新型儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行影響的綜合分析

國(guó)網(wǎng)銀川供電公司 劉二鵬 李 輝 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司 張仁和

儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在平衡電網(wǎng)供需、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及支持可再生能源的廣泛應(yīng)用方面。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，多種儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并應(yīng)用于實(shí)際中，包括化學(xué)儲(chǔ)能如鋰離子電池、機(jī)械儲(chǔ)能如抽水蓄能和飛輪儲(chǔ)能，以及熱能和電磁儲(chǔ)能技術(shù)。

這些技術(shù)各有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，從高能量密度的電池到快速響應(yīng)的超級(jí)電容器，再到大規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)。本文將探討上述儲(chǔ)能技術(shù)的特性、電網(wǎng)集成方法及其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，并通過案例分析來展示儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，本文討論了儲(chǔ)能技術(shù)未來的發(fā)展方向和政策，以及經(jīng)濟(jì)層面的潛在影響。

1 新型儲(chǔ)能技術(shù)概述與分類

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要指的是電池，如鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。以鋰離子電池為例，其能量密度通常在100～265Wh/kg，功率密度可達(dá)到300～1500W/kg（W/kg），循環(huán)壽命一般在1000～8000次。鉛酸電池能量密度約30～50Wh/kg，但成本相對(duì)較低，循環(huán)壽命約為300～500次。鈉硫電池能量密度可達(dá)到150～240Wh/kg，但通常需要在較高的溫度下運(yùn)行（300～350℃）。

機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能和飛輪儲(chǔ)能。抽水蓄能的能量轉(zhuǎn)換效率大約是70%～85%，適合大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用[1]。飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高的特點(diǎn)，可達(dá)到100～130Wh/kg，適合需要頻繁充放電的場(chǎng)景。熱能儲(chǔ)能技術(shù)通過物質(zhì)的相變或化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存熱能。例如，相變材料可以在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)換來儲(chǔ)存和釋放熱能，有效儲(chǔ)熱量為50～100Wh/kg，而在工業(yè)熱能儲(chǔ)存中，高溫熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱容量可達(dá)到25～50Wh/kg。

電磁儲(chǔ)能技術(shù)，包括超級(jí)電容器和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。超級(jí)電容器的能量密度較低，大約在5～10Wh/kg，但充放電速度極快，循環(huán)壽命可達(dá)100萬次。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）則利用超導(dǎo)線圈存儲(chǔ)磁能，其能量密度依設(shè)備而異，可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量能量。

2 新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)集成方法

PS-1：可以看作是直流（DC）儲(chǔ)能技術(shù)的代表，如鋰離子電池。在集成時(shí)，需要一個(gè)雙向變換器來連接到交流（AC）電網(wǎng)。該變換器負(fù)責(zé)將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)的交流電，反之亦然。電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括電量、溫度和充放電速率等，確保電池在安全的操作范圍內(nèi)工作。

PS-2：可以代表交流（AC）儲(chǔ)能技術(shù)，比如飛輪或超級(jí)電容器。這些系統(tǒng)可以直接連接到交流電網(wǎng)，但通常還是會(huì)通過功率電子設(shè)備來管理功率流動(dòng)，優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間和效率。

PS-3：可以是長(zhǎng)期儲(chǔ)能解決方案，例如抽水蓄能或壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)往往具有較高的能量密度，適合在需求低峰時(shí)儲(chǔ)能，在高峰時(shí)釋放能量，以此來平衡電網(wǎng)負(fù)載。

PS-N：可能代表一種更先進(jìn)的或試驗(yàn)性的儲(chǔ)能技術(shù)，如液流電池或熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的集成可能需要特殊的轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)，以及與電網(wǎng)的通信協(xié)議，以確保其與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)一致[2]。

在這些儲(chǔ)能系統(tǒng)中，重要的集成參數(shù)包括但不限于轉(zhuǎn)換效率、儲(chǔ)能容量、功率密度和響應(yīng)時(shí)間。例如，轉(zhuǎn)換器的效率通常在90%以上，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量可能從幾千瓦時(shí)到幾兆瓦時(shí)不等，功率密度可以從幾瓦/千克到幾千瓦/千克，響應(yīng)時(shí)間從毫秒級(jí)到幾分鐘不等。集成過程還要考慮到儲(chǔ)能單元的放電和充電曲線，這些曲線決定了儲(chǔ)能單元可以提供或吸收多少能量，以及速率。如圖1所示。

圖1 新型實(shí)施例一提供的儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3 新型儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中的作用

儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中的作用是通過其快速充放電能力，來平衡瞬時(shí)電力供需差異，維護(hù)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。在理想情況下，電網(wǎng)的頻率是固定的（北美是60Hz，歐洲是50Hz）。當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)載需求增加或減少，如果沒有及時(shí)的供應(yīng)調(diào)整，頻率就會(huì)下降或上升。當(dāng)電網(wǎng)頻率低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，表明需求大于供應(yīng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)迅速釋放儲(chǔ)存的電能到電網(wǎng)中，幫助提升頻率。

反之，當(dāng)頻率高于標(biāo)準(zhǔn)值，表明供應(yīng)大于需求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)則會(huì)吸收多余的電能，以減緩頻率上升。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，儲(chǔ)能系統(tǒng)通常與先進(jìn)的控制系統(tǒng)相連，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并基于預(yù)設(shè)的頻率閾值來指令儲(chǔ)能系統(tǒng)充電或放電[3]。一個(gè)典型的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在100ms 內(nèi)從待機(jī)狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，支持電網(wǎng)在頻率偏差發(fā)生時(shí)快速穩(wěn)定。這種系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)范圍可能從幾千瓦到數(shù)百兆瓦不等，充放電速率可以調(diào)節(jié)以匹配電網(wǎng)的具體需求。同時(shí)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃和操作中，會(huì)設(shè)置詳細(xì)的參數(shù)，放電深度（通常不超過電池容量的80%以保證電池壽命）、功率調(diào)節(jié)速度（比如在0.5～2s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大功率輸出），以及能量轉(zhuǎn)換效率（通常在90%以上）。

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提升電網(wǎng)可靠性的貢獻(xiàn)

可以作為電網(wǎng)的備用電源，當(dāng)傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)生故障或不可預(yù)見的電力需求增加時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速提供能量。一個(gè)典型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，如一座容量為20MWh 的電池儲(chǔ)能站，能在數(shù)秒內(nèi)提供功率，快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)載變化。若電網(wǎng)電壓過高，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收多余的電能，減少電網(wǎng)負(fù)荷；反之，若電壓過低，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放電能。

這種調(diào)節(jié)通常在功率因數(shù)接近1的范圍內(nèi)進(jìn)行，確保電能傳輸效率并減少損耗。儲(chǔ)能系統(tǒng)還能提供輔助服務(wù)，如無功功率支持和頻率響應(yīng)，這些服務(wù)有助于提高電網(wǎng)對(duì)于波動(dòng)性較大的可再生能源的適應(yīng)性。在太陽能發(fā)電量下降時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以立即釋放能量，以避免頻率下降。在抵御極端天氣或其他干擾事件的能力方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署減少了對(duì)單一供電路徑的依賴，增加了電網(wǎng)的冗余度，從而提高了電網(wǎng)的整體穩(wěn)健性。

在極端天氣下，即便部分電網(wǎng)結(jié)構(gòu)受損，本地化的儲(chǔ)能單元依然可為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和緊急服務(wù)提供電力。在實(shí)施儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)電網(wǎng)的具體需求和預(yù)期的運(yùn)營(yíng)模式來定制儲(chǔ)能解決方案，包括選擇適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能技術(shù)、確定所需的儲(chǔ)能容量，以及配置必要的控制系統(tǒng)。

4 新儲(chǔ)能系統(tǒng)案例與分析

4.1 新儲(chǔ)能系統(tǒng)集成案例

例如，特斯拉在澳大利亞南部安裝鋰離子電池項(xiàng)目，該項(xiàng)目的容量為100MW/129MWh。該項(xiàng)目于2017年年底啟動(dòng)，旨在幫助穩(wěn)定當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)并存儲(chǔ)可再生能源，特別是在需求高峰期間。該電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可在不到1s 的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)，并向電網(wǎng)提供即時(shí)電力，以響應(yīng)頻率下降或電力需求激增的情況。據(jù)報(bào)告顯示，該儲(chǔ)能系統(tǒng)減少了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)服務(wù)的成本約90%，顯示出了儲(chǔ)能系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)支持方面的巨大潛力。

另外，在德國(guó)的一系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)中集成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的總儲(chǔ)能量達(dá)到了50MWh。這些系統(tǒng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的過剩能量存儲(chǔ)起來，以備風(fēng)力不足時(shí)使用。通過這種方式，儲(chǔ)能系統(tǒng)幫助平滑了電力生產(chǎn)的波動(dòng)性，并確保了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。以上案例體現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)韌性、支持可再生能源整合、降低運(yùn)營(yíng)成本和優(yōu)化電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，預(yù)計(jì)將有更多類似的儲(chǔ)能系統(tǒng)案例出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)能源行業(yè)的轉(zhuǎn)型[4]。

4.2 新儲(chǔ)能系統(tǒng)集成的模擬分析

新儲(chǔ)能系統(tǒng)集成的模擬分析主要涉及電網(wǎng)的仿真，這通常包括各種儲(chǔ)能解決方案在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中的性能模擬。仿真分析可以利用專業(yè)軟件如PSCAD、MATLAB/Simulink 或DIgSILENT PowerFactory 等來完成。一個(gè)典型的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可能會(huì)有以下參數(shù)進(jìn)行模擬：額定功率100MW，能量密度為200Wh/kg，充電效率90%，放電效率90%，響應(yīng)時(shí)間為數(shù)毫秒級(jí)（見表1）。

表1 電網(wǎng)集成儲(chǔ)能系統(tǒng)前后性能比較表

具體的仿真結(jié)果取決于多種因素，包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模、電網(wǎng)的初始條件，以及仿真中設(shè)定的各種假設(shè)條件。

5 新儲(chǔ)能政策、效益與展望

政策驅(qū)動(dòng)。各國(guó)政府通過多種政策工具推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。例如，某些地區(qū)針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署提供投資稅收抵免，如美國(guó)能源部門推出的ITC（投資稅收抵免），初始可達(dá)30%。歐洲聯(lián)盟通過其“綠色交易”計(jì)劃，計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)給予研發(fā)和部署上的資金支持。在亞洲，中國(guó)在其“十四五”規(guī)劃中明確提出了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持政策，設(shè)定了到2025年至少部署30GW 的儲(chǔ)能設(shè)施的目標(biāo)。

經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)能技術(shù)的部署可顯著改善電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。以風(fēng)電和太陽能為例，根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）的報(bào)告，到2030年，儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用預(yù)計(jì)將使電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省高達(dá)1560億美元。

未來展望。新儲(chǔ)能技術(shù)正迅速發(fā)展，其中液流電池和鋰硫電池等新型電池技術(shù)正受到重點(diǎn)關(guān)注。預(yù)計(jì)到2030年，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)將增長(zhǎng)至數(shù)百吉瓦的規(guī)模。未來儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步將解鎖更高效的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式，提高可再生能源的滲透率，進(jìn)一步降低碳排放[5]。

新儲(chǔ)能系統(tǒng)的未來發(fā)展預(yù)計(jì)將受到成本下降、技術(shù)進(jìn)步和政策支持三大因素的共同推動(dòng)。隨著儲(chǔ)能成本的降低，其部署將更加廣泛，不僅限于大規(guī)模電網(wǎng)應(yīng)用，也包括商業(yè)和住宅應(yīng)用。技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，如固態(tài)電池的發(fā)展，預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度和安全性，拓寬應(yīng)用范圍。政策制定者將繼續(xù)出臺(tái)激勵(lì)措施以加快儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，這些舉措預(yù)計(jì)將進(jìn)一步降低投資風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)行業(yè)成長(zhǎng)。

6 結(jié)語

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和集成已成為現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的部分，其在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、增強(qiáng)可再生能源整合、并優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，預(yù)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)將更廣泛地被部署，不僅在大規(guī)模電網(wǎng)中，也將在商業(yè)和住宅應(yīng)用中發(fā)揮作用。此外，政策支持和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施將進(jìn)一步推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，使之成為能源轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力。未來，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在全球能源結(jié)構(gòu)中扮演更加重要的角色，為實(shí)現(xiàn)低碳、高效、可靠的電力供應(yīng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。