新能源电力系统中储能技术研究

孙 明

（江苏能楹新能源科技发展有限公司，江苏 南通 226600）

0 引 言

新能源电力系统是利用风力、太阳能或水力等新型能源进行供电的电力系统。然而，新能源发电不稳定，难以满足电网负荷需求。采用储能技术能有效解决新能源发电系统运行不稳定和波动性较大等问题[1]。储能技术是将可再生能源转化为电能储存在电池或其他设备的一种技术手段，可以有效提高新能源发电系统的稳定性，减少对传统化石燃料的需求，降低碳排放量，促进清洁能源的发展。通过设计和研究新能源电力系统中的储能技术和充放电控制策略，可以进一步推动新能源电力系统的建设。

1 储能技术的相关概述

1.1 储能技术介绍

储能技术是指利用各种方式将富裕电能储存起来，以便在需要时释放。储能技术可以解决电网运行不稳定和波动性较大等问题，提高系统运行的稳定性和可靠性，同时可以提高能源供应体系的灵活性和适应性，以满足不同需求的变化。储能设备主要包括蓄电池、超级电容、燃料电池等形式。其中，蓄电池是最常用的一种储能方式，具有体积小、重量轻、寿命长等优点，但也存在存储容量有限、充电速度较慢等问题。相比之下，超级电容可以提供更大的能量密度和更快的速度响应。超级电容是一种新型储能技术，其容量可达数百兆瓦甚至数千兆瓦，具备较强的耐受性，可在各种恶劣的环境下正常工作，同时具有超高的比功率，不会对环境造成污染[2]。燃料电池是一种新兴技术，能直接将氢气或其他可再生能源转化成电能，不仅可以减少碳排放量，还能降低对环境的污染。

储能技术的应用范围非常广泛，可以用于解决能源短缺、提高电网稳定性、降低碳排放等问题。例如：在风力发电站中，由于风速变化较大且难以预测，需要采用储能技术来解决供电不稳定问题；在电动汽车领域，由于汽车续航里程有限，可以借助储能技术实现异地充电[3]。

1.2 储能技术的分类

储能技术是新能源电力系统的重要组成部分，可以分为物理储能、电化学储能、电气储能、化学储能以及热储能5 大类，具体分类如图1 所示。

图1 储能技术分类

物理储能主要包括风力发电机、太阳能光伏发电机组、水力发电机组。电化学储能是利用化学反应进行能源转化，如燃料电池、氢气电池等。电气储能是通过改变电路中的电流来存储能量，如超导磁体储能器、超级电容储能器等。化学储能主要包括锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池以及液流电池。热储能是利用高温高压气体或液体在特定条件下进行压缩或膨胀，以达到储存能量的目的。不同的储能设备具有不同的特点和应用范围，要针对不同储能需求选择合适的储能设备。例如：对于储能需求较大的场所，可以选择大型锂离子电池或铅酸电池；对于分布较广且存储需求较小的场所，可以采用小型锂离子电池或太阳能光伏发电机组。

1.3 新能源电力系统储能技术的作用

在新能源电力系统的发展过程中，储能技术发挥了重要作用。首先，储能技术可以为新能源电力系统提供稳定的电源供应，降低对传统化石燃料的依赖和对环境的影响。其次，储能技术可以提高新能源电力系统的可靠性和稳定性，降低因天气等因素造成的波动性和不稳定性。最后，储能技术能调节和控制电网负荷，从而更好地满足用户需求。因此，储能技术是新能源电力系统发展的重要支撑之一。

目前，国内外对新能源电力系统储能技术的研究已取得了一定成果。其中，蓄电池技术是最常用的技术之一。随着科技的发展，其他新型储能技术如锂离子电池、超级电容等逐渐得到重视和推广。这些新型储能技术不仅具有更高的能量密度和更长的使用寿命，而且环保节能[4]。

2 储能系统的设计

2.1 储能系统的拓扑结构

在新能源电力系统中，储能系统的拓扑结构是指其内部连接方式，包括电池组、双向直流-直流（Direct Current-Direct Current，DC-DC）变换器、控制单元等。储能系统拓扑结构如图2 所示。

图2 储能系统拓扑结构

电池组是储能系统的核心组成部分，直接影响整个系统的性能和效率。因此，选择合适的电池类型和布置方式至关重要。目前，常见的储能系统有铅酸电池、锂离子电池、超级电容等。其中，铅酸电池因成本低、寿命长、安全性好等优势得到了广泛关注，但是存在能量密度较低、充电时间较长等问题，需要引起重视。相比之下，锂离子电池具有更高的能量密度和更快的充放电速度，但价格较高且存在安全隐患。超级电容器因具备高功率输出能力而备受青睐，但存在容量小、使用寿命短、受环境温度限制等问题。

双向DC-DC 变换器是储能系统的关键组成部分之一。它可以将储能设备中的直流电和交流电之间进行双向转化，同时可以实现对电网的逆向馈电功能。因此，选择合适的变换器型号对于提高系统的稳定性和可靠性至关重要。

控制单元则用于监测和管理整个系统的中心部件。通常采用微处理器或单片机等硬件设备实时监控电池状态、控制换流器开关，保证系统的正常运行。

2.2 储能系统的参数设计

在新能源电力系统中，不同类型的储能设备具有不同的使用寿命和工作效率，需要对其参数进行详细评估，具体参数如表1 所示。

表1 不同类型的储能设备对应参数

其中，效率是指储能设备能够存储电能的比例；寿命指储能设备可以正常工作的时间；响应时间指储能设备从启动到达到最大输出功率需要的时间。这些参数对于选择合适的储能设备非常重要，同时需要考虑其他因素的影响，如温度、湿度等外部因素。由于新能源发电量波动较大，需要考虑储能设备的响应速度是否满足电网的用电需求。实际应用过程中要综合考虑多种因素，选取最适合的储能设备。

为提高储能设备的利用率和效益性价比，可以采用智能控制策略来优化储能设备的工作方式。例如：可以将多个储能设备连接起来形成一个大功率储能系统，通过动态调度实现对电网负载的调节；也可以结合风力发电机或光伏电站等，利用可再生能源实现能量的互补与共享[5]。

2.3 储能系统的软件设计

在新能源电力系统中，储能技术是实现能源可持续利用的关键。储能系统的软件设计需要考虑容量、效率、安全性等方面的要求，主要包括控制器程序、数据采集模块、通信接口模块等。其中，控制器程序主要负责实时监控和管理电池的充电与放电；数据采集模块则用于收集并传输电池状态参数数据，以便后续的分析和优化；通信接口模块是连接外部设备或网络的关键。为提高储能系统的可靠性和稳定性，采用比例-积分-微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制算法，则输出功率P为

式中：kp为比例系数；e(t)为电流值的变化率；dΔI/dt为电流变化速率的导数；de(t)为电压差的变化率；dΔU/dt为电压差的变化率的导数值。通过这种方法可以有效减小误差，保证存储能量的最大回收率。

此外，为降低储能系统设计成本，提高系统运行效率，采用基于云平台的远程监测方式实现对储能系统的全方位监控。通过该方法可以实时查看电池的状态参数和整个系统的运行情况，及时发现问题并采取相应的解决措施。

3 储能系统充放电控制策略研究

3.1 储能系统充放电特性分析

对储能系统充放电特性进行分析，需要先了解蓄电池的基本原理和工作方式。蓄电池是一种能够储存电荷并释放能量的装置，通常由多个具有一定容量和电压等级的单体单元组，通过串联的方式组成蓄电池组。充电时，电流通过电路流向蓄电池组的正极，将电子从外部电源带入蓄电池内部；放电时，电流则通过电路从蓄电池组的正极流出，电子从蓄电池内部流向外部负载。因此，蓄电池的最大输出功率与其容量和电压等级有关。

为实现电能的高效存储和释放，必须对蓄电池进行充放电管理。一是对蓄电池进行均衡化操作，即保证各单体单元之间的电压差异最小；二是对蓄电池进行状态监测和预测，以便及时调整充电或放电速率，以达到最佳运行效果。实际应用中，蓄电池充放电过程受多种因素的影响，如温度、环境湿度、循环次数等。这些因素会影响蓄电池的性能参数和使用寿命，因此对于不同的应用场景和应用需求，需要选择适合的蓄电池类型和配置方案。

3.2 储能系统充放电控制策略

储能系统的充放电控制策略是新能源电力系统发展的核心问题之一。由于储能系统能量密度较低且存在损耗，需要采取有效的控制策略实现电能的最大化利用。目前，最常用的方法包括功率跟踪法、电压跟踪法和电流跟踪法。这些方法各有优缺点，具体应用时需结合储能系统的类型和应用场景进行合理选择。其中，功率跟踪法是一种较为简单且易于实施的控制策略，通过实时监测和调节储能系统的输出功率，以达到提升充电效率、延长电池使用寿命的目的。该方法适用于容量较小的储能系统，如锂离子电池。相比之下，电压跟踪法更复杂，但能更好地保证储能系统运行的安全性和稳定性，通常采用PID 算法或神经网络等方式控制储能系统，适应于不同类型的储能系统。电流跟踪法也得到了广泛应用，如针对超级电容器储能系统，可以通过监控存储单元之间的电流，实现对储能系统充放电过程的精确控制。

4 结 论

新能源电力系统的储能技术是实现新能源电力系统可持续发展的关键之一。随着能源结构的不断优化和储能技术的不断发展，储能技术会得到更广泛的应用。通过对储能系统的设计和充放电控制策略的研究，提出相应的解决策略和优化方案，以进一步提高储能技术的应用效果，为新能源电力系统中储能技术的应用提供一定的理论支持和应用指导。