郭亞萍

（廣州城市職業(yè)學院，廣東 廣州 510000）

0 引言

基于不斷發(fā)展的科學技術(shù)，新能源發(fā)電系統(tǒng)能夠以風光互補等新型能源來代替煤炭等傳統(tǒng)能源進行發(fā)電。但受到這些新能源間歇性以及可控性較差的影響，新能源發(fā)電系統(tǒng)的實際應(yīng)用仍有較大的上升空間。儲能技術(shù)的運用，是從降低峰值電力負荷的角度出發(fā)，為提升電力系統(tǒng)運行效率提供的技術(shù)手段，對促進電力行業(yè)的整體發(fā)展具有積極的意義。

1 電力系統(tǒng)常用的儲能技術(shù)

1.1 電化學儲能技術(shù)

電化學儲能技術(shù)以蓄電池作為儲能轉(zhuǎn)化的主要載體，其能夠基于化學反應(yīng)的原理，讓蓄電池中的電解質(zhì)在經(jīng)過化學反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為化學能，進而達到存儲電能的目的。在電力系統(tǒng)實際運行時，這種儲能方式通常選擇負荷低谷時充電儲能，而在負荷高峰時將儲存的電能輸送到電網(wǎng)，不會受到地域條件的影響限制，能夠以快速的響應(yīng)時間來促進電網(wǎng)運行效率的提升[1]。但由于蓄電池儲能的使用壽命較短，且維護過程比較復(fù)雜，這種儲能方式的實際應(yīng)用范圍有限，會受到維護成本以及技術(shù)水平的限制。

1.2 抽水儲能技術(shù)

抽水儲能技術(shù)主要依賴蓄能電站發(fā)揮儲能作用，在電網(wǎng)負荷低谷時，蓄能電站主要利用水泵將水從低處抽到高處，而在負荷高峰時，則打開水庫，利用水的動力勢能來達到電能轉(zhuǎn)化和發(fā)電的目的。該儲能技術(shù)擁有的儲能空間較大，儲能時間也更長，儲能過程中能夠呈現(xiàn)出較高的能量密度。但也會受到地形地勢的限制，在投資成本不足的情況下，不僅難以發(fā)揮該技術(shù)的作用，還容易對周邊的環(huán)境造成破壞[2]。

1.3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)通常作為蓄電池系統(tǒng)的補充發(fā)揮作用。該技術(shù)在實際應(yīng)用中，主要以風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化的方式達到電能儲存的目的。當電機為飛輪驅(qū)動提供動力，讓飛輪達到預(yù)定標準速度后，飛輪儲能裝置就可以發(fā)揮作用，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪動能。如果這一過程中的用電量增大，則飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能就能夠帶動發(fā)電機發(fā)電。飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)

考慮動能轉(zhuǎn)化為電能的基本條件，飛輪系統(tǒng)應(yīng)主要在接近真空的環(huán)境中運行，用以達到降低風阻和摩擦引起的動能損失問題。飛輪儲能裝置運行的基本流程，需要在電能輸入電動機驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)后，飛輪產(chǎn)生的機械能作用于發(fā)電機，就可以達到輸出電能的目的。在實際運行中，飛輪儲能裝置本身具有良好的穩(wěn)定性，使用壽命較長，但由于飛輪系統(tǒng)儲存的能量密度較低，保障系統(tǒng)安全消耗的成本也比較高，還會受到場地條件的限制，因而存在一定的應(yīng)用限制。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用價值

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)，主要能夠發(fā)揮以下作用：首先，新能源發(fā)電領(lǐng)域涉及風光互補等新型電力能源發(fā)電系統(tǒng)，風能、光能的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，具有明顯的間歇性和波動性。將儲能技術(shù)作為一種調(diào)峰手段，可以在不增加電網(wǎng)容量的前提下，讓新能源電站電能持續(xù)平穩(wěn)輸出，提升新能源的利用率，減少浪費。其次，應(yīng)用儲能技術(shù)抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中的波動，通過相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的自我調(diào)控，以優(yōu)化電力系統(tǒng)功率的方式，讓并網(wǎng)的輸出功率能夠持續(xù)穩(wěn)定。在這一過程中，以儲能技術(shù)來輔助新能源發(fā)電站的建模分析，有利于提升電力系統(tǒng)整體運行的可靠性[3]。以儲能技術(shù)為基礎(chǔ)的儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與電力行業(yè)的發(fā)展之間有著密切的聯(lián)系。應(yīng)用儲能技術(shù)，通過對新能源發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)峰和運行優(yōu)化，一方面能夠保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，另一方面也能夠在技術(shù)研發(fā)中積極拓展儲能技術(shù)的應(yīng)用渠道和范圍，提高儲能技術(shù)的實用性。

3 在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)的情況

新能源發(fā)電系統(tǒng)在現(xiàn)代社會的背景下有著廣闊的發(fā)展前景，以儲能技術(shù)作為穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)運行的重要保障，促進電力系統(tǒng)“發(fā)-輸-配-用”基本格局的轉(zhuǎn)變發(fā)展，能夠在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，更好地推動電力行業(yè)整體的健康發(fā)展，讓其為社會發(fā)展提供更充足的電能供應(yīng)。基于此，結(jié)合儲能技術(shù)的應(yīng)用原理，對風力發(fā)電和光伏發(fā)電兩個典型的新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)應(yīng)用的情況進行分析，主要可以從以下方面入手，針對儲能技術(shù)的應(yīng)用問題，促進儲能技術(shù)的優(yōu)化。

3.1 儲能技術(shù)應(yīng)用方法

利用儲能技術(shù)實現(xiàn)對新能源發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和促進穩(wěn)定運行，主要可以通過3 種方式實現(xiàn)。首先，當發(fā)電系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)頻率偏差時，可以依據(jù)同步發(fā)電機的調(diào)頻功能，將調(diào)速器與偏差率結(jié)合起來，共同作用于發(fā)電機組，改變發(fā)電機組的發(fā)力，從而達到一次調(diào)頻的目的。然后按照相同的步驟進行二次調(diào)頻，利用儲能裝置中的電力電子變流裝置，來提高調(diào)頻響應(yīng)控制的精準度。這樣能夠?qū)l(fā)電系統(tǒng)的電信號頻率穩(wěn)定在標準值的范圍內(nèi)，進而實現(xiàn)良好的調(diào)頻效果。

其次，在新能源發(fā)電系統(tǒng)的運行中，也可以將發(fā)電機組和儲能裝置結(jié)合起來，將其看作為一個能夠保持同步的虛擬發(fā)電機組，然后以構(gòu)建虛擬調(diào)頻模型平臺的方式，將傳統(tǒng)的同步調(diào)頻模型轉(zhuǎn)移出去。在平臺中應(yīng)用配備能量控制系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，推動虛擬模型算法的運行，借助該模型算法來實現(xiàn)對新能源并網(wǎng)情況下的調(diào)峰調(diào)頻功能。

最后，在電網(wǎng)運行中發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用，在保證電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一支配的前提下，讓儲能系統(tǒng)依據(jù)調(diào)度指揮的相關(guān)指令來執(zhí)行操作，利用調(diào)度產(chǎn)生的有功和無功數(shù)值，對電網(wǎng)功率大小實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制[4]。在這一過程中，考慮單一調(diào)頻調(diào)峰算法的實際應(yīng)用過程較為復(fù)雜，發(fā)揮電網(wǎng)的輔助作用，可以有效降低實際對其進行調(diào)控的難度，提升儲能技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.2 儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國在風力發(fā)電系統(tǒng)的運行方面已經(jīng)擁有較為成熟的技術(shù)，且風力發(fā)電的原理本身較為簡單，在風力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)，能夠有效保障整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

飛輪儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中較為常見，通常以風力發(fā)電機組+飛輪儲能的組合方式發(fā)揮作用。在實際應(yīng)用中，飛輪儲能系統(tǒng)主要通過飛輪的高速旋轉(zhuǎn)來達到儲存能量的目的，對制成飛輪合成材料類型的選擇，應(yīng)以飛輪儲存的能量大小作為依據(jù)，基于以下公式進行計算。

式中：E——飛輪儲存的動能；J——飛輪儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；ωmax——轉(zhuǎn)子的最大角速度；ωmin——轉(zhuǎn)子的最小角速度。

基于以上原理，可以依據(jù)每分鐘飛輪轉(zhuǎn)速千轉(zhuǎn)，將飛輪儲能裝置分為高速飛輪和低速飛輪兩種類型。

飛輪儲能在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2 所示。在確定好應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)的飛輪儲能設(shè)備后，將飛輪儲能裝置連接在風機直流側(cè)后，由風力發(fā)電機將捕捉到的風能轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)用逆變器將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電，以并聯(lián)的方式將飛輪儲能裝置電路與系統(tǒng)直流電路連接起來。當風力發(fā)電機運行中的輸出功率發(fā)生變化或存在負載擾動時，逆變器與整流器之間的電流IG、IL也可能會發(fā)生變化。在這一過程中，可以通過設(shè)計控制策略的方式，在飛輪儲存動能Edc升高，飛輪儲能設(shè)備處于儲能狀態(tài)時，抑制電路中直流電壓的上升，而在飛輪儲存動能下降的情況下，飛輪儲能設(shè)備處于釋能的狀態(tài)，可以補充系統(tǒng)的功率缺額。

圖2 飛輪儲能在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實際應(yīng)用飛輪儲能技術(shù)時，考慮該技術(shù)產(chǎn)生的自放電現(xiàn)象損失的能量占據(jù)其自身儲存能量的20%左右，因而很容易限制其在風力發(fā)電系統(tǒng)中的長期應(yīng)用。但飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢也較為明顯，將其應(yīng)用于變化周期較小的一次頻率控制當中，可以借助飛輪儲能設(shè)備來吸收或釋放配電網(wǎng)中的有功及無功功率，從而有效提升電能的質(zhì)量水平。

3.3 儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)更多作為主電網(wǎng)的補充發(fā)揮作用。結(jié)合以往該系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗，考慮瞬時功率穩(wěn)定性差是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮作用的主要問題。應(yīng)用儲能技術(shù)，以無源并聯(lián)儲能的方式，穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的負載功率，控制系統(tǒng)脈沖，保證電源正常的充電和放電功能，提升電流的穩(wěn)定性。

在儲能方面，應(yīng)用電池儲能技術(shù)，可以將儲能裝置以并聯(lián)或充電控制器的方式與光伏電池組連接，基于電化學的方法將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。這一過程中能夠應(yīng)用的電池類型廣泛，鉛酸電池、鐵鋰電池、鈉離子電池等都可以作為儲能裝置；應(yīng)用熱儲能技術(shù)，則可以將太陽能板上列陣光伏電池組的余熱、太陽能板下陣列的散熱等熱能儲存起來，用于地暖、熱水供應(yīng)等需求溫度傳輸媒介的場合。

在電力調(diào)峰方面，儲能技術(shù)主要借助儲能系統(tǒng)來發(fā)揮作用?；诋斍半娏π袠I(yè)科學并網(wǎng)的要求，以協(xié)調(diào)功率和密度均較高的系統(tǒng)為主要目的，可以借助儲能系統(tǒng)，對儲存單元的密度進行調(diào)控。在這一過程中，應(yīng)用超級電容裝置，可以改善提升電力系統(tǒng)的質(zhì)量水平。在應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借助儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)對電能功率穩(wěn)定性的分析，能夠降低故障的發(fā)生概率，延長系統(tǒng)的使用壽命，也可以將其作為優(yōu)化蓄電池儲能系統(tǒng)的有效手段和方法。

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元通過逆變器并聯(lián)于交流母線，儲能單元通過變流器與交流母線連接，用于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的供需平衡。應(yīng)用雙向儲能變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電系統(tǒng)升壓與逆變、降壓與整流的解耦控制。在儲能裝置放電時，前級變流器工作于升壓模式，后級變流器工作于逆變模式，而儲能裝置充電時，二者工作狀態(tài)均相反。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 儲能技術(shù)的未來發(fā)展方向和趨勢

儲能技術(shù)在現(xiàn)階段的發(fā)電系統(tǒng)運行中已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)其存在著明顯的缺陷和不足。例如，現(xiàn)階段新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的建設(shè)和維護成本都比較高，投資成本的回收期也比較長，儲能系統(tǒng)的運行壽命也普遍比較低，儲能系統(tǒng)的運行安全問題仍未得到明顯的改善。當前也未形成基于儲能技術(shù)的多樣化商業(yè)模式，難以獲得理想的盈利水平來支持儲能系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化和發(fā)展。因而現(xiàn)階段的儲能技術(shù)仍然面臨著規(guī)劃、技術(shù)、安全等多方面的問題。

在未來的技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)能夠充分考慮我國在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)以及雙碳總體目標下，實現(xiàn)對于儲能技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)優(yōu)化，以提升儲能技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性為主要目標，積極探索和嘗試將各種現(xiàn)代化手段應(yīng)用到儲能技術(shù)的有效方法，以此來不斷提升儲能技術(shù)的實際使用效果。

4 結(jié)語

綜上所述，將儲能技術(shù)應(yīng)用到新能源發(fā)電系統(tǒng)當中，能夠有效提升電源的整體質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？紤]現(xiàn)階段受到電站儲能條件以及要求不同的影響，實際應(yīng)用的儲能技術(shù)類型存在差異。以儲能系統(tǒng)來發(fā)揮儲能技術(shù)的作用，應(yīng)考慮不同發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化原理，針對當前儲能技術(shù)應(yīng)用中存在的問題，進一步加強對具體技術(shù)內(nèi)容的優(yōu)化研究，提升儲能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用效果。