劉 紅，任曉榕

（1.中國(guó)電力國(guó)際發(fā)展有限公司，北京 100080；2.山西中電神頭第二發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

0 引 言

新能源發(fā)電系統(tǒng)主要依靠太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可再生能源來(lái)產(chǎn)生電能，然而這些能源的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性使得電網(wǎng)的運(yùn)行面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，在風(fēng)電場(chǎng)或太陽(yáng)能光伏場(chǎng)景下，能源的產(chǎn)生受到天氣條件的影響，而電網(wǎng)負(fù)荷卻需要穩(wěn)定供應(yīng)。這種不匹配會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的頻率波動(dòng)、能源的浪費(fèi)以及電力供應(yīng)的不穩(wěn)定。因此，引入儲(chǔ)能技術(shù)作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的輔助手段。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能技術(shù)概述

1.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)

新能源發(fā)電系統(tǒng)作為一種清潔、可持續(xù)的能源供應(yīng)方式，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，同時(shí)面臨一些挑戰(zhàn)。首先，能源波動(dòng)性和不可控性是其主要問(wèn)題之一。由于新能源發(fā)電受到自然條件的限制，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電受日照強(qiáng)度和云量影響，風(fēng)能發(fā)電受風(fēng)速和風(fēng)向影響，能源的產(chǎn)生存在波動(dòng)性和不可控性。其次，新能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)負(fù)荷之間的匹配也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。由于新能源發(fā)電的波動(dòng)性，電網(wǎng)的頻率和電壓可能發(fā)生波動(dòng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電力質(zhì)量。最后，新能源發(fā)電系統(tǒng)的能源供應(yīng)與電力需求之間存在時(shí)間和空間上的不匹配，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)和電力供應(yīng)的不穩(wěn)定。為了克服這些挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能技術(shù)作為一種重要的能源管理工具被引入新能源發(fā)電系統(tǒng)，可以幫助平衡能源的供需關(guān)系，提供能源的靈活性和可調(diào)度性，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)和原理

儲(chǔ)能技術(shù)是將能量在一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存形式，以便在需要時(shí)再次釋放能量的技術(shù)。根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)的不同，儲(chǔ)能技術(shù)可以分為機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、熱儲(chǔ)能技術(shù)以及化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)利用機(jī)械裝置將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械形式進(jìn)行儲(chǔ)存。常見(jiàn)的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。抽水蓄能在低峰時(shí)段將水抽升到高處的蓄能池中，高峰時(shí)段通過(guò)釋放水來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能則將空氣壓縮儲(chǔ)存，高峰時(shí)段釋放空氣經(jīng)過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。飛輪儲(chǔ)能利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量，高峰時(shí)段通過(guò)減速器將其轉(zhuǎn)化為電能[1]。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)利用化學(xué)反應(yīng)將能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存。常見(jiàn)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括電池和超級(jí)電容器。電池通過(guò)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存，包括鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池等。超級(jí)電容器利用雙層電容效應(yīng)將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，具有高功率密度和快速充放電等特性。

熱儲(chǔ)能技術(shù)利用熱能的溫度差進(jìn)行能量的儲(chǔ)存。常見(jiàn)的熱儲(chǔ)能技術(shù)包括蓄熱技術(shù)和熱泵技術(shù)。蓄熱技術(shù)利用高溫和低溫儲(chǔ)存介質(zhì)之間的溫度差來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱能，包括熔融鹽蓄熱、水蒸氣蓄熱和地下蓄熱等。熱泵技術(shù)則利用低溫?zé)嵩赐ㄟ^(guò)熱泵循環(huán)將熱能從低溫傳遞到高溫，實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和利用。

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)利用化學(xué)反應(yīng)將能量?jī)?chǔ)存為化學(xué)鍵的能量。常見(jiàn)的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括氫能儲(chǔ)存和化學(xué)合成儲(chǔ)能等。氫能儲(chǔ)存通過(guò)將氫氣與其他物質(zhì)反應(yīng)儲(chǔ)存為化合物，高峰時(shí)段通過(guò)反向反應(yīng)釋放氫氣進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化?；瘜W(xué)合成儲(chǔ)能利用化學(xué)反應(yīng)將低值能源轉(zhuǎn)化為高值能源，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在平滑功率輸出中的應(yīng)用

新能源發(fā)電系統(tǒng)如風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，會(huì)受到自然資源的變化和季節(jié)性的影響，導(dǎo)致發(fā)電功率的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛應(yīng)用，以平滑新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出。

在平滑功率輸出方面，儲(chǔ)能技術(shù)采用多種應(yīng)用方式，以應(yīng)對(duì)不同的情況和需求。首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能-釋能調(diào)節(jié)策略通過(guò)將新能源發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)剩電能儲(chǔ)存起來(lái)，并在系統(tǒng)發(fā)電不足時(shí)釋放儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式可以有效減少新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)性，使其更加穩(wěn)定，有利于提高電網(wǎng)的可靠性。其次，儲(chǔ)能技術(shù)具備快速響應(yīng)能力，能夠在電網(wǎng)需求變化時(shí)快速釋放或吸收儲(chǔ)能，以平衡供需之間的差異。通過(guò)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)電力輸出，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力，有助于應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化和尖峰用電需求。最后，儲(chǔ)能技術(shù)也具備調(diào)峰填谷能力，即在高峰期儲(chǔ)存電能，以滿(mǎn)足電網(wǎng)需求；在低谷期釋放儲(chǔ)能，以充分利用新能源發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)電能的平衡調(diào)配[2]。這種調(diào)峰填谷的能力可以有效平衡電力供需，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用

新能源發(fā)電的不可控性和間斷性給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)，特別是在高比例的新能源接入情況下。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以有效改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提供調(diào)節(jié)能力，支持電網(wǎng)頻率與電壓的控制。

儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供快速響應(yīng)的調(diào)節(jié)能力，以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化和新能源發(fā)電波動(dòng)帶來(lái)的頻率偏差。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷突然增加或新能源發(fā)電波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速釋放儲(chǔ)存的能量，使電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定。相反，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷減少時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收多余的能量，避免電網(wǎng)頻率過(guò)高。通過(guò)這種方式，儲(chǔ)能技術(shù)可以提供頻率調(diào)節(jié)的支持，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其次，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)功功率控制來(lái)支持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)需要吸收或釋放無(wú)功功率，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓水平。這種電壓控制能力對(duì)于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和保護(hù)用戶(hù)設(shè)備具有重要意義。最后，儲(chǔ)能技術(shù)還可以提供電網(wǎng)備用容量，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的負(fù)荷增加或發(fā)電系統(tǒng)故障。當(dāng)發(fā)生電力緊張的情況時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速釋放儲(chǔ)存的能量，提供額外的供電能力，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

2.3 儲(chǔ)能技術(shù)在調(diào)峰填谷中的應(yīng)用

由于新能源發(fā)電的間斷性和波動(dòng)性，往往無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷的需求，特別是在高負(fù)荷時(shí)段或低負(fù)荷時(shí)段。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)在低負(fù)荷時(shí)段儲(chǔ)存多余的能量，然后在高負(fù)荷時(shí)段釋放儲(chǔ)存的能量，以平衡電網(wǎng)的供需差異，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰填谷的效果。

儲(chǔ)能技術(shù)在調(diào)峰填谷中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在低負(fù)荷時(shí)段儲(chǔ)存多余的能量。當(dāng)新能源發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的能量超過(guò)電網(wǎng)負(fù)荷需求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將多余的能量轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存能量，以避免浪費(fèi)。這種能量的儲(chǔ)存可以通過(guò)電池、超級(jí)電容器、抽水蓄能等不同的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷需求增加時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以釋放儲(chǔ)存的能量，填補(bǔ)供需缺口。在高負(fù)荷時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以向電網(wǎng)注入儲(chǔ)存的能量，以滿(mǎn)足電網(wǎng)的需求[3]。最后，儲(chǔ)能技術(shù)還可以提供緊急備用電源，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的負(fù)荷增加或發(fā)電系統(tǒng)故障。當(dāng)發(fā)生電力緊張的情況時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速釋放儲(chǔ)存的能量，提供額外的供電能力，以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的優(yōu)化研究

3.1 儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置

儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置是新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化研究的重要方向之一。儲(chǔ)能容量的大小直接影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能、成本以及經(jīng)濟(jì)性。因此，合理配置儲(chǔ)能容量對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行至關(guān)重要。

在儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置研究中，需要考慮以下幾個(gè)方面。首先，需要考慮電網(wǎng)負(fù)荷的特點(diǎn)和需求。不同地區(qū)、不同時(shí)間段的負(fù)荷需求不同，因此儲(chǔ)能容量的配置應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)和負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以確定儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的容量范圍。其次，需要考慮新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和波動(dòng)性。新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出具有波動(dòng)性和間斷性，因此儲(chǔ)能容量的配置應(yīng)能夠有效平滑能源輸出的波動(dòng)，并滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)穩(wěn)定供電的要求。通過(guò)分析新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出曲線(xiàn)和波動(dòng)情況，可以確定儲(chǔ)能容量的適宜范圍。再次，需要考慮經(jīng)濟(jì)性和成本效益。儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本是優(yōu)化配置的重要考慮因素。儲(chǔ)能容量的增加會(huì)增加系統(tǒng)的投資成本，因此需要在經(jīng)濟(jì)性和成本效益之間進(jìn)行權(quán)衡。通過(guò)經(jīng)濟(jì)評(píng)估和成本效益分析，可以確定最優(yōu)的儲(chǔ)能容量配置方案。最后，還要考慮系統(tǒng)的可靠性和安全性。儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)具備足夠的可靠性和安全性，以確保其正常運(yùn)行，保護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)化

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)化是新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略，可以最大限度地發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略需要綜合考慮多個(gè)因素。首先是充放電策略的優(yōu)化，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求和能源輸入情況，確定最佳的充放電時(shí)間和電量分配策略，以實(shí)現(xiàn)供需平衡和最大化利用儲(chǔ)能容量。其次是能量管理策略的優(yōu)化，包括能量調(diào)度和能量?jī)?yōu)化控制2 個(gè)方面。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電行為，使其能夠靈活應(yīng)對(duì)電網(wǎng)需求，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化算法和控制策略使儲(chǔ)能系統(tǒng)在充放電過(guò)程中達(dá)到最優(yōu)效果，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性[4]。再次是儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行策略的優(yōu)化，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)與電網(wǎng)的運(yùn)行要求相匹配，如在電網(wǎng)頻率控制方面提供快速調(diào)節(jié)功率響應(yīng)。通過(guò)協(xié)同運(yùn)行策略的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的互補(bǔ)，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。最后是安全管理策略的優(yōu)化，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足安全和可靠性的要求，包括安全監(jiān)測(cè)、故障診斷以及安全控制等方面。通過(guò)優(yōu)化安全管理策略，可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性，預(yù)防潛在的意外事故。

3.3 儲(chǔ)能技術(shù)與其他能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化

儲(chǔ)能技術(shù)與其他能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化是新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化研究的重要內(nèi)容。通過(guò)協(xié)同優(yōu)化儲(chǔ)能技術(shù)與其他能源系統(tǒng)的運(yùn)行，可以提高系統(tǒng)的整體效率、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。

首先，與風(fēng)電、光伏等可再生能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化是關(guān)鍵。由于可再生能源的波動(dòng)性和間歇性，其輸出功率會(huì)有較大的波動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。儲(chǔ)能技術(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)充放電速率和容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源輸出功率的平滑處理，提供靈活的調(diào)峰填谷能力，從而提高系統(tǒng)的可靠性和供電質(zhì)量。

其次，與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化具有重要意義。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)包括火電、核電等基礎(chǔ)能源，其輸出功率相對(duì)穩(wěn)定，但在調(diào)峰填谷和應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)方面存在一定的局限性。儲(chǔ)能技術(shù)的引入可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的不足，提供靈活的調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化系統(tǒng)的供需平衡，降低能源消耗和環(huán)境影響。

最后，與電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化也是重要的研究方向。儲(chǔ)能技術(shù)可以作為電網(wǎng)的有源電力調(diào)節(jié)手段，根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行充放電操作，提供快速響應(yīng)和靈活控制，平衡電網(wǎng)的功率和頻率[5]。通過(guò)與電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和負(fù)荷管理，提高電網(wǎng)的可靠性和安全性。

4 結(jié) 論

儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)的引入，可以平滑新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰填谷和頻率調(diào)節(jié)等功能。此外，優(yōu)化儲(chǔ)能容量配置可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，更多的新能源發(fā)電系統(tǒng)將采用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置和運(yùn)行管理。同時(shí)，跨領(lǐng)域合作與綜合能源系統(tǒng)的研究將進(jìn)一步推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)與其他能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。