儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代配電網(wǎng)中的應(yīng)用

摘 要:配電網(wǎng)的峰谷差隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸增大,對(duì)電能質(zhì)量的要求日益增高。儲(chǔ)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(jì)性及電能質(zhì)量。本文對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代配電網(wǎng)中的應(yīng)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(shì),其特征是自愈、兼容、交互、協(xié)調(diào)、高效、優(yōu)質(zhì)、集成,各國(guó)根據(jù)各國(guó)的國(guó)情和需求對(duì)智能電網(wǎng)有著不同的定義和側(cè)重點(diǎn), 目前我國(guó)處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段, 對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高, 國(guó)家大力推廣貫徹節(jié)能減排, 電網(wǎng)引入儲(chǔ)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(fù)荷使電力設(shè)備得到更好的利用, 降低線路損耗。

1 現(xiàn)代配電網(wǎng)存在的問(wèn)題

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

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

(2)大量非線性負(fù)載,對(duì)供電系統(tǒng)造成很大的諧波污染, 復(fù)雜大電網(wǎng)受到擾動(dòng)后的安全穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。

(3 )各種新的用電設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活中得到廣泛的應(yīng)用,電網(wǎng)中敏感負(fù)荷不斷的增加, 用戶對(duì)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(hù)和政府政策因素對(duì)電力系統(tǒng)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(chǔ)技術(shù)在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。儲(chǔ)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(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能設(shè)備后, 可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理,減小負(fù)荷峰谷差,不僅可以更有效地利用電力設(shè)備, 降低供電成本,還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用,也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來(lái)變革。

2.1 削峰填谷

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

儲(chǔ)能站直接接入配網(wǎng), 可在用電低谷時(shí)作為負(fù)荷存儲(chǔ)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(fù)荷,對(duì)電網(wǎng)而言相當(dāng)于改善了負(fù)荷特性, 實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平控制,和負(fù)荷轉(zhuǎn)移等。給電網(wǎng)帶來(lái)的直接好處包括:減少系統(tǒng)備用容量的需求,減少系統(tǒng)中的調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組的需求; 減輕高峰負(fù)荷時(shí)輸電網(wǎng)的潮流, 有助于減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)的損耗,減少輸電網(wǎng)的設(shè)備投資,提高輸配電設(shè)備的利用率; 減少火電機(jī)組參與調(diào)峰, 提高發(fā)電效率, 從而獲取經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致機(jī)組間的振蕩, 通過(guò)發(fā)電機(jī)附加勵(lì)磁控制可以有效地抑制, 但是對(duì)于大型復(fù)雜互聯(lián)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的區(qū)域間多模式低頻振蕩問(wèn)題, 最有效控制點(diǎn)可能位于遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)組的某條輸電線路上, 若通過(guò)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最有效控制部位的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制來(lái)抑制,往往難以達(dá)到滿意的控制效果。

只要儲(chǔ)能裝置容量足夠大而目響應(yīng)速度足夠快, 就可以實(shí)現(xiàn)任何情況下系統(tǒng)功率的完全平衡, 這是一種主動(dòng)致穩(wěn)電力系統(tǒng)的思想[3]。由于這種電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置不必和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用,因此, 可以方便地使用在系統(tǒng)中對(duì)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(bǔ)償?shù)膬?chǔ)能系統(tǒng), 電網(wǎng)中各機(jī)組在受擾動(dòng)后的暫態(tài)過(guò)程中, 可以保持同步運(yùn)行, 系統(tǒng)崩潰事故的發(fā)生可以得到避免。

SMES的ms級(jí)響應(yīng)、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(wěn)定性。能在系統(tǒng)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(duì)電網(wǎng)的沖擊, 消除互聯(lián)電力系統(tǒng)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(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài),提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.3 提高電能質(zhì)量

大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)可以用于提高配網(wǎng)電能質(zhì)量,提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性;為系統(tǒng)提供備用, 調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相, 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。

當(dāng)用戶側(cè)對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)接在負(fù)荷側(cè), 與先進(jìn)的電力電子技術(shù)相結(jié)合,可以減小系統(tǒng)的諧波畸變。實(shí)現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無(wú)功控制,快速平衡系統(tǒng)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(tǒng)中各機(jī)組和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓保持在正常運(yùn)行水平,平穩(wěn)負(fù)荷的母線電壓,保證用戶電壓波形的平滑性, 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(xiàn)在已經(jīng)可以利用儲(chǔ)能裝置為每一個(gè)用戶(家用、商用或者工業(yè)用戶)提供不間斷的高質(zhì)量供電電源,而且可以讓用戶自主選擇何時(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。用戶用電的安全可靠性大大提高,停電次數(shù)、時(shí)間和停電損失大幅減少, 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)明顯。

2.4 延緩配網(wǎng)升級(jí), 降低成本

當(dāng)某一線路負(fù)荷超過(guò)其容量時(shí), 則需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)或者增建, 傳統(tǒng)的措施包括升級(jí)或者增建變電站變壓器、輸配電線路等。傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃或電網(wǎng)升級(jí)擴(kuò)建成本很高, 尤其是在擁擠的城市區(qū)域。

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

儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦形成規(guī)模效應(yīng), 可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高發(fā)電和輸配電環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率,減少相應(yīng)的電源和電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。這將徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式,促進(jìn)其從外延擴(kuò)張型向內(nèi)涵增效型轉(zhuǎn)變。

3 提高智能電網(wǎng)兼容性

對(duì)于國(guó)內(nèi)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(duì)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(tǒng)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(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),并網(wǎng)的DG可能會(huì)與線路電容發(fā)生鐵磁諧振而造成過(guò)電壓, 損壞變壓器等電氣設(shè)備, 擴(kuò)大停電事故,降低系統(tǒng)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(fù)荷預(yù)測(cè)和調(diào)度運(yùn)行管理的難度,降低系統(tǒng)可靠性;如果僅將DG作為備用電源,則將會(huì)造成資源浪費(fèi),影響電網(wǎng)效益。

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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(shè)儲(chǔ)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(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用, 將很好地提高系統(tǒng)的可靠性,提高電能質(zhì)量,緩解電量的供需不平衡。不同儲(chǔ)能形式有各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用環(huán)境, 應(yīng)用時(shí)需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。隨著儲(chǔ)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(yīng)用, 對(duì)現(xiàn)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(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用, 勢(shì)必為電力系統(tǒng)引入的可控負(fù)荷容量在數(shù)值上足以影響電網(wǎng)安全運(yùn)行, 需要深入研究其能量管理及運(yùn)行控制模式, 使之有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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