多元复合储能技术在电力设备能源自动集成中的运用研究

刘振宇

（国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000）

多元复合储能技术具有高效性、经济性的鲜明特征，其中集成了电池储能技术、飞轮储能技术、超导磁储能技术等多种新型技术手段，能够显著优化系统的负荷调节能力，降低设备冗余度，提升系统的响应反馈速度。新时期电网系统建设规模扩大、服务对象增多，接入的电力设备类型和规格也更加多样，如何利用好不同来源、不同格式能源，如何发挥多元复合储能技术的优势，缓解电力设备能源应用压力，成为诸多电网工作者关注的焦点问题，有必要进行深入探究。

1 基于多元复合储能技术的电力设备能源自动集成系统框架设计

多元复合储能技术即综合使用多种储能手段的集成技术类型，既包含物理储能、化学储能，也包含电磁储能，引入电力设备能源自动集成系统中，可以较好地缓解能源出力间歇性、波动性问题，使系统更加稳定、高效地运行。现阶段，我国新能源研究不断深入，适用的技术主要包含以下几类：（1）飞轮储能。主要利用电力电子变流器装置，对电动机、发电机状态进行实时管控，从而实现电能的存储和输出。（2）超磁导储能。该种储能装置通常由超导线圈、低温容器等结构组成，整体的响应速度极快，一般仅需1 ～5ms 即可给出反馈，储能效率更是达到了90%以上。（3）超级电容器储能。与常规电容器相比，该种储能方式的容量可以达到20～100 倍，能量密度高且循环潜力大，经过1 ～50 万次循环后，容量和内阻仍旧有较为惊人的表现，降幅一般不会超过10%～20%。（4）电池类储能。包含铅酸电池、钠硫电池等，发展时间较早，大容量储能较为可靠，但具有充放电速度较慢、充放电次数受限等局限性。不同储能技术性能特征可见表1。

表1 适用于电力设备能源自动集成的几种储能技术

本次选用飞轮储能技术、超级电容器储能技术、铅酸电池储能技术作为能源自动集成系统平台设计技术集，在前端设置能源采集模块，经过处理后由射频传输技术传送给储能模块，储能模块在特定算法支持下计算各单元的荷电状态，并实现能源的自动集成。所有能源存放在缓冲区内，当电力设备需要电能时，统一释放，以达到提升能源利用效率的目的。

2 基于多元复合储能技术的电力设备能源自动集成系统功能配置

2.1 设备能源采集板块

在能源自动集成系统中，电力设备需要根据实际情况反馈能源需求信息，采集并获取相关能源，以确保设备的持续平稳运行。因此，系统设计时，需要重点优化设备能源采集模块，综合考虑其可靠性与高效性，确保能源采集充足、适宜。本次设计实践中，为提升设备的运行效率和精简程度，采用了嵌入式处理器方式，在各电力设备中配置了TMS320C5504 DPS 处理器，处理器使用C55x 芯片，保安CPU、存储空间、片内外设等部分，内部设置了12 组独立总线，可以完成指令缓冲、解译、传送等工作任务。模块的刷新速度为200ms，最小有用电能变量为0.001kW·h，工作电压为3.3V DC，工作温度为-20 ～40℃，能够较好地适应不同地区的模块使用需求。提前设置处理器工作逻辑，使用周期化采集方式与电力设备形成对接，保证自动电能集成系统中能源储量的充足性，为后续的释放和分配做好铺垫。

2.2 设备储能板块

设备储能板块是整个能源自动集成系统的核心所在，需要合理配置储能技术，协调好不同技术之间的关系，以确保系统的稳定、高效运行。本次设计过程中，采用超级电容器技术作为设计基础，功率密度预计可以达到102～104W/kg，明显高于现有的蓄电池功率密度水平。电容器内部配备了导体聚合物材料，可以作为电容器阳极使用，当电力设备能源自动集成系统运行时，内部的正负离子会在电场影响下发生变化，形成电层并开始储能，后期需要提取电能时，电层则会逐渐变薄并释放能量，保障设备的持续运行，如此一来，既保证了原有电力系统架构的正常运转，又避免了电力设备遭受不利影响的问题，超级电容器结构简图可见图1。另外，配置飞轮储能装置、铅酸电池储能装置，形成多元复合储能系统，并根据不同情况计算储能单元荷电状态，计算方法如下：

图1 超级电容器结构简图

式中，ew代表电容内剩余电量；dt代表集成过程中电容容量。

当电容容量或电容内剩余电量不明时，也可以用下式进行计算：

式中，Amin和Amax分别代表电力设备中能源的最小值和最大值；A代表当前电力设备电能。

2.3 设备能源集成板块

能源集成模块设计时，需要采用广泛联通、有序连接的基本思路，找出可连接储能装置的核心电力设备，科学装配集成器并完成单元之间的联通。考虑到电力设备系统中，大多存在多个储能单元，集成和应用环节很可能出现混淆、错用问题，因此，可以根据实际需求设置“一对一”“一对多”形式，明确不同单元的分类标准，同时配置能源“看门狗”，以储能技术为依托搭建能源缓冲区，将收集的能源集成到缓冲区之内，后续需要使用能源时，统一释放和分配，以确保能源利用效率的提升。为确保能源种类合理区分，还可以设计专门的分类算法，区分度控制公式如下：

式中，C1,C2为能源种类；sim(C1,C2)为能源种类的相似度。通过区分度控制，可以更好地对集成后的能源进行分类存储，为后期电能的有效利用提供支持，避免出现电能浪费等问题。

3 基于多元复合储能技术的电力设备能源自动集成系统测试情况

为验证多元复合储能技术的应用效果及电力设备能源自动集成系统的应用状况，本文设计和编制了专门的测试方案，测试过程如下。

3.1 测试平台

测试平台设计时，需要综合考虑易实现性和经济性问题，结合电力设备能源自动集成系统的实际使用和运行场景调整平台细节。其中硬件环境部分配置了Intel i5 处理器，以及1TB 的HDD 硬盘，以及8G 内存容量的DDR4 集成显卡、UHD Graphics630 集成显卡，通信能力更加可靠。由于处理器中融入了图形处理核心，因此兼容性、稳定性会更有保障，采用集成内存控制器，也能够较好地规避原有内存模式下存在的响应延迟困境，保证测试过程的顺利进行。软件环境中，主要采用了Windows10 操作系统，以及SQL 2016 数据库，该种数据库软件支持分布式数据组织形式，可以与其他服务器软件建立良好联系，响应速度较快，可以提供对外可扩展标记语言。环境准备完成后，还需要对其他测试设备进行检查，设备类型主要包含电压表、电流表、传感器、LPC2132 芯片等。运用该测试平台开展电力设备能源自动集成系统测试，以及其他对照组系统运行情况的测试。

3.2 测试指标

测试环节共设计了以下几种指标：（1）集成能源利用效果。考虑到电力设备能源应用系统对电能储存的要求是不同的，部分情况下，储能目的是提供电压补偿，保证供电品质；部分情况下，则是为了提供不间断电源，保证供电的可靠性。这些目的背后隐藏的功能性需求是存在差异的，比如，作为电压补偿时，要求储能系统快速响应；作为不间断电源使用时，要求储能容量满足负荷需求。因此，能源自动集成系统测试环节，设计了差异化的利用效果评估指标，比如，快速响应指标、负荷调节指标等，以全面、客观地评估系统运行效果。（2）能源集成经济效益。经济效益是自动能源集成系统运行中极为关键的衡量指标，主要研究多元储能技术及集成系统应用后，电力设备能够节省多少用于电力补偿、负荷调节、不间断电源设置维护的资金。通过计算，将单位能源利用效益确定为2.5 元，则总效益计算方式如下：

式中，E为能源集成经济效益；Re为额定能源；Rs为集成后的再利用能源。将各组别计算得到的效益综合记录下来，对比不同方案下的效益水平，为电能集成系统运行效果评估提供依据。

3.3 测试过程

测试过程中，另外选择了两种电力设备能源供应方案作为对照组，对照组一使用单一储能技术，对照组二不使用储能技术，按照3.2 所述内容计算集成经济效益，对比不同方案之间的效益水平。同时，选定燃气轮机、发电机、电站锅炉等电力设备作为试验设备，观测能源自动集成系统作为电压补偿、不间断电源供应、负荷调节中介时的响应速度情况、目标实现情况。根据电力设备的日常运行状态，共选择和确定了高压运行、低压运行两种测试场景，每种场景下设置5 次重复试验，将所有测验结果记录在表格中，为后续的分析讨论提供依据。

3.4 测试结果

本次测试得到的经济效益对比情况可见表2。从表中可以看出，基于多元复合储能技术的自动电能集成系统运行效益要明显高于单一储能模式及未使用储能技术模式下的系统效益，节省电能及资金总额更为可观，能够为电力设备的运行提供良好支持。同时，进行了电能利用效果评估，结果发现，基于多元复合储能技术的自动电能集成系统无论在高压还是低压环境下，均可以较好地完成设定任务，5 次测试下的系统响应平均耗时仅有27ms 左右，而单一储能需要耗费6 ～7s，可见其响应速度之快。同时，该集成系统还可以用于不间断电源供应，以2.1kW 为实际输出功率时，储能容量可以达到262.5AH，延时时间可以达到12h 左右，相比之下，单一储能系统储能容量仅有175AH，延时时间也仅有8h。

表2 多元复合储能技术经济效益测试情况

4 结语

综上所述，多元复合储能技术是提升电力设备供电能力、优化电力设备运行性能的重要手段，可以更高效地缓解能源出力间歇性和波动性，使系统中的能源得到更充分的利用，实践中务必要给予充分重视。要结合实际需求开发能源自动集成访问与利用平台，开通信息采集、设备储能、集成利用板块，做好后期的测试评估工作，对应调整技术细节，切实提升自动集成系统的经济、社会效益，为电力企业的可持续发展注入活力。