基于優(yōu)質(zhì)電氣儲(chǔ)能節(jié)能的實(shí)踐探究

摘要：隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，能源產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，綠色儲(chǔ)能成為國(guó)民產(chǎn)業(yè)鏈上的重要環(huán)節(jié)。基于優(yōu)質(zhì)電氣儲(chǔ)能的節(jié)能、調(diào)控技術(shù)的研發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用，就是有效接軌國(guó)際市場(chǎng)，響應(yīng)國(guó)家促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的號(hào)召。優(yōu)質(zhì)的電氣儲(chǔ)能，以卓越的創(chuàng)新技術(shù)實(shí)施電損治理，為廣大工業(yè)裝置的儲(chǔ)能節(jié)能一體化和安穩(wěn)運(yùn)行打開(kāi)了一扇新的窗口，并實(shí)現(xiàn)了企業(yè)效益和利潤(rùn)提升的最大化。

關(guān)鍵詞：電氣儲(chǔ)能;綠色節(jié)能;工業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng);超級(jí)電容;智能電網(wǎng)

1? ? 綠色儲(chǔ)能發(fā)展概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和新能源的飛速發(fā)展，電力行業(yè)的系統(tǒng)工作也迎來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。

2014年，習(xí)近平在主持中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議時(shí)指出，我國(guó)目前已成為世界上最大的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，能源的需求總體向上，其開(kāi)發(fā)、利用、消費(fèi)，都受到諸多因素的制約;在能源技術(shù)水平總體落后的局面下，將能源問(wèn)題提高到國(guó)家發(fā)展和安全的戰(zhàn)略高度，意義重大。

2019年，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出加強(qiáng)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)工作，攻克制約儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的規(guī)模、效率、成本、安全等技術(shù)性問(wèn)題，以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，以應(yīng)用示范為手段，大力發(fā)展和推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐。

2? ? 國(guó)家工業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

工業(yè)儲(chǔ)能裝置主要是實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)、釋放或快速功率交換。電網(wǎng)接入裝置，用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰、能源優(yōu)化、提高供電可靠性和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能。儲(chǔ)能貫穿于發(fā)、輸、配、用整個(gè)電力系統(tǒng)，大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用也才剛起步，是一個(gè)全新的課題，也是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。

現(xiàn)今的工業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要有機(jī)械儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電氣儲(chǔ)能。

機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。其中，以高速飛輪為代表的機(jī)械儲(chǔ)能，其能量密度較低，安裝成本高，投資周期較長(zhǎng)，工作時(shí)慣性時(shí)間長(zhǎng);其在不充電狀態(tài)時(shí)容易自放電，會(huì)造成能量在短時(shí)間內(nèi)自行耗盡，適合于不間斷電源供給的市場(chǎng)應(yīng)用。

熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中，熱能被儲(chǔ)存在隔熱容器的介質(zhì)中，需用時(shí)直接利用，也可轉(zhuǎn)化為電能。以熔鹽儲(chǔ)能為代表的熱儲(chǔ)能，投資高，需要各種高溫化學(xué)介質(zhì)，占地面積大，受用場(chǎng)合有限。

化學(xué)儲(chǔ)能是利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，效率較低。電化學(xué)儲(chǔ)能有鋰電池、鈉硫電池等，而以鋰電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能，在技術(shù)升級(jí)后，被大量應(yīng)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備，能數(shù)千次地循環(huán)和快速響應(yīng)，是目前使用最廣、能量最高的實(shí)用性電池。不足在于價(jià)格偏高，過(guò)充會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全性隱患，需要進(jìn)行充電保護(hù)，也存在環(huán)保問(wèn)題。

3? ? 超級(jí)電容器電氣儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1? ? 超級(jí)電容器的特點(diǎn)

超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，是傳統(tǒng)電容器的快速充放電性能和充電電池儲(chǔ)能特性的綜合體，其特點(diǎn)有：

（1）容量范圍大，區(qū)間在0.1～1 000 F，可以運(yùn)行于多種狀況的電路中。

（2）能循環(huán)充放電且安全穩(wěn)定;對(duì)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以多樣化，有較好的充放電承載性;系統(tǒng)檢測(cè)方便，從理論上看，是可以免于維護(hù)的。

（3）特性穩(wěn)定，超低溫性能好，工作溫度寬泛，從-40 ℃到+70 ℃;充電速度極快，幾乎在幾分鐘內(nèi)就可以達(dá)到額定的充電容量;無(wú)記憶效應(yīng)，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次，循環(huán)壽命長(zhǎng)。

（4）功率密度水平高，可達(dá)300～5 000 W/kg;過(guò)程損耗小，能量轉(zhuǎn)換效率高。

（5）是一種新型的綠色環(huán)保電源，其生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存、拆解過(guò)程中不使用重金屬和其他有害的化學(xué)物質(zhì)，過(guò)程無(wú)污染，是理想的綠色能源。

3.2? ? 優(yōu)質(zhì)電氣儲(chǔ)能的技術(shù)特性

電氣儲(chǔ)能包含有超導(dǎo)儲(chǔ)能和電容器儲(chǔ)能。

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)體的電阻特性為零而研發(fā)的，受限于材料研發(fā)和經(jīng)濟(jì)制約，其應(yīng)用在未來(lái)還有發(fā)展空間。

而以超級(jí)電容為代表的電氣儲(chǔ)能，其系統(tǒng)能獲得超大的電容，是基于它的雙電層結(jié)構(gòu)是由電解質(zhì)和活性炭多孔電極組成的。得益于其多方面的特性疊加，超級(jí)電容物理充放電過(guò)程中充電時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、溫度特性好;速度響應(yīng)超快、功率密度高，對(duì)外界環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、調(diào)節(jié)頻率;可吸收再利用，實(shí)現(xiàn)不平衡的補(bǔ)償和能量支撐，節(jié)約能源、綠色環(huán)保。所有這些綜合性的優(yōu)點(diǎn)集合，使其成為工業(yè)用戶最青睞的儲(chǔ)能方法。

4? ? 高功率密度電氣儲(chǔ)能的功能優(yōu)勢(shì)及實(shí)踐應(yīng)用

4.1? ? 高功率密度電氣儲(chǔ)能的功能優(yōu)勢(shì)

高功率密度電氣儲(chǔ)能，即超級(jí)電容儲(chǔ)能型SVG裝置，是無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)應(yīng)用的代表，是典型的電力電子設(shè)備，由檢測(cè)模塊、控制運(yùn)算模塊、補(bǔ)償輸出模塊三個(gè)基本功能模塊構(gòu)成;是電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)相互交叉的新型科技產(chǎn)品，其旨在結(jié)合新型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容的充放電特性，提出既能補(bǔ)償無(wú)功又可調(diào)節(jié)有功的解決方案，可以很好地提升工業(yè)用戶在戶外作業(yè)時(shí)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。

這一儲(chǔ)能裝置其控制系統(tǒng)采用以DSP+FPGA+CPLD為核心的結(jié)構(gòu)，DSP負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)核心算法和邏輯控制;FPGA則利用其強(qiáng)大的并行處理能力和多時(shí)鐘頻率，來(lái)完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓/電流的高速采樣、快速邏輯運(yùn)算、多路高頻PWM信號(hào)輸出，并在必要時(shí)對(duì)A/D采樣和PWM輸出進(jìn)行通道擴(kuò)展;CPLD用于對(duì)PWM信號(hào)輸出進(jìn)行高速檢測(cè)，并在PWM信號(hào)輸出存在錯(cuò)誤時(shí)，快速閉鎖PWM信號(hào)的輸出。

高功率密度電氣儲(chǔ)能和調(diào)控技術(shù)，即超級(jí)電容儲(chǔ)能型SVG裝置，其功能主要體現(xiàn)在：一方面，補(bǔ)償極端工況用電場(chǎng)合能源互聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)功損耗，提高其功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的;另一方面，積極調(diào)節(jié)設(shè)備的有功變化，改善用電設(shè)備的工況，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，以保障用電場(chǎng)合能源互聯(lián)網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，促進(jìn)其數(shù)字化和智能化發(fā)展。

4.2? ? 高功率密度電氣儲(chǔ)能裝置的實(shí)踐應(yīng)用

服務(wù)于直流供電用戶時(shí)，在大型礦車(chē)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)裝備的實(shí)踐中，技術(shù)人員利用儲(chǔ)能方案，通過(guò)蓄電池組、濾波電感、超級(jí)電容器、制動(dòng)電阻柵、礦車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，應(yīng)用裝置儲(chǔ)能與調(diào)控的核心產(chǎn)品，為中煤平朔集團(tuán)有限公司帶來(lái)了3 900萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

在軌道交通高性能變流器與傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用中，利用控制與保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“控保融和”，為武漢征原電氣有限公司節(jié)能增效帶來(lái)了4億元的經(jīng)濟(jì)效益。

工程技術(shù)人員在實(shí)踐應(yīng)用取得良好效益的同時(shí)，繼續(xù)砥礪前行，又開(kāi)始了面向交流工業(yè)用戶的技術(shù)推廣和試驗(yàn)嘗試。在油田抽油機(jī)和大型港口提升機(jī)械設(shè)備中，嘗試通過(guò)技術(shù)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)有功儲(chǔ)能、無(wú)功補(bǔ)償;同時(shí)進(jìn)行故障分析、智能監(jiān)控，達(dá)到遠(yuǎn)程通信、無(wú)人值守的良好狀態(tài)。

優(yōu)質(zhì)電氣儲(chǔ)能裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用，正在以“技術(shù)先進(jìn)、科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)合理、項(xiàng)目示范”為標(biāo)準(zhǔn)的要求下，迎接挑戰(zhàn)，不斷探索、攻克儲(chǔ)能工作中的瓶頸問(wèn)題。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

電能是人類(lèi)高速發(fā)展的前提，打理好電能的進(jìn)出端口，才能做到能量余時(shí)有存儲(chǔ)，能量再用時(shí)有回補(bǔ)。在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)論是地鐵軌道交通，還是大型礦用車(chē)輛、電動(dòng)汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能節(jié)能已經(jīng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展必不可少的一環(huán)。

優(yōu)質(zhì)的超級(jí)電容電氣儲(chǔ)能裝置，采用先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量回收的高效率，改善大多數(shù)設(shè)備的“粗放型”保護(hù)狀態(tài)，加強(qiáng)“控保融和”力度，消除不穩(wěn)定的安全隱患，平衡電源與負(fù)荷的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題，提供應(yīng)急電源，減少各種暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警，幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析，做到了讓用戶的體驗(yàn)效果漸入佳境。優(yōu)質(zhì)的電氣儲(chǔ)能和調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)節(jié)能增效的最大化。

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收稿日期：2020-05-11

作者簡(jiǎn)介：熊予涵（2000—），女，湖北人，研究方向：電氣儲(chǔ)能。