所以當電網中有功功率的劇烈波動威脅電網頻率穩(wěn)定時，通過儲能電站輔助調頻，可維持電網頻率穩(wěn)定，提高電網側系統(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，使得電網側涵蓋了較多的微電網以及主動配電網，微電網中風、光等可再生能源的波動性給電力系統(tǒng)帶來了負面影響。儲能系統(tǒng)的加入不僅可以維持微電網系統(tǒng)的能量平衡，還能有效緩解棄風、棄光等問題。主動配電網是由風、光等分布式電源、可控負荷、分布式儲能等能源構成的，可主動參與運行、控制、管理，從而提高配電網對分布式新能源的接納能力。儲能系統(tǒng)在主動配電網中也發(fā)揮著關鍵作用。

3.5.4 用戶側

儲能裝置能夠使用戶自主或者通過外部調度控制儲能進行電能儲存或釋放，并根據分時電價政策分時段充放電進行盈利，降低用戶電費。在電力負荷處于高峰時，電價較高，用戶則利用儲能裝置進行放電，維持自身用電需求。當電力負荷處于低谷時，電價較低，用戶則通過儲能裝置將電能存儲，從而實現削峰填谷，減少電網負荷高峰時的壓力，降低用戶用電費用。當用戶參與需求側響應并對電網進行調節(jié)時，儲能系統(tǒng)的接入能夠提高用戶參與需求側響應的能力。用戶實現自發(fā)自用、余電上網時易出現電能不足的情況。此時儲能裝置作為不間斷電源，可以提高供電的可靠性。當發(fā)電裝置處于出力高峰時，通過儲能裝置儲存電能；當電網處于負荷高峰時，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，從而獲得收益。

4 儲能技術在新能源發(fā)電領域中應用方法

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

4.1 方式一

出現頻率偏差時，借助同步發(fā)電機的調頻原理，利用調速器和偏差率相結合原理，共同作用改變發(fā)電機組的發(fā)力，迅速完成一次調頻。繼而進行二次調頻，借助具有電力電子變流裝置的新型儲能設備將調頻的響應控制在毫秒的范圍內，可確保電信號頻率穩(wěn)定在標準值，實現良好的調頻效果。

4.2 方式二

將發(fā)電機組與儲能裝置相結合，模擬成一個虛擬的同步發(fā)電機組。這樣可以借助虛擬調頻模型平臺將傳統(tǒng)的同步調頻模型轉移。在儲能系統(tǒng)內加入能量控制系統(tǒng)，使虛擬的模型算法運行起來，實現儲能系統(tǒng)對新能源并網的調峰調頻。

4.3 方式三

借助電網調度統(tǒng)一支配的方式來實現調峰調頻。儲能系統(tǒng)在調度指揮的作用下完成對應指令，結合調度的有功、無功數值，進而對電網發(fā)出功率或者吸收功率實現調節(jié)控制。因為單一調頻調峰的算法較為復雜，所以在借助電網完成輔助時，可進一步降低了調控的難度。

5 結束語

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

隨著我國大力發(fā)展風電、光伏等清潔能源技術，穩(wěn)步推進“碳達峰”“碳中和”的節(jié)點目標[8]，著力于構建以清潔能源為主導的新型電力系統(tǒng)，儲能技術作為新能源發(fā)電并網的關鍵技術，一定將迎來廣闊的應用場景。