“新能源發(fā)電‘靠天吃飯’？儲能技術如何破解棄風棄光困局？”

程瑜 187 0211 2087

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的比例的逐漸*大，新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性、間歇性、波動性等問題也逐漸凸顯，新能源發(fā)電所存在功率波動和出力難以預測，難以有效調(diào)度的問題日益顯著，進而對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重的影響。 將儲能技術應用于新能源電力市場，能夠承擔新能源波動造成的功率差額，降低對負荷及電網(wǎng)的沖擊。 文章主要分析儲能技術在新能源電站并網(wǎng)中的實際應用，通過儲能技術的應用，從而調(diào)節(jié)電能的收集與釋放，實現(xiàn)維持電網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定的目的。

關鍵詞：新能源；儲能技術；發(fā)電并網(wǎng)；應用

1.引言

“雙碳”戰(zhàn)略目標的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電憑借其綠其綠色可再生而得到廣泛應用，且受到行業(yè)重視。 但由于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的復雜性，在新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，較為重要的幾類組件包括，電功率追蹤設備、儲能裝置及并網(wǎng)逆變設備等，為實現(xiàn)既定的發(fā)展目標，應用儲能技術，規(guī)避其對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，在提升新能源發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)比值的同時，確保電網(wǎng)始終保持穩(wěn)定。

2.技術背景

2.1.新能源資源分布

我國國土面積相對來說較為遼闊，根據(jù)研究調(diào)查顯示，我國新資源較為豐富，且大部分地區(qū)每 年的日照時間在2000h以上，對年輻射量進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)整體超過5000MJ/㎡，為新能源電站的建設提供了強有力的支持，保證了新能源電站運行的穩(wěn)定性。 為了進一步研究新能源電站建設的可行性，我國對國內(nèi)不同地區(qū)進行了較為深入的研究和分析，可以將全國區(qū)域內(nèi)的不同省市根據(jù)新能源能的利用情況，分為4類別，*一類年輻射量6700-8370MJ/㎡，*二類年輻射量為5400-6700MJ/㎡，*三類年輻射量4200-5400MJ/㎡，*四類年輻射量不超過4200MJ/㎡。從綜合性的角度來看，*一類以及*二類的新能源能資源更為豐富，比如說青藏、甘肅內(nèi)蒙古、河北、遼寧、山東以及廣東、新疆等省市區(qū)域，此類區(qū)域更適合進行新能源電站的建設，太陽能資源更為充足，尤其是青藏高原、甘肅、內(nèi)蒙古以及寧夏等，新能源資源分類可見表１。

表1.新能源資源分類

2.2.新能源電站并網(wǎng)發(fā)展運行現(xiàn)狀分析

近年來，我國已經(jīng)意識到新能源電站建設發(fā)展的重要性以及優(yōu)勢和價值，為新能源電站的發(fā)展建設提供了一定的活力和支持，相關技術不斷地發(fā)展和進步，也為新能源電站并網(wǎng)奠定了堅實的基礎。根據(jù)研究調(diào)查顯示，2022年全國新能源發(fā)電新增裝機1.25萬千瓦，同比增長21％ ，由此可見新能源電站的建設程度以及發(fā)展速度。從我國地理條件來看，西部區(qū)域的新能源資源相對來說更為豐富，因此，我國在建設新能源電站的過程中主要以西部區(qū)域為主，但是也存在一定的問題，從經(jīng)濟結構的角度來看，西部區(qū)域的發(fā)展較為落后，在技術以及管理方面都存在一定的問題，這也對并網(wǎng)造成了一定的不良影響，導致轉化的電力資源無法有效輸出至電網(wǎng)系統(tǒng)之中，出現(xiàn)棄光的情況，據(jù)研究調(diào)查顯示，截止在2022年，西北地區(qū)棄光率雖有所下降，但還未達到理想狀態(tài)。 為解決這一問題，我國相關部門將新能源電站的建設轉移至中東區(qū)域，這樣可以降低棄光量以及棄光率，但是此種方法治標不治本，未能從根本上解決問題。 而西北地區(qū)的新能源能資源豐富，依然是新能源電站建設的重要區(qū)域，因此如何從根本上解決問題是當前研究的*點內(nèi)容，也是提升網(wǎng)系統(tǒng)接收新能源電力的關鍵。近年來，儲能技術逐漸走近大眾視野，成為*點研究對象，其具有響應特性好、壽命長以及可靠性高等特點，被應用于多個行業(yè)與領域之中，新能源電站并網(wǎng)也可以積*應用此項技術。

3.儲能技術在新能源電站并網(wǎng)中應用的重要性

3.1.有助于提升運行速率

儲能技術在實際應用的過程中，整體速率較高，可以更好地進行響應，提升了有功功率與無功功率的收斂以及交換，節(jié)約了一定的時間資源。并且，在此過程中，電壓的變化相對來說比較小，避免出現(xiàn)電壓急速加強的情況，同時也可以避免電壓電流出現(xiàn)畸變的情況，以此保證新能源電站并網(wǎng)的安全性以及穩(wěn)定性，保證為電網(wǎng)系統(tǒng)輸入高質(zhì)量電力資源。

3.2.有助于提升經(jīng)濟效益以及社會效益

儲能技術在實際應用的過程中，可以保證新能源電站運行的經(jīng)濟效益以及社會效益，同時也可以提升新能源電站運行的安全性，避免發(fā)生安全事故。 現(xiàn)階段，我國西部新能源電站在實際運行的過程中，存在棄光的情況，輸出的電力資源相對來說比較少，對經(jīng)濟利益造成了嚴重的不良影響，而在儲能技術的支持下，可以有效解決此類問題［２］。 在儲能技術的支持下，新能源電站可以將未能有效傳輸?shù)碾娏Y源進行儲存，如果后續(xù)運行的過程中出現(xiàn)發(fā)電量低于閾值時，可以利用儲存的電力資源，將其進行傳輸，將其傳輸至電網(wǎng)系統(tǒng)之中，進而保證為社會發(fā)展以及居民日常生活提供充足的電力資源。 儲能技術的應用，解決了棄光的問題，以此提升新能源電站并網(wǎng)的經(jīng)濟效益以及社會效益。

3.3.有助于提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

儲能技術在不斷地進步和發(fā)展，研究人員對其進行深入地研究和分析，發(fā)現(xiàn)其對于保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面發(fā)揮著重要的作用和價值。 儲能技術在實際應用的過程中，保證了輸電的穩(wěn)定性，進而提升電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，以此保證為社會發(fā)展與居民日常生活提供充足的電力資源。 儲能技術在實際應用的過程中，主要是提升相關設備運行的安全性，進而避免出現(xiàn)波動性或者是間歇性的故障問題，進而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及電力資源質(zhì)量。

4.儲能技術在新能源并網(wǎng)中的應用

我國主要以火力發(fā)電為主，但是其在實際運行生產(chǎn)的過程中，存在一定的缺陷，對環(huán)境以及資源造成了一定的影響。 相關部門提出，電力系統(tǒng)在生產(chǎn)建設的過程中，需要加大新能源電站的建設與運行，將其作為電力系統(tǒng)建設的核心內(nèi)容之一。 而儲能技術是幾年來提出的一種新型技術，其在實際應用的過程中具有較強的應用優(yōu)勢和價值，為整體發(fā)展建設奠定了堅實的基礎，具體技術應用如表2所示。 在新能源電站并網(wǎng)中也可以應用此項基礎，解決了新能源電站并網(wǎng)出現(xiàn)的問題。

表2. 各項技術對比

為保障儲能效果，提升新能源發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量，除了應用單個儲能技術外，也可結合多個儲能技術，比如超導儲能和蓄電池儲能技術結合、和超導電容器儲能技術結合。

4.1.飛輪儲能技術

飛輪儲能技術是儲能技術中的一種，其應用相對來說比較廣泛，而且整體運行操作較為簡單。飛輪儲能系統(tǒng)在實際運行的過程中，主要是依靠電動機，其在運行的過程中帶動飛輪，使其高速轉動，進而將多余的電能轉化為動能，進行儲存，此方式為混合儲能主要方式之一，可如圖1所示。其在實際應用的過程中，可以在有需要的情況下使其運行即可，因此從整體性的角度來看，其可以節(jié)約一定的資源。

飛輪儲能技術在實際應用的過程中，相關工作人員為了進一步提升資源的有效利用率，降低發(fā)電機的整體運行損耗，應用了超導磁懸浮技術，其在實際運行的過程中，在復合材料的支持下，可以提升整體儲能密度，進而保證電力資源的轉換，同時此項技術的應用也在一定程度上降低了整體系統(tǒng)的體積，占地面積相對來說比較小。 飛輪儲能系統(tǒng)在實際應用的過程中，在**的技術的支持下，對材料等進行了相應的優(yōu)化，實現(xiàn)了儲能技術轉化提升的目的，當前飛輪儲能系統(tǒng)在應用的過程中，整體轉化率高達93％。 飛輪儲能系統(tǒng)在實際應用的過程中對于環(huán)境的依靠程度相對來說比較高，在建設的過程中，需要保證環(huán)境的真空度，這樣才能保證整體系統(tǒng)發(fā)揮*大的作用和價值。 飛輪儲能系統(tǒng)在運行的過程中，其不會產(chǎn)生大量的摩擦，因此整體設備的損耗相對來說比較小，提升了整體使用年限，同時其降低了后續(xù)維修與養(yǎng)護的成本支出。

4.2.蓄電池儲能技術

在儲能工作開展中，蓄電池儲能技術的應用*早，在行業(yè)中的應用時間也*長，當前已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妗?從以往情況來看，經(jīng)過科學家們的不斷研發(fā)后，蓄電池的容量不斷擴大，使得儲存容量得到提高，增強了其儲存性能，為人們的日常生活提供了便捷。 發(fā)展到現(xiàn)階段下，常規(guī)的鉛酸蓄電池容量以20wm為主，與*初的蓄電池容量進行比較，增強近100倍左右，其主要被應用在風力發(fā)電的電力系統(tǒng)中，這主要是因為鉛酸電池在應用過程中，不僅成本較低，而且對使用環(huán)境的要求較低，為風力發(fā)電的應用提供了基礎。 但是實際情況來看，鉛酸電池的應用也存在一定的不足，在達到使用壽命后，無法實現(xiàn)無害化處理，對環(huán)境的影響較大，這是導致此類電池無法大面積使用的一大因素。 而就鎳氫電池來說，其在 2008年北京奧運會中便已經(jīng)得到了應用，其中北京地區(qū)的電動車大多是將鎳氫蓄電池進行應用，作為電動車的移動電源進行使用，效果較好。 但是鎳氫電池的能量密度容易受到外界因素影響，在環(huán)境變化的情況下，放電電流會減少，其對應的容量密度會在 80kwh/kg，但在放電電流較大時，能量密度會減低到 40kwh/kg。 同時鋰離子電池也是當前社會中常用的儲能技術，但是此類電池制作技術相對復雜，容易受到外界環(huán)境的影響，因此其通常無法在風力發(fā)電中進行應用。 *后，就全釩液流電池來說，其應用通常需要電解液和汞之間進行相互作用，實現(xiàn)電*表面的氧化還原反應，促進電池放電，目前來看，此類電池是研究的主要方向，未來將具有一定潛力。

4.3.超導儲能技術

超導儲能技術在實際應用的過程中與飛輪儲能技術之間存在一定的差異性，超導儲能系統(tǒng)在運行的過程中，主要是將電力資源轉化為磁場能力，實現(xiàn)儲存的目的，當需要的時候再轉化為電力資源，為電網(wǎng)系統(tǒng)提供支持。 超導儲能系統(tǒng)更為**，可以長期對于未應用的電力資源進行儲存，而且整體運行的損耗較小，但是整體利用率比較高，在一定程度上解決了棄光的問題。 超導儲能系統(tǒng)在將電力資源轉化為磁場能量的過程中，無需消耗大量的時間資源，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)能量的轉換，對比于飛輪儲能系統(tǒng)，其整體工作效率提升了98％左右。 超導技術在實際應用的過程中，整體性能良好，具有較強的動態(tài)性，且整體響應時間較短，因此成為當前應用廣泛的一項技術內(nèi)容，主要鯨旗應用于輸配電網(wǎng)撐等方面從根本上保證運行的穩(wěn)定性。

4.4.超*電容器儲能技術

此技術的應用具有較大的脈沖功率，在使用此技術對電容器進行充電時，可促進其對電*表面的異性離子進行吸引，從而促進吸引力的增強，使其在電*表面進行依附，形成雙層電容。 通常情況下，此技術被應用在電力系統(tǒng)中，作為電能質(zhì)量高峰值功率的使用，其可對電壓情況進行監(jiān)測，在出現(xiàn)電壓跌落嚴重的情況時可立即放電，對電壓進行穩(wěn)定，促進持續(xù)性生產(chǎn)。 而且超*電容器儲能技術還能夠促進多次重復循環(huán)穩(wěn)定電流的產(chǎn)生，避免對電容器造成損害。 但就目前來看，我國對此技術的研究相對較晚，技術使用還存在不足，還需要在未來發(fā)展中加強研究，促進其儲能技術的不斷增強。

5.技術方案

為了解決社區(qū)或工業(yè)園區(qū)*能源系統(tǒng)的智能化管理和控制問題，擬開發(fā)一套**的光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于嵌入式技術的硬件控制器和主控系統(tǒng)兩部分組成，立足于為商業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代化社區(qū)或新型城鎮(zhèn)等多種能源利用場景提供定制化服務，提高用能的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。整體技術方案及功能如下：

（1）開發(fā)基于嵌入式技術的邊緣控制器，主要功能為通信功能、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護以及智能化控制和能量管理。

（2）開發(fā)一套能量管理主控系統(tǒng)，除具備SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控、保護、數(shù)據(jù)存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。

（3）開發(fā)不同控制和能量管理功能的軟件模塊，可自由組合調(diào)用，實現(xiàn)多目標優(yōu)化控制。

（4）該系統(tǒng)硬件設備及軟件程序均具有高度的兼容性，支持各類通信協(xié)議的端口及軟件程序，可實現(xiàn)對光伏、風電、天然氣、電采暖、電儲能、熱儲能等各種能源形式的管理。

5.1系統(tǒng)框架搭建

光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用“云-邊-端”協(xié)同的能量管理系統(tǒng)架構，通過“本地計算＋云端優(yōu)化”的協(xié)同方式，實現(xiàn)系統(tǒng)在線優(yōu)化升*，也降低了網(wǎng)絡通信的依賴。系統(tǒng)架構如圖1所示。

系統(tǒng)框架分為配電網(wǎng)調(diào)度層、微電網(wǎng)集中控制層、就地控制層。就地控制層包括發(fā)電電源、儲能系統(tǒng)、負載及交直流（DC/AC）控制部分。微電網(wǎng)集中控制層包括控制*心，由監(jiān)測單元和統(tǒng)計分析組成，監(jiān)測單元按照監(jiān)測對象不同包含發(fā)電、儲能、負載3部分。發(fā)電監(jiān)測其*點電壓、電流、功率等參數(shù)；儲能監(jiān)測內(nèi)容包括電壓、電流、功率及荷電狀態(tài)等；負載監(jiān)測包括類型、功率、用電量等；而統(tǒng)計分析利用多種展示形式，分析各部分的運行狀態(tài)及決策處理。保護部分分別對儲能、電源、用戶進行保護，計量部分通過電表進行電費結算。配電網(wǎng)調(diào)度層有調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)統(tǒng)計分析結果進行能源調(diào)度，實現(xiàn)能源的優(yōu)化利用。

5.2軟硬件設計

5.2.1儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)包括儲能蓄電池和逆變器兩部分。儲能蓄電池可以是鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、飛輪儲能系統(tǒng)；逆變器的作用是控制儲能部分，并進行交直流逆變。逆變器有功率閉環(huán)運行和電壓閉環(huán)運行兩種工作方式，分別在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種狀態(tài)下運行。逆變器直流側電壓為儲能系統(tǒng)工作電壓，交流側電壓常用380V或400V母線電壓。儲能系統(tǒng)還配置了電池管理系統(tǒng)，用于實時檢測儲能單元的電壓、電流、溫度等參數(shù)，通過高精度剩余電量及電池健康度估算，評估蓄電池的放點電流，并上傳監(jiān)控參數(shù)。

5.2.2能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)研究冷、熱、電、氣物理量的低耗電量無線傳輸技術以及模塊化組網(wǎng)通信技術，開發(fā)嵌入式邊緣控制器。主要功能為通信、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護，以及智能化控制和能量管理功能。

5.2.3微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)基于瀏覽器和服務器（B/S）架構模式的能源管理云平臺設計技術，除具備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)的監(jiān)控、保護、數(shù)據(jù)存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。主控系統(tǒng)具有高度兼容性和可擴展性，可根據(jù)不同的應用場景組成定制化系統(tǒng)架構以及實現(xiàn)監(jiān)控保護功能。

5.3性能參數(shù)

系統(tǒng)具有高度兼容性和可擴展性，可根據(jù)不同的應用場景組成定制化系統(tǒng)架構，并提供相應的控制管理策略，以及監(jiān)控保護功能。在此過程中，不僅支持各類能源之間的調(diào)度和分配，同時考慮電熱轉換、電冷轉換等不同類型能源形式之間的交叉耦合利用。

系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 技術參數(shù)表

6.系統(tǒng)功能

6.1.實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

6.2.設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

6.3.曲線報表

系統(tǒng)能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

6.4.策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

6.5.實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

6.6.事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

6.7.遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

6.8.用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同*別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.9儲能電表產(chǎn)品選型

7.結語

新能源電站并網(wǎng)在實際運行的過程中，儲能 技術在其中發(fā)揮著重要的作用和價值，為電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性奠定了堅實的基礎，同時也可以從根本上避免出現(xiàn)棄光的情況，提升資源的有效利用率。儲能技術越來越成熟，其在實際運行的 過程中，實現(xiàn)了削峰填谷的目的，當社會發(fā)展過程 中出現(xiàn)突發(fā)狀況時，新能源電站可以為其提供應電源，保證整體輸供電的穩(wěn)定性以及安全性，并優(yōu)化電網(wǎng)特點以及電力質(zhì)量。

參考文獻

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審核編輯 黃宇