儲能技術(shù)在現代配電網(wǎng)中的應用

摘 要:配電網(wǎng)的峰谷差隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展逐漸增大,對電能質(zhì)量的要求日益增高。儲能技術(shù)是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要支撐,能有效提高電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟性及電能質(zhì)量。本文對儲能技術(shù)在現代配電網(wǎng)中的應用與效益進(jìn)行了綜述。

智能電網(wǎng)的發(fā)展是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展趨勢,其特征是自愈、兼容、交互、協(xié)調、高效、優(yōu)質(zhì)、集成,各國根據各國的國情和需求對智能電網(wǎng)有著(zhù)不同的定義和側重點(diǎn), 目前我國處于經(jīng)濟高速發(fā)展階段, 對電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高, 國家大力推廣貫徹節能減排, 電網(wǎng)引入儲能技術(shù)可以提高電網(wǎng)的可靠性與供電質(zhì)量,通過(guò)平滑負荷使電力設備得到更好的利用, 降低線(xiàn)路損耗。

1 現代配電網(wǎng)存在的問(wèn)題

安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、可靠是對電力系統的基本要求, 同時(shí)也是未來(lái)電網(wǎng)中的發(fā)展目標。隨著(zhù)全球經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電力系統的運行和需求正在發(fā)生巨大的變化, 主要問(wèn)題有:

(1)電力負荷峰谷差增大,系統裝機容量難以滿(mǎn)足峰值負荷的需求, 導致電網(wǎng)在負荷高峰時(shí)拉閘限電,而低谷時(shí),要停掉很多機組,機組頻繁啟停不僅增加能耗,而且影響機組壽命, 使電力設備平均利用時(shí)間下降、發(fā)電效率下降、經(jīng)濟效益降低。

(2)大量非線(xiàn)性負載,對供電系統造成很大的諧波污染, 復雜大電網(wǎng)受到擾動(dòng)后的安全穩定性問(wèn)題日益突出。

(3 )各種新的用電設備在人們日常生產(chǎn)、生活中得到廣泛的應用,電網(wǎng)中敏感負荷不斷的增加, 用戶(hù)對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高。

(4 )必須考慮環(huán)境保護和政府政策因素對電力系統發(fā)展的影響[1]。為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量,柔性配電技術(shù)的研究逐漸深入,電能存儲技術(shù)在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。儲能技術(shù)把發(fā)電與用電從時(shí)間和空間上分隔開(kāi)來(lái),發(fā)電不再是即時(shí)傳輸,用電和發(fā)電也不再實(shí)時(shí)平衡,將影響傳統電網(wǎng)規劃、運行和控制。

2 儲能技術(shù)在配電網(wǎng)中的應用

電力系統中引入儲能設備后, 可以有效地實(shí)現需求側管理,減小負荷峰谷差,不僅可以更有效地利用電力設備, 降低供電成本,還可以促進(jìn)可再生能源的應用,也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動(dòng)的一種手段。儲能技術(shù)的應用將在傳統的配電系統設計、規劃、調度、控制等方面帶來(lái)變革。

2.1 削峰填谷

電力負荷存在白天高峰和夜間低谷的周期性變化, 負荷峰谷差往往達到發(fā)電出力的30%～40%[2],當前,電網(wǎng)負荷的峰谷差日益擴大,系統調峰壓力很大。2010年11月,發(fā)展改革委、電監會(huì )等六部委聯(lián)合印發(fā)《電力需求側管理辦法》, 針對電力需求側提出了十六項定性或定量的管理和激勵措施, 其中提到“ 將推動(dòng)并完善峰谷電價(jià)制度,鼓勵低谷蓄能”等,《辦法》將于2011年1月1 日起實(shí)施。

儲能站直接接入配網(wǎng), 可在用電低谷時(shí)作為負荷存儲電能量, 在用電高峰時(shí)作為電源釋放電能, 在一定程度上減弱峰谷差,變相削減峰值負荷,對電網(wǎng)而言相當于改善了負荷特性, 實(shí)現電力系統的負荷水平控制,和負荷轉移等。給電網(wǎng)帶來(lái)的直接好處包括:減少系統備用容量的需求,減少系統中的調峰調頻機組的需求; 減輕高峰負荷時(shí)輸電網(wǎng)的潮流, 有助于減少系統輸電網(wǎng)絡(luò )的損耗,減少輸電網(wǎng)的設備投資,提高輸配電設備的利用率; 減少火電機組參與調峰, 提高發(fā)電效率, 從而獲取經(jīng)濟效益。

2.2 抑制電網(wǎng)振蕩

任何微小擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)不平衡功率都會(huì )導致機組間的振蕩, 通過(guò)發(fā)電機附加勵磁控制可以有效地抑制, 但是對于大型復雜互聯(lián)電力系統中出現的區域間多模式低頻振蕩問(wèn)題, 最有效控制點(diǎn)可能位于遠離發(fā)電機組的某條輸電線(xiàn)路上, 若通過(guò)遠離系統最有效控制部位的發(fā)電機組勵磁控制來(lái)抑制,往往難以達到滿(mǎn)意的控制效果。

只要儲能裝置容量足夠大而目響應速度足夠快, 就可以實(shí)現任何情況下系統功率的完全平衡, 這是一種主動(dòng)致穩電力系統的思想[3]。由于這種電力系統穩定控制裝置不必和發(fā)電機的勵磁系統共同作用,因此, 可以方便地使用在系統中對于抑制振蕩來(lái)說(shuō)最有效的部位。使用能向電網(wǎng)提供1～2 秒鐘有功功率補償的儲能系統, 電網(wǎng)中各機組在受擾動(dòng)后的暫態(tài)過(guò)程中, 可以保持同步運行, 系統崩潰事故的發(fā)生可以得到避免。

SMES的ms級響應、大容量功率/ 能量傳遞的特性適用于提高大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩定性。能在系統發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率,減小和消除擾動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊, 消除互聯(lián)電力系統中的低頻振蕩,抑制同步振蕩和諧振,并在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程, 使系統迅速恢復穩定狀態(tài),提高系統運行的可靠性。

2.3 提高電能質(zhì)量

大容量?jì)δ芗夹g(shù)可以用于提高配網(wǎng)電能質(zhì)量,提高系統電壓穩定性;為系統提供備用, 調峰、調頻、調相, 電力系統穩定器等。

當用戶(hù)側對電能質(zhì)量和電壓波形要求較高時(shí),例如電子芯片制造業(yè),這時(shí)就需要把儲能系統接在負荷側, 與先進(jìn)的電力電子技術(shù)相結合,可以減小系統的諧波畸變。實(shí)現高效的有功功率調節和無(wú)功控制,快速平衡系統中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率,消除電壓凹陷和凸起,使全系統中各機組和負荷節點(diǎn)的電壓保持在正常運行水平,平穩負荷的母線(xiàn)電壓,保證用戶(hù)電壓波形的平滑性, 從而能有效地提高供電的電能質(zhì)量。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō), 現在已經(jīng)可以利用儲能裝置為每一個(gè)用戶(hù)(家用、商用或者工業(yè)用戶(hù))提供不間斷的高質(zhì)量供電電源,而且可以讓用戶(hù)自主選擇何時(shí)通過(guò)配電回路從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)回饋電能。用戶(hù)用電的安全可靠性大大提高,停電次數、時(shí)間和停電損失大幅減少, 經(jīng)濟效應和社會(huì )效應明顯。

2.4 延緩配網(wǎng)升級, 降低成本

當某一線(xiàn)路負荷超過(guò)其容量時(shí), 則需要對配電網(wǎng)進(jìn)行升級或者增建, 傳統的措施包括升級或者增建變電站變壓器、輸配電線(xiàn)路等。傳統的電網(wǎng)規劃或電網(wǎng)升級擴建成本很高, 尤其是在擁擠的城市區域。

在儲能技術(shù)不斷成熟以及裝置成本持續降低的前提下, 面對負荷增長(cháng)將要超過(guò)配電線(xiàn)路負載能力時(shí), 電力公司可考慮在(1)過(guò)負荷情況較少出現并且過(guò)負荷只是發(fā)生在某天的幾個(gè)小時(shí)內;(2)負荷增長(cháng)緩慢;(3)配電網(wǎng)升級資金昂貴,小容量的儲能可以延緩相對較大的投資,“杠桿”作用很明顯;4)傳統的升級方法行不通,比如無(wú)線(xiàn)路走廊, 考慮環(huán)境和美觀(guān)因素等不能鋪設線(xiàn)路等情況下, 利用安裝在過(guò)負荷節點(diǎn)的較小容量的儲能裝置來(lái)延緩輸配電網(wǎng)升級所帶來(lái)的較大的資金投入,延緩配網(wǎng)升級[4]。

儲能系統一旦形成規模效應, 可以通過(guò)儲能系統提高發(fā)電和輸配電環(huán)節的設備利用率,減少相應的電源和電網(wǎng)建設費用。這將徹底改變現有電力系統的建設模式,促進(jìn)其從外延擴張型向內涵增效型轉變。

3 提高智能電網(wǎng)兼容性

對于國內外正在積極研究的智能電網(wǎng), 分布式能源接入配電網(wǎng)使得各支路潮流不再是單方向流動(dòng), 將對電網(wǎng)帶來(lái)較大影響[5]:

(1)DG直接接入配電網(wǎng)后,會(huì )引入各種擾動(dòng),從而引起系統電壓和頻率的偏差、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題。

(2)當配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),并網(wǎng)的DG可能會(huì )與線(xiàn)路電容發(fā)生鐵磁諧振而造成過(guò)電壓, 損壞變壓器等電氣設備, 擴大停電事故,降低系統安全可靠性。

(3)DG發(fā)電量的高度不確定性使得DG的直接并網(wǎng)會(huì )增大負荷預測和調度運行管理的難度,降低系統可靠性;如果僅將DG作為備用電源,則將會(huì )造成資源浪費,影響電網(wǎng)效益。

儲能技術(shù)是實(shí)現智能電網(wǎng)能量雙向互動(dòng)的中樞和紐帶,DG接入帶來(lái)的這些問(wèn)題通過(guò)合理的裝設儲能裝置能夠得到很好的解決, 是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展最重要的推動(dòng)力之一。

4 結語(yǔ)

儲能技術(shù)的應用, 將很好地提高系統的可靠性,提高電能質(zhì)量,緩解電量的供需不平衡。不同儲能形式有各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢和適用環(huán)境, 應用時(shí)需綜合考慮經(jīng)濟性和技術(shù)性。隨著(zhù)儲能技術(shù)向大容量,低成本發(fā)展,技術(shù)日益成熟,比將在未來(lái)電網(wǎng)中得到廣泛應用, 對現代化的電能生產(chǎn)、輸送、分配和利用產(chǎn)生深刻影響;但是,儲能技術(shù)的規?；瘧? 勢必為電力系統引入的可控負荷容量在數值上足以影響電網(wǎng)安全運行, 需要深入研究其能量管理及運行控制模式, 使之有利于電網(wǎng)安全穩定運行。

參考文獻

[1] 程時(shí)杰,文勁宇,孫海順.儲能技術(shù)及其在現代電力系統中的應用[J].電氣應用,2005(24):1-8.

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[4] 夏翔,雷金勇,甘德強.儲能裝置延緩配電網(wǎng)升級的探討[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2009,9(24):33-39.

[5] 劉東,黃玉輝,陳羽,柳勁松.基于大規模儲能系統的智能電網(wǎng)兼容性研究[J].電力系統自動(dòng)化,2010,1,25(34):15-19.