复合储能技术在主动配电网中的运用研究

2022-11-25彭田陈雪圆

电器工业 2022年8期

彭田陈雪圆

（1.安徽理工大学电气与信息工程学院 2.国网肥西县供电公司）

0 引言

安全、优质、低成本是当今社会对电力系统提出的基本要求，也是后续几年中各地电网的共同发展目标。在全球经济一体化及科技迅猛发展的背景下，电力系统的运行状态及需求也出现明显改变，各种新用电装备在人们生产生活中广泛应用，以致电网内敏感负荷持续增多，电力用户对电能质量及供电过程可靠性提出更高的要求。将储能技术用在电力系统建设中，在确保供电活动可靠性的基础上，能显著改善电能质量，提升能源利用效率，帮助电力企业，谋得更多经济利润。

1 复合储能技术的主要特点

储能技术形式多种多样，目前抽水蓄能在我国电力行业已经实现广泛应用。结合主动配电网建设规模、运行特点等情况，电池类、超级电容器、飞轮储能等配电网内常用的储能技术类型，适用性整体偏高。对于铅酸、锂离子、钠硫电池等蓄电池储能形式，虽然在技术层面上抵达的成熟度有差别，但现实运用中都达到了大容量储能，以上这种类型的储能可以被叫做能量型储能。在储能过程中表现出自损耗低、储能时间较长等优势，但循环使用寿命较短暂、响应速率较迟缓，可以被用在削峰填谷、负荷调控领域或者作为备用电源。与蓄电池相比较，飞轮和超级电容器储能技术的特点主要集中在功率密度高、循环寿命长、响应快速等方面[1]。该类储能技术最大的特征是具备短时大功率充放电的能力，且对充放电过程具备一定承受能力，可以被叫作功率型储能，将其在配电网项目建设中发挥短时功率支持、能量缓冲及提升电网质量等作用。

复合储能技术有效运用各类储能技术的优势，互补运作，较好地满足了电网系统的现实运行需求。且国际上有大型储能电池公司正在积极开发适用于高功率充放电工作模式的储能电池产品，配合运用功率型电池和传统能量型电池，使储能电池更好的满足调频、调峰、削峰填谷等诸多工作模式。

2 复合储能技术在主动配电网中的应用

（1）削峰坡谷

电力负荷自身存在着昼间高峰与夜间低谷的周期式变化，负荷峰谷差通常占总发电出力的30%~40%，当今社会环境中电网负荷的峰谷差数值呈现出不断扩增趋势，电力系统调峰压力巨大[2]。造价十多年前，国家电力相关部门针对电力需求侧改革联合下达相关文件，提出十多项管理及激励办法，做出完善峰谷电价制度的体制，倡导实现低谷蓄能等。

众所周知，储能站被直接接到配网，能够在用电低谷时期作为负荷储能，于用电高峰时段作为电源将电能释放出来，以上这种形式有益于减弱峰谷差，进而间接的减少峰值负荷，对于电力系统来说等同于改善负荷属性，对电力系统的负荷水平及负荷转移过程等实现了有效管控。直接给电网带来的益处有：降低系统对备用容量及调峰调频机组的需求；减少系统输电网的能量损失，降低设备成本投入，提升配电装置的利用效率；减少火电机组进行调峰的频次，提升发电效率，进而创造更多经济利润。

（2）抑制电网振荡现象

机组运行阶段，任何微小干扰诱发的动态不均衡功率均会引起振荡现象，发电机附加励磁控制能取得较好的抑制效果，但是如果面对的是大型复杂互联系统内发生的区域间多模式低频振荡情况，有效性最强的控制点位可能处于和机组相距甚远的某条输电线上，若此时采用远距离系统实用性最强的发电机组励磁加以抑制管理，很难取得理想的控制效果。

事实证明，若大容量、快速响应的储能装置能促进电力系统在任何工况下实现功率的完全平衡，以上是一种主动式致稳的思想理念。主要是因为这种电力系统稳控装置无需与发电机励磁系统协同作用，故而可以更加便利的用在系统内，可以将其视为抑制振荡的最有效位置。储能系统实际运用时能给电网提供1~2s有功功率补偿，各机组在遭受干扰以后陷入暂态的过程中，依然能维持同步运转状态，规避系统崩溃这种恶性事件。

SMES具备ms级响应、大容量最功率/能量传输的属性，实际应用时能明显增强电网动态安稳性，当电力系统运行期间突发故障问题或受到干扰时能迅速地吸收/发出功率，减弱与消解掉扰动因素给电网造成的冲击，消散互联系统内的低频振荡现象，有效抑制同步振荡与谐振过程，且在干扰解除以后缩短暂态过渡过程，促进电力系统快速复原稳定状态，显著增强系统运行的可靠性[3]。

（3）改善电能质量

合理运用大容量储能技术能明显改善配网电能质量，巩固并提升系统电压的稳定性；为系统提供备用资源，包括调峰、调频、调相、电力稳定器等。

如果用户端对电能质量或电压波形提出较高要求时，就需在负荷侧连接储能系统，配合运用高端的电子电力技术，有益于减轻系统的谐波畸变[4]。达到高效的有功功率调控与无功管控，促进系统内不同因素造成的不均衡功率实现平衡过程，解除电压凹陷与凸起现象，将整个系统内各机组和负荷节点的电压维持在正常水平上，提升负荷母线电压的平稳度，确保广大电力用户电压波形的平滑性，进而显著提升供电的电能品质。

从技术层面上分析，当下运用的储能装置是为各个用户提供连续的优势供电电源，且能使用户自行选择何时经配电回路由电网获得电能或朝向电网回馈电能。明显增强用户用电过程的可靠性，停电事件发生频次、时间及造成的损失显著降低，创造出更多的经济及社会效益。

（4）延缓配网升级，减少成本投入

如果某一电力线路实际负荷超出其容量设计时，则要对配电网进行升级或增建干预，传统方法是升级或增建变压器、输配电线路等，成本很高，特别是人员密度大的市区。

近些年，储能技术日益成熟及相关装置制造成本不断降低，电力企业面对负荷增加将要超出负载能力的状况时，电力企业可以尝试：①在过负荷状况很少发生且过负荷现象只出现在某天的数小时中；②负荷增加过程迟缓；③电网升级费用高，通过小容量储能方式能延缓较大的投资过程，“杠杆”作用十分显著；④传统的升级办法不能顺利实施，例如无线路走廊，受限于环境、美观性要求等因素而无法敷设线路时，通过在过负荷节点安装小容量的储能设备有助于延缓电网升级引起的较大成本投入情况，配网升级进程也会被延缓[5]。

储能技术应用时若能形成规模化效应，则能辅助提升发电、输配电设备的利用效率，降低相关电源及电网建设投入，引领电力系统由传统外延扩张型转变成内涵增效型。

3 复合储能的技术发展方向

（1）储能单元技术

处理储能单元技术是复合储能未来发展中需要进行的首项工作。当前，超级电容器储能、飞轮及超导储能、各类先进电池储能因自身存在容量问题而很难用在大型电力系统内。伴随世界各国对电动汽车科技发展情况重视度不断提升，锂离子电池凭借自身优良的性能被用在该领域内，带动该项储能技术的发展进程，和其他化学电池相比，其技术、性价比更占优势。在储能产业内，锂离子电池的能效转换率最高，其使用寿命很长，在电力储能方面适用性很强，在国内外已经建设了完善的产业链[7]。

当前，储能领域采用的大部分锂离子电池是动力电池牵引而来，具备动力电池的生产性能，材料可靠性高，但面对兆瓦级储能电站多运用场所的规划与管控还有很大的完善空间。我国大部分储能电站尚未建设出短时调频等需高功率充放电的作业模式，但美国A123与Alraimano等公司在高倍率储能电站开发建设方面已经做出巨大投入，使储能型电池更好的适用于调频、调峰、削峰填谷等诸多作业模式[6]。这预示着储能电站将会创造更多的商业价值适用于更多场所，当然对储能系统的性能也会提出更严格的要求。

（2）储能调控技术

为了使复合储能技术的性能充分发挥出来，要联合运用、协调管控具备快捷响应及具备大容量特性的储能系统，借此方式使电网获得完全消纳间歇式新能源发电的功能。当前组合储能单元时多运用如下方式：其一是电容叠加电池，其二是功率型配合能量型电池。关于大规模储能电站运转对策的研究主要集中在复合储能的运用措施及工作特征方面，结合各项储能技术的特征，探讨不同储能单元的调控技术，促进储能单元之间的实时通信，掌握各单元电能信息，协调控制智能化调整过程，在配电网内顺利切换不同工作模式，提升配电网对能源的消纳效果。

（3）优化复合储能经济特性

经济成本是限制大容量储能系统推广应用的一项主要因素，近些年储能技术在电网内的作用逐渐被认识，特别是复合储能系统聚集了多项储能技术的优越性，较好的满足了电网运行需求，经济价值明显提升。在复合储能系统内，科学配置多种储能技术，延长系统使用寿命是后期研究工作中的重点，伴随储能技术成熟度的提升，其生产成本也会相应减少。