儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)和能源管理中的關(guān)鍵應(yīng)用

摘 要：儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的平穩(wěn)輸出和調(diào)峰填谷。同時(shí)， 儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提高電網(wǎng)的功率質(zhì)量和有效利用可再生能源。因此，文中將從儲(chǔ)能系統(tǒng)理論基礎(chǔ)出發(fā)，通過對(duì)光伏、地?zé)崮堋?風(fēng)能等多種新能源發(fā)電方式中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析，為新能源發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用提供理論支持和實(shí)際指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)；電網(wǎng)

引言

隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，新能源發(fā)電技術(shù)得到了迅速發(fā)展。然而，由于新能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用顯得尤為重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能夠平滑輸出功率波動(dòng)，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還能在電力需求高峰時(shí)段提供電力支持，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念

儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種在電力系統(tǒng)和能源管理中的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔茉谏a(chǎn)過剩時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，并在電力需求高峰或電源不足時(shí)釋放出來(lái)。這種系統(tǒng)不僅能夠提高能源利用效率，還能平衡供需差異，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括但不限于電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源、新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域 。在電網(wǎng)調(diào)峰方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電力需求低谷時(shí)儲(chǔ)存過剩的電能，并在高峰時(shí)段釋放，以平衡電網(wǎng)負(fù)荷，減少電網(wǎng)的壓力。在備用電源應(yīng)用中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在突發(fā)情況下提供緊急電力供應(yīng)，保障電力的連續(xù)性和可靠性。從技術(shù)角度來(lái)看，儲(chǔ)能技術(shù)可以分為多種類型，主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能等。如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能技術(shù)分類

電化學(xué)儲(chǔ)能是目前應(yīng)用廣泛的一種儲(chǔ)能方式，主要包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。物理儲(chǔ)能則包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。熱儲(chǔ)能主要通過儲(chǔ)熱材料將熱能儲(chǔ)存起來(lái)，而化學(xué)儲(chǔ)能則利用化學(xué)反應(yīng)過程儲(chǔ)存和釋放能量。隨著可再生能源的快速發(fā)展和智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，儲(chǔ)能技術(shù)將在能源系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色。它不僅有助于提高可再生能源的利用率，減少對(duì)化石能源的依賴，還能夠推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.2.1 高效能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娔芨咝У剞D(zhuǎn)換為其他形式的能量（如化學(xué)能、機(jī)械能、熱能等）并儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)再將其轉(zhuǎn)換回電能。以電化學(xué)儲(chǔ)能為例，鋰離子電池具有高能量密度和高效率的特點(diǎn)，能夠快速響應(yīng)電力需求變化。

1.2.2 靈活性和可擴(kuò)展性

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活配置，從小規(guī)模的家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)到大規(guī)模的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)使其可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求。

1.2.3 快速響應(yīng)能力

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)電力需求的變化，這是傳統(tǒng)發(fā)電方式難以實(shí)現(xiàn)的。這種快速響應(yīng)能力對(duì)于平衡電網(wǎng)頻率、提供備用電源和支持電力市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2.4 環(huán)境友好性

許多儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較低的環(huán)境影響。例如，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)存和釋放能量的過程中不會(huì)產(chǎn)生有害排放物，熱儲(chǔ)能技術(shù)可以利用太陽(yáng)能等可再生能源進(jìn)行儲(chǔ)熱，減少對(duì)化石燃料的依賴。

1.2.5 多功能性

儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以儲(chǔ)存電能，還可以提供多種附加服務(wù)，如電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)?。這些服務(wù)有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.6 經(jīng)濟(jì)性

盡管初始投資較高，但儲(chǔ)能系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)可以通過提高能源利用效率、減少電網(wǎng)建設(shè)成本和降低備用電源成本等方面實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。此外，隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本正在逐步下降。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 光伏發(fā)電中的應(yīng)用

光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、逆變器、雙向DC-DC變換器、儲(chǔ)能電池等如圖2所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用不僅可以平滑輸出功率，還可以提高電能的利用率。具體而言，當(dāng)光照充足、光伏陣列產(chǎn)生的電能超過負(fù)載需求時(shí)，多余的電能可以通過雙向DC-DC變換器儲(chǔ)存在 儲(chǔ)能電池中；而在光照不足或夜間，儲(chǔ)能電池則可以釋放電 能，補(bǔ)充光伏陣列發(fā)電的不足，從而保障供電的連續(xù)性和穩(wěn) 定性。

為了提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，需要對(duì)儲(chǔ)能電池 進(jìn)行選擇，可以采用液流電池、鋰離子電池、鈦酸鋰電池等 多種儲(chǔ)能技術(shù)。不同類型的儲(chǔ)能電池在能量密度、充放電效 率、使用壽命、成本等方面各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng) 景和需求進(jìn)行合理選擇 。同時(shí)，需要對(duì)智能能量管理系統(tǒng) （EMS）進(jìn)行優(yōu)化和配置，以有效協(xié)調(diào)光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系 統(tǒng)和負(fù)載之間的能量流動(dòng)。EMS通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏陣列的 發(fā)電情況、儲(chǔ)能電池的充放電狀態(tài)以及負(fù)載需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整 系統(tǒng)的運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)能量利用率。例如，EMS 可以在電價(jià)較高時(shí)優(yōu)先使用儲(chǔ)能電池供電，降低用電成本； 在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，EMS可以迅速切換到儲(chǔ)能模式，保障 供電的連續(xù)性

圖2 光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)

2.2 地?zé)崮馨l(fā)電中的應(yīng)用

地?zé)崮馨l(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括地蒸汽機(jī)組、蓄熱裝置、 儀器儀表監(jiān)控系統(tǒng)、蒸汽機(jī)組、電能儲(chǔ)存裝置等。其中，地 熱水泵站負(fù)責(zé)將地下的高溫地?zé)崃黧w抽取到地面。這些流體 可以是高溫水或蒸汽，取決于地?zé)豳Y源的類型。然后將這些 流體輸送到蓄熱裝置中進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)。蓄熱裝置可以根據(jù) 需要將高溫流體的熱能轉(zhuǎn)化為電能，或者在需求低谷期保存 熱能，在需求高峰期釋放熱能，以此來(lái)平衡供需。儀器儀表 監(jiān)控系統(tǒng)是通過對(duì)蓄熱裝置與蒸汽機(jī)組溫度、壓力、流量等 參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，確 保發(fā)電系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行 ?，F(xiàn)代化的監(jiān)控系統(tǒng)還可以 與儲(chǔ)能裝置聯(lián)動(dòng)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整儲(chǔ)能策略，實(shí)現(xiàn)能 源的至優(yōu)配置。

蒸汽機(jī)組是利用地?zé)崃黧w中的熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電的 關(guān)鍵設(shè)備。高溫蒸汽通過管道輸送到蒸汽機(jī)組，推動(dòng)渦輪葉 片旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。蒸汽機(jī)組的效率和性能 直接影響地?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)的整體效益。為了提高發(fā)電效率， 現(xiàn)代蒸汽機(jī)組通常采用高效的熱交換技術(shù)的材料，以 減少熱能損失和設(shè)備磨損。電池儲(chǔ)能裝置在地?zé)崮馨l(fā)電中的 應(yīng)用主要是為了平滑電力輸出，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。地?zé)崮馨l(fā) 電具有一定的間歇性和波動(dòng)性，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電力輸出不足時(shí)迅速補(bǔ)充電力，同時(shí)在電力過剩時(shí)存儲(chǔ)電能，以備 后用 。常見的電池儲(chǔ)能技術(shù)包括鋰離子電池、鈉硫電池和 全釩液流電池等。這些電池系統(tǒng)不僅具有快速響應(yīng)能力，還 能在一定程度上延長(zhǎng)地?zé)崮馨l(fā)電設(shè)備的使用壽命。地?zé)崮馨l(fā) 電儲(chǔ)能流程如圖3所示。

圖3 地?zé)崮馨l(fā)電儲(chǔ)能流程

2.3 風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用

在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括平滑輸出功率波動(dòng)、頻率調(diào)節(jié)與電壓支撐、削峰填谷、備用電源等方面。在平滑輸出功率波動(dòng)方面，由于風(fēng)力的不穩(wěn)定性，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率會(huì)隨之波動(dòng)，甚至在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的起伏。此類波動(dòng)不僅影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還可能對(duì)用電設(shè)備造成損害。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過及時(shí)儲(chǔ)存和釋放電能，平滑風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)。例如，在風(fēng)速較高時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以儲(chǔ)存多余的電能，而在風(fēng)速降低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放電能，保證輸出功率的穩(wěn)定性。在頻率調(diào)節(jié)與電壓支撐方面，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率

波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓的變化，進(jìn)而影響電力質(zhì)量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過快速響應(yīng)，參與頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐。當(dāng)電網(wǎng)頻率因負(fù)荷增加而下降時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速釋放電能，提高頻率；反之，當(dāng)頻率因負(fù)荷減少而上升時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收多余電能，降低頻率，實(shí)現(xiàn)電壓支撐功能，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。削峰填谷方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)充電，在負(fù)荷高峰時(shí)放電，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷，優(yōu)化電網(wǎng)的負(fù)荷分布，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率 。在備用電源方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以作為備用電源，提供應(yīng)急電力供應(yīng)。當(dāng)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)故障或風(fēng)力驟減時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，提供必要的電力支持，保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電。

2.4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電中的應(yīng)用

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電儲(chǔ)能是通過燃料供給系統(tǒng)將天然氣輸送到燃燒室。天然氣在燃燒室內(nèi)與空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?。這些高溫高壓的燃?xì)庋杆倥蛎洠⒘鹘?jīng)透平葉片，推動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)。透平葉片通過軸連接到發(fā)電機(jī)，透平的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而在定子中產(chǎn)生電流，完成電能的轉(zhuǎn)換。將電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以便在電力需求高峰期或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行釋放和使用。如圖4所示。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電儲(chǔ)能過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以幫助平衡燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的輸出波動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)和停止時(shí)間較長(zhǎng)，且燃料燃燒效率和發(fā)電效率容易受環(huán)境溫度和負(fù)荷變化的影響。

通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可以在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)償輸出功率的波動(dòng)，確 保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在負(fù)荷較低時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的效率較低， 部分燃料會(huì)被浪費(fèi)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在這種情況下存儲(chǔ)多余的 電能，并在電力需求高峰期釋放，減少燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)和停 止次數(shù)，從而提高整體的能源利用效率。 此外，通過安裝儀器儀表對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，結(jié)合智能控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng) 的精準(zhǔn)管理。通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中的各種參數(shù)，如燃 料消耗率、發(fā)電功率、排放物質(zhì)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以為儲(chǔ)能 系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略。 在電力需求波動(dòng)較大的情況下，智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并有 效降低燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行成本。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電儲(chǔ)能工作流程

3、平臺(tái)介紹

3.1平臺(tái)簡(jiǎn)介

安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。既可以用于儲(chǔ)能一體柜,也可以用于儲(chǔ)能集裝箱,是專門用于設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺(tái)。

3.2產(chǎn)品規(guī)格

3.3系統(tǒng)功能

3.4應(yīng)用范圍

3.5配套產(chǎn)品

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用在提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性方面起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，通過合理的 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置和運(yùn)行策略，可以有效平衡不同時(shí)間段的能源 供需矛盾，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。例如在光伏發(fā)電中可以 通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)峰填谷功能，有效降低光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)傳 統(tǒng)電網(wǎng)的依賴度，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的可控性提升，進(jìn)而提高電網(wǎng) 的安全性和穩(wěn)定性。因此，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行深入分析 和研究，對(duì)于推動(dòng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。