储能技术在电力系统中的应用

2021-06-17王涵姚兴

电子制作 2021年10期

王涵，姚兴

（河南师范大学国际教育学院，河南新乡，453007）

储能技术以其自身所具备的诸多优势，在电力系统中得到广泛应用。但从实际情况来看，单独的储能技术或多或少存在一定的缺陷，影响了实际的应用效果。为使储能技术在电力系统中的应用优势得以最大限度地发挥，需要通过有效的方法，弥补这些技术缺陷。比较简单的方法是复合储能技术，通过一些技术措施，将不同的储能技术有机结合到一起，以此来提升该技术在电力系统中的应用效果。

1 储能技术的主要类型

从本质的角度上讲，储能技术即存储电能，这是一项比较先进且实用的技术，它的提出及其在电力系统中的应用，使一些传统的问题得到有效解决。该技术的主要类型如下：

■1.1 机械储能

这是比较成熟的储能技术，较具代表性的有抽水蓄能和压缩空气储能。

1.1.1 抽水蓄能

该储能方式在电能储存中的应用较为广泛，其最为突出的特点是存储容量大。相关统计数据显示，我国抽水蓄能装机容量居于世界首位，截止到2020年末，投运的抽水蓄能机组总容量已经超过4000万kW。抽水蓄能机组的运行效率大约在75%左右，使用年限约为50a，适用于电力系统调峰、调频等环节。唯一的不足是机组建设周期过长且前期投资较大。

1.1.2 压缩空气储能

该储能方式主要是借助分子内力进行发电。当电力负荷处于低谷期时，通过空气压缩，可将电能存储到相应的容器当中。待到用电高峰期时，可对压缩的空气进行释放，借此来对涡轮机进行驱动，从而达到发电的目的。这种储能方式的特点体现在如下几个方面：能量的转换效率非常高、且存储容量较大、运行时间长。该技术在发达国家应用的较为广泛，典型的项目如表1所示。

表1 国外压缩空气储能典型项目

■1.2 电磁储能

电磁储能是一种较为先进的储能形式，大体上可细分为以下两类：一类是超导磁，另外一类是超级电容器[1]。

1.2.1 超导磁储能

这种储能形式又被称之为SMES，它是利用超导线圈对电磁能进行储存，具有响应速度快、储能密度大等特点[2]。由于超导磁储能装置的造价相对较高，并且运行时会产生强磁场，从而制约了该储能方式的推广应用。

1.2.2 超级电容器

该储能形式的理论基础为电化学，利用电解质完成充电/放电，其特点是使用年限长、功率密度高、响应速度快等。在实际应用中发现，这种储能形式的能量密度比较低，耐压水平也不是很高，从而限制了其应用。

■1.3 电化学储能

这是一种利用电池完成电能存储与释放的过程，电池储能系统是该技术的主要储能形式，如锂离子、铅酸以及液流电池等[3]。其中锂离子电池的循环寿命比较长，且能量密度相对较高，但具体应用时发现，其安全性和稳定性偏低；铅酸电池的循环寿命较短，并且使用过程中会对环境造成污染；全钒液流电池的输出功率高，且响应速度非常快，结构简单、设计灵活，可实现模块化组合拼装，典型项目如表2所示。

表2 液流电池储能典型项目

2 储能技术在电力系统中的应用

■2.1 储能技术的作用

在相当长的一段时间里，我国的电力系统以火电为主，通过燃煤进行发电会对环境造成一定的污染，风电的出现使这一问题得到有效解决。风电以风能作为动力源，风是一种自然现象，具有随机、波动等特性，由此对风力发电的稳定性造成不利影响。通过储能技术，可以使风电出力变得更加稳定。

近年来，在全球性能源危机的背景下，利用可再生能源进行发电已经成为必然趋势。正因如此，使得风电和光伏发电在电力系统中的占比不断增大。然而可再生能源发电虽然能够缓解能源紧缺的现状，减轻环境污染，但这种发电方式却具有稳定性低、无法保证连续性等缺陷。以目前应用较为广泛的风电为例，风是这种发电方式的基础，而风速的变化具有不确定性，波动变化非常大，由此使得风电机组的输出呈现为波动性和间歇性的特点。从国内目前的总体情况来看，越来越多的风电接入到电力系统当中，其对电网运行的影响逐步显现，想要最大限度地发挥出风电的作用，并减轻其对整个电力系统的影响，就需要对储能技术进行合理应用。

■2.2 多元复合储能模式

在电力系统中对储能技术进行应用的过程中，除要考虑所选储能系统的技术性能之外，还应当将经济性作为考虑因素。不同的储能装置技术参数有所差别，具体包括以下几个方面：循环寿命、能量、周期效率等等。然而，现阶段并没有任何一种储能装置可以完全达到上述要求，解决这一问题最为有效的途径是多元复合储能。所谓的多元复合储能实质上就是将机械储能、电磁储能、电化学储能等不同类型的储能技术或装置，通过合理的方法组合到一起，形成一个全新的储能系统，该系统具备多种储能技术的性能，并且能够实现技术方面的优势互补。根据上文中对储能技术类型的分析，提出SMES与蓄电池复合的储能系统，通过该系统对风电场的功率波动进行平抑，确保风电处理的平稳性与可控性。

■2.3 复合储能系统的应用要点

本文提出一种全新的复合储能系统，它由两个不同的储能技术组合而成，一个是SMES技术，另一个是蓄电池技术。复合储能系统在风电并网中的应用模式如图1所示。

图1 风电并网系统中的具体应用模式示意图

超导磁的输出与蓄电池的输出相同，全部都是直流，为确保输出能够顺利接入到电力系统当中，需要对直流进行转换，使其变为交流，这个过程可以通过变流器来实现。变流器会按照控制器实时传输的指令，对两个储能单元的充电与放电过程进行精准控制，通过变流器与复合储能系统的协同运作，可实现电力系统电流的动态调节[4]。图1中各个部分的功率存在一定的数学关系，可用下式进行描述：

在上式当中，Pwind表示风电场的实际出力；sb P与P分别表示复合储能系统中两个储能单元的有功功率；Pgrid表示风电场与复合储能系统叠加在一起后的总输出功率的负值。本次提出的复合储能系统的电路拓扑结构如图2所示。

图2 复合储能系统电路拓扑结构示意图

从图2中可以清楚的看到，复合储能系统采用的是双向变流器，该变流器为电压源型，其在反馈无功能量的过程中，斩波器会同时输出电压和电流反向。故此，需要在开关位置处以反并联的方式加装二极管，从而使能量经由二极管后反馈给电源。用L表示系统侧滤波器和线路的电感等效，用R表示内阻与器件的开关损耗。C2是直流母线侧的电容，它的主要作用是提供稳定的直流电压，保证双向变流器的正常运行。超导磁本身具有电流源的特性，在这一前提条件下，需要通过并联的方式加装斩波器，对超导磁体两端的电压进行调节。因为蓄电池的电压源基本均为等效，所以只需要通过变流器对其工作电源进行调节即可。储能单元的能量变换由斩波器与变流器配合实现，在此基础上，可通过直流电流的形式，对能量进行存储[5]。之所以采用上述结构，与其所具备的优势密切相关，具体如下：复合储能系统中的储能单元能够拥有属于自己的独立变流器，这样便可按照上层传输过来的指令实现精确控制。

为便于研究，假设复合储能系统中两种不同储能装置同时处于充电和放电模式，且二者之间并无功率流动。在此前提下，变流器的工作状态共有4种。需要阐明的一点是，设计控制器时，以复合储能系统的功率和能量控制作为重点，变换器为理想器件，即不计算其运行时的损耗。

为确保复合后的储能系统能够保持运行稳定、可靠的运行状态，需要对其进行有效控制。基于此提出一个两层的控制系统，实现对复合储能的有效控制。该控制系统除了能够确定复合储能的功率需求之外，还能控制变流器的开关，在这一前提下，使储能装置完成充、放电。复合储能中，控制系统的控制重点是变流器，通过对变流器的控制，来达到调节电流和电容电压的目的[6]。对此，可以采用前馈解耦的方法进行控制，将电流调节作为内环，电容电压调节作为外环，这样能够使控制过程变得更加简单，具体可通过PI控制予以实现。