王 哲

（南瑞電力設計有限公司， 江蘇 南京 211100）

0 引言

在國家戰(zhàn)略實施 “雙碳” 目標的背景下，開展新能源的研究，是實現(xiàn) “一次能量零碳化、二次能量高效利用” 的重要發(fā)展方向。而在未來的新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，新型電力系統(tǒng)將逐漸替代傳統(tǒng)的燃氣電、煤電等電力生產(chǎn)方式。在新能源開發(fā)利用中，如何有效地應對其不穩(wěn)定因素，是保證未來電力資源生產(chǎn)和傳輸過程中的電力儲備充足的重要保證。新能源的開發(fā)與利用通常建立在電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)之上，只有依靠新型儲能技術(shù)才能實現(xiàn)電能的最大利用。

1 針對新型電力系統(tǒng)進行儲能規(guī)劃的必要性

在 “雙碳” 目標持續(xù)推進的背景下，風能發(fā)電、太陽能發(fā)電等新電力能源的開發(fā)和利用已成為未來可持續(xù)發(fā)展的主要趨勢之一?？紤]到光伏、風電的特點（如圖1 所示），其最大的缺陷是波動性、分散性和不穩(wěn)定性，因此，完善的儲能方案及其相應的調(diào)度方法將對電網(wǎng)的 “實時均衡” 和 “平穩(wěn)運行” 產(chǎn)生重要的影響。能量存儲涉及電力供需均衡管理、電源側(cè)管理和需求側(cè)管理等諸多方面。作為最為基礎的儲能系統(tǒng)，其系統(tǒng)規(guī)劃設計的好壞，關(guān)系到新能源系統(tǒng)能否真正滿足目前社會的用電需求[1]。

圖1 新型電力系統(tǒng)的相關(guān)重點特征示例

需求側(cè)管理就是通過調(diào)節(jié)和干預綜合用電負荷特性曲線方式，達到提高負荷消耗的目的，是提高用能效率、達到節(jié)能目的的一種重要手段。而進行電源側(cè)管理，目的主要在于通過優(yōu)化各電源群系統(tǒng)的發(fā)電特性、運行參數(shù)來進一步提高系統(tǒng)的整體發(fā)電性能，從而有效解決系統(tǒng)中的電能變化傳輸問題。合理采用系統(tǒng)運行控制技術(shù)，電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)峰谷互補，滿足電力用戶的用電需求。

2 新型電力系統(tǒng)儲能規(guī)劃與運行控制技術(shù)類型

2.1 電化學能量存儲——電化學儲能

在日常生活中，電化學能量存儲，即電化學儲能，是一種最常用的能量存儲方法，主要利用電化學蓄電池蓄電方式將電能儲存起來，能量轉(zhuǎn)化效率高達81%左右[2]。目前，使用最多的是鋰—聚合物電池，如磷酸鐵鋰、三元鋰電池等?；瘜W電池的高效率和廣泛應用，促進了新能源汽車等領域的發(fā)展，同時，也促進了電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的新突破。

2.2 機械能量儲存——抽水儲能

在這些新的電力系統(tǒng)中，抽水蓄能是最普遍的一種，既簡單可行，又具有較強的實用價值。同時，也是一種成本低廉、可控性好的能源。抽水蓄能技術(shù)主要采用水力，其整體轉(zhuǎn)化效率在75%左右。抽水蓄能的基本實現(xiàn)原理是通過將電能轉(zhuǎn)化為勢能，從而實現(xiàn)對能量的傳輸和存儲，以滿足產(chǎn)生多余電力的需要。將勢能轉(zhuǎn)化為電能，可以應對發(fā)電不足。在大型電力系統(tǒng)中，利用抽水蓄能，可以實現(xiàn)電源低谷、高峰的切換。從目前的實際應用情況看，抽水蓄能技術(shù)具有操作成本容易控制、容量大、能量循環(huán)效率高、自放電率低和壽命長等特點，且發(fā)展歷史悠久，技術(shù)成熟程度高[3]。除了抽水蓄能之外，目前廣泛使用的機械蓄能技術(shù)有兩種，一種是壓縮空氣蓄能，另一種是飛輪蓄能。飛輪儲能可以為UPS 供電，以壓縮空氣為儲能單元，用于分布式電網(wǎng)。

2.3 電磁能量存儲——電磁儲能

不管哪一種能源存儲方法，都是先把電能轉(zhuǎn)換成其他能，然后再將其轉(zhuǎn)換成電能。超導能量存儲是指將電能轉(zhuǎn)換成電磁能，并將其存儲起來的一種新技術(shù)，從而達到穩(wěn)定供電的目的。從其核心部件、技術(shù)原理等方面來看，超導體的性能是決定儲能技術(shù)性能、能量損失情況的一個關(guān)鍵因素，并且在一定程度上也會受到高溫、低溫等因素的影響。因此，在極端高溫和極端低溫條件下，均可應用于各種超導材料。與此同時，在電力系統(tǒng)中，超導能量存儲是最常用的一種技術(shù)，在新型電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，該方法不僅能夠有效解決新能源發(fā)電技術(shù)運行過程中的接入難題，同時，也具備較強的快速響應、動態(tài)調(diào)節(jié)能力的特點[4]。從根本上說，超級電容屬于一種電容裝置，具有十分強大的應用功能，并且，能夠存儲更多的電力能源。此外，通過科學運用超級電容儲能技術(shù)，也可以在某種程度上解決能量在動態(tài)儲存、科學儲存和有效儲存等方面的難題。其最大的優(yōu)勢是工作狀態(tài)穩(wěn)定、維修簡單以及壽命長，見表1。由于其內(nèi)部電阻較小，相對于傳統(tǒng)的電化學存儲，具有耐過充、耐高溫等優(yōu)點。同時，還具有高比表面、高介電常數(shù)和高耐壓等優(yōu)勢，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛢δ懿牧稀?/p>

表1 超級電容所具有的優(yōu)勢及特點

2.4 太陽能能量存儲——太陽能板儲能

太陽能板儲能技術(shù)是一項將太陽能板儲能技術(shù)應用于光伏發(fā)電領域的研究。其基本原理就是將太陽能電池板所產(chǎn)生的電能存儲起來，再用逆變器將其轉(zhuǎn)化為電能并輸出。這一新型的可再生能源利用技術(shù)，不僅具有良好的區(qū)域適應性，而且能夠降低系統(tǒng)故障發(fā)生率，提高系統(tǒng)的可靠性，還能有效解決太陽能發(fā)電儲能的問題。

3 儲能規(guī)劃與運行控制技術(shù)探討——以氫儲能規(guī)劃與運行為例

3.1 運行特點分析

氫能雖非一種能量來源，卻可以用于電力存儲，是一種重要的能量存儲手段。因為氫氣不能在自然界中單獨存在，因此，制取氫氣需要消耗大量的能量。當前，綠氫的應用前景非常廣泛，其技術(shù)實施路徑主要為綠色能源→電力→綠氫→電力的方式，見圖2。在轉(zhuǎn)換過程中，都會產(chǎn)生能量損失，因此，其經(jīng)濟性不高，應將其分為需求方，在特殊場景的特殊需求下進行應用[5]。在雙碳目標下，氧存儲的優(yōu)越性日益凸顯。盡管目前已實現(xiàn)約80%的氫氣轉(zhuǎn)化，但氫氣儲存依然面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是在零碳儲能領域，以氫氣為能源的儲能方式，其能耗是目前已知最大的，但在經(jīng)濟上卻沒有任何優(yōu)勢。

圖2 綠氫儲能技術(shù)實施路徑

然而，在電力系統(tǒng)中，氫能的應用仍不容忽視，尤其是氫作為新能源，如氫燃料電池為新能源汽車提供能源，是實現(xiàn) “零碳” 的重要途徑之一。在新能源電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)不穩(wěn)定是一個大問題，而儲能技術(shù)則更多地使用在用電低谷和峰谷用電調(diào)度上，無論何種儲能技術(shù)，都要在發(fā)電高峰期間將電能存儲起來，以保證電力的持續(xù)穩(wěn)定輸出。氫能存儲能量技術(shù)不只是一種新的能源系統(tǒng)，更是一種對雙碳減排有很大幫助的新能源。

3.2 技術(shù)運行難點及主要技術(shù)路線原理

氫儲能技術(shù)路線的基本思路：將新能源發(fā)電系統(tǒng)的電能通過功率電子轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成氫氣，以水為主要原料，通過電解反應生成氫氣，實現(xiàn)儲能。然后，以氫為燃料，將化學能轉(zhuǎn)換為電能。從容量上來說，相比于電化學存儲技術(shù)，氫能存儲技術(shù)的儲能容量更大，整個系統(tǒng)的容量甚至可以達到GW 級。隨著工藝水平的不斷提高，可進一步提高氫能存儲技術(shù)的整體經(jīng)濟效益，降低工程造價。另外，利用氫能存儲技術(shù)，可以實現(xiàn)氫能存儲，大大提高了新型電力系統(tǒng)的儲能靈活性。氫儲能的技術(shù)難點及優(yōu)勢如表2 所示。

表2 氫儲能的技術(shù)難點及優(yōu)勢匯總

4 結(jié)語

伴隨新型電力系統(tǒng)的不斷進步和發(fā)展，電力系統(tǒng)運行中所用的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)、儲能規(guī)劃方式及手段等也將逐漸被淘汰。在此過程中，如何解決新型電力形態(tài)儲能運行控制技術(shù)的不可持續(xù)、不穩(wěn)定等問題，將成為當前乃至今后很長一段時間內(nèi)的研究重點。通過采用科學有效的儲能技術(shù)，能夠有效調(diào)整電力系統(tǒng)的電源峰谷差，進一步提高電源的供給穩(wěn)定性，并在新型電力系統(tǒng)運行中發(fā)揮更大的作用。