计及风光消纳的电化学储能系统优化及效益研究.pdf

总第2 2 9 期2023年第7 期经营管理计及风光消纳的电化学储能系统优化及效益研究*唐京瑞，段勋兴（重庆化工职业学院，智能制造与汽车学院，重庆40 12 2 0）摘要：随着风电和光伏等新能源为主体的新型电力系统构建不断完善，以及锂电池成本的快速下降，以电化学储能为载体在峰谷电价中套利已成为电力储能系统辅助服务发展的重要方向。以新型城镇电网为应用场景，分析了储能技术在城市电网中的必要性，通过对比不同储能技术的成本效益，论证了电化学储能在考虑风电和光伏消纳中的可行性，结合新能源分布式电网特点，提出了储能系统优化设计方案。关键词：电化学储能；风电和光伏；储能技术；成本效益中图分类号：TM610引言进入2 1世纪以来，随着风电、光伏等新能源发电规模的不断提升，以及动力锂电池成本的下降，国内外围绕以电化学储能开展了深人的研究和探索。电化学储能是指利用各种二次电池储能，目前以铅蓄电池和锂电池为主，它具有响应速度快、充放电时效特效高、成本低、技术成熟等优点，便于电网负荷调节。我国能源发展相关报告指出，到2 0 40 年新能源发电量将占到新增发电量的50%，截止到2 0 2 1年，全球电化学储能累计复合增长率达到35%，是近年来包含电动汽车发展最为快速的储能技术。电能储存技术主要分为物理储能、电磁储能和电化学储能几大类别,其中物理储能又包括抽水储能和压缩空气储能，电磁储能包括超级电容储能和超导电磁储能等。在以上几种储能方式中,抽水储能是目前技术最成熟，最经济的储能方式，它是通过将水储存到高处所具备的势能，广泛应用于电力系统调峰调频，但由于受到地理条件限制，且建设周期长，不适合用于分布式新能源电能的储存场合。压缩空气法储能是通过将空气压缩到储气罐的形式，从而摆脱了地理位置的约束,但整个系统的能量转化效率仍处于较低水平，只有50%7 0%之间，这在一定程度上影响了储能的经济性。伴随着动力锂电池技术的发展和成本上的降低,电化学储能具有储能效率高,对外界环境地理条件依赖小等优点,并且相对于电磁储能技术更为成熟,经济成本更小,应用范围也更广2-3。因此,在计及风电和光伏等新能源电网结构中的储能过程中，电化学储能具有更好的发展前景。基于上述背景，以新型城镇电网为应用场景，针对不同储能技术优缺点和应用场景进行了分析,提出了在考虑风电和光伏消纳的前提下,利用电化学储能的解决实施方案，通过经济效益成本分析，所提出的收稿日期：2 0 2 3-0 1-2 9基金项目：重庆化工职业学院创新创业项目（HZY202214315010）；重庆市自然科学基金面上项目（CSTB2022NSCQ-MSX0490）第一作者简介：唐京瑞（19 8 5一），男，硕士，副教授，研究方向为人工智能及其在电力系统中的应用、电力系统分析与智能调度。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization文献标识码：A优化方案具有一定的有效性和实用性。1城市电网储能系统建设的必要性分析1.1电力系统调频随着风电和光伏接人容量的增多，可再生能源可用于补偿发电机组的调频容量，调节发电端和用户侧的动态平衡，进而减轻电力系统调频的负担，但是风光能源的不稳定性和间歇性将直接影响系统调频的稳定性,因此通过建立储能系统将有效改善和增强电力系统的调频性能,利用储能装置合理调配充放电时间，充分利用充电时吸收功率、放电时输出功率的这一特性，将电力系统频率维持在合理波动区间,实现电力系统调频,图中纵坐标充放电代表的是充电和放电的两种过程状态，如图1所示。一吸收功率50.0250.0049.98充放电图1储能系统调频动态平衡图1.2可再生能源的平滑抑制可再生能源主要包括风电、光能、地热能、潮汐能和生物质能等,这些能源的根本性特点是具有强烈的间歇性和波动性，无法像水电和火力发电可以提前制定出力计划，接入电网和退出电网时对电力系统均存在一定程度的波动和影响,储能技术的应用将弥补夜间无光、风力发电无风等特殊情况，从而对风能，太阳能等可再生能源输出波动的平滑抑制，持续向用户供电。1.3削峰填谷减少城市用电峰谷差近年来，随着我国城市化和制造业的快速发展，Total 229No.7,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.07.083文章编号：2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)0 7-0 2 44-0 4一输出功率时间充电放电时间2023年第7 期唐京瑞，等：计及风光消纳的电化学储能系统优化及效益研究245格昂贵的超导材料和低温制冷系统，短期内很难商城市白天和晚上电力需求的峰谷差越来越大，如果单纯依靠火电机组进行调峰，势必造成在谷值时系统闲置容量过大,导致系统成本增加,经济性下降。同时过多的火力发电厂将增加碳排放，不利于实现城市用电节能减排的目标。因此研究和探索一种先进的储能方式将电网负荷低谷时期的电能吸收并储存起来,在电网负荷用电高峰期间再通过放电将电能释放，以满足用电高峰的需求，则可以实现电力系统的削峰填谷，减少城市用电的峰谷差，从而科学地实现城市用电节能减排的最终目标。2风光互补能源消纳系统设计2.1分布式能源系统模型我国传统能源分供系统主要是利用锅炉燃烧加热、抽水蓄能的形式为用户提供电负荷、热负荷和冷负荷。其中用户电负荷直接由电网提供、热负荷通过锅炉燃烧燃料产生蒸汽经换热设备提供、冷负荷则由电能驱动制冷机提供4-5。随着技术的不断发展,能源结构也发生了很大的改变，相继出现了以余热发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等多种能源并存结构,这种多能互补能源系统结构的提出能够有效改善风电和光伏能源的不连续问题，从而抑制其出力的波动性，克服不稳定不连续的缺点。典型的分布式能源系统结构包含了风力发电、太阳能发电，余热锅炉、生物发电等多种能源进行联合，构成了分布式能源系统模型,结构如图2 所示。EE原动机组水轮机组太阳能光伏发电太阳能集热器图2 分布式能量系统模型由能量平衡可知,分布式系统能量平衡关系如下：E,=E+Ep.(1)式中：E、为分布式电网提供的电能;E为制冷和制热等辅助设备所消耗的电能;E，为用户消耗电能，如照明用电等。2.2不同类型储能技术特征分析根据储能技术原理划分，储能技术主要分为机械物理储能（如抽水储能、飞轮储能和压缩空气储能）、电磁储能(如电容器、超级电容器和超导磁能存储)和电化学储能(如铅酸电池、镍镉电池和锂离子电池等）三大类。下面分别对其技术特征进行分析。1)机械储能技术。它是以动能或者势能的形式储存能量的一种技术,主要包括抽水储能、飞轮储能和压缩空气储能等。其中抽水储能是利用电力低负荷期间将水从低处抽到高处存储，当电力高负荷时，水被释放利用势能驱动电动机组产生电力的过程，由于水的惯性,抽水储能对负荷的响应速度较慢,且受地理环境的影响较大。飞轮储能是利用电力低负荷期间将动能储存到旋转机械装置，当电力高负荷期间释放的一种储能技术，它具有能量转化速度快,功率密度高等优点，但受机械材料和技术的限制，主要应用于城市轨道交通行业中。压缩空气储能是利用多余的电能将空气压缩到指定容器中，电力高负荷期间再释放转化为电能的一种储能技术,与传统的电池相比,压缩罐的使用寿命更长,但存在热能管理和能量密度低等缺点，难以小型化应用，不适合微电网等分布式能源储能。2)电磁储能技术。普通电容器储能是将电荷存储在介电材料隔开的两个金属板上，它具有寿命周期长，放电响应时间快的优点，但功率密度低。超级电容器又称双层电容器，与普通电容器不同的是它使用了两层金属丝制成的多孔碳以形成介电材料,因此它具有高额定功率下进行充放电时间短的优点，被广泛应用在电动汽车启动电源领域，缺点是储能密度低于一般的化学电池,续航能力不足。超导电磁储能是利用E超导体电阻为零的特性，将电能储存到超导线圈中，E需要时再将电磁能返回电网或负载。它结构简单，不需要旋转机械部件和密封等问题，因此具有设备寿命长，储能密度高，响应速度快等优点，但受限于价制冷机用户余热锅炉制冷装置换热装置E风力发电业化门7。3)电化学储能技术。电化学储能又称为电池储能，它是一种技术成熟，广泛应用于各行各业电能储其他发电存领域中，根据电池材料的特性，主要包括铅酸电池、镍镉电池和锂离子电池几大类。铅酸电池因为其价格低廉是目前应用最为广泛的电池，它可以频繁地进行充电和放电，但存在如果放电太深，电池寿命就会急剧下降,且存在安全性能不佳等缺点8-9 。相对而言，锂离子电池由于具有较高的能量密度、充放电效率高和使用寿命周期长等优点备受青，但曾因为需要特殊的封装要求和过充保护等技术成本原因受限其发展和使用，但近年来，随着技术的发展，锂电池价格的迅速下降，目前已受到了广泛关注和研究，将锂电池作为电化学储能的重点研究方向，在考虑风光消纳场景下与其他方案进行成本效益分析，以作出最优的选择方案。现代工业经济和信息化第13卷2.3风光互补储能单元结构设计结合上述储能技术分析，动力锂离子电池具有能量密度高，可靠性和安全性有保障等优点，且近年来随着锂电池技术的迅速发展，其成本较2 0 10 年以来已经下降近8 0%，在电力系统储能领域中得到了广泛应用，截至2 0 2 0 年底我国可再生能源发电装机总量已达到了7.2 亿kW，其中风电装机容量2.7 5亿kW，光伏发电装机容量2.4亿kW，其他装机容量2.0 5kW。从可再生能源发电结构上看，风光电仍维持高增速阶段。但由于风光电力的发电量受天气和季节的影响波动性较大，与电网稳定的用电需求不匹配，这样容易导致电网频率及电能质量波动性较大，为了满足用户侧电能质量的要求,经常会产生弃风、弃光现象，从而导致风光能源利用率降低,因此通过储能系统技术能够有效缓解弃风、弃光状况。风光互补微网系统将以电化学储能的锂电池作为储能单元,风机和太阳能发电板通过中央控制器与交流母线相连，电化学蓄电池组通过双向逆变器接入交流母线，用于保证系统能量的供需平衡，夜间电网低负荷时，储能装置电压较低，这种情况下中央控制器使逆变器进入充电模式，给电池充电进行储能。反之当进入电网高负荷时，储能装置向交流电网放电，为负载提供电能。此外，在电网和交流母线之间还设置一个断路器，当遇到电网停电时,断路器自动将电网接口切除，离网逆变给本地负载供电，风光能源工作在离线模式。当电网恢复供电时，中央控制器自动与电网连锁，转入并网状态。其风光互补直流总线系统结构如图3所示。世风力发电机组电化学蓄电池组AC负载图3风光互补直流总线系统结构图双向储能逆变器能够实现电源与负荷之间的一体化运行，通过与主电网的协同控制，可以平滑接入主电网或独立自主运行，充分满足用户对供电可靠性、电能质量和安全性的要求。微网系统拓扑图如图4所示。3电化学储能系统优化及效益分析我国目前各省份工业用电大户均已实行峰谷电价制，通过提高白天高峰期电价，降低夜晚低谷期电价，引导用户分时计划合理用电，从而保障电力公司电网隔离开关G风力发电光伏发电负载负载电池电池图4独立运行逆变器微网系统拓扑图均衡供应电力，避免部分发电机组频繁启停造成不必要损耗，保证电力系统的安全与稳定运行。为此，储能用于峰谷电价差套利成为了现实，用户可以选择在低谷期利用储能装置存储电能,在高峰期使用储存好的电能，避免大量使用高价的电网电能，这为企业提供了可观的效益空间。同时储能系统的引人还可以为风电和光伏等新能源电站接人电网提供一定的缓冲,对风光出力和能量调度起到平滑抑制的作用，在一定程度上改善新能源发电功率不稳定的状况，从而提高供电质量，提升新能源发电的可调度性和利用率。储能系统的成本和峰谷价直接决定了用户侧储能的成本效益，假设企业每年开展生产30 0 d,根据计算公式：静态投资回收期=(电池容量一次性单位容量投人成本）/（每天高峰期用电量峰谷电价差）/300，以重庆市2 0 2 2 年1 10 kV电压间峰谷价差0.82元/kWh为例，采用不同的储能技术,计算各自的投资回收成本。从储能技术性能分析结果来看，机械物理储能技术不适合于风光消纳系统储能,电磁储能技术由于成本高，短时间内很难商业化,因此主要针对电化学储能中常见的铅酸电池、镍镉电池和锂离子电子进行静态投资期计算和分析，分析结果如表1光伏所示。表1不同技术路线投资回收期及性能风机和光伏控制器中央控制器交流母线-N类别系统成本能量密度充放电循环次数/次静态投资回/(元/Wh）(Wh/kg)逆变器铅酸电池1.2镍镉电池1.3锂离子1.5电池从表1可以看出，利用铅酸电池的静态投资回收期最短，仅需要4.6 a，相比较而言，锂离子电池的投资回收期最长，为5.8 a。但从综合性能来看,锂离子电池的能量密度及充放电倍率等其他综合性能均比铅酸电池和镍镉电池好,并且随着锂离子电池技术的发展，到2 0 2 5年系统成本有望降低到1元/Wh及以下,届时静态投资回收期将缩短至3.9 年，并且随着电动汽车退役电池进入梯次利用阶段，储能成本还将会进一步下降。倍率301000.51101300.91201503收期/a2 0004.0004.62 2004 0005.13.00055005.82023年第7 期4结语针对风电和光伏电能接入电网容易导致电网频率及电能质量波动较大，经常出现弃风、弃光现象，从储能技术的角度分析了不同储能方案,得出了电化学储能在计及风光消纳中的优势，设计了风光互补储能单元结构，给出了风光互补直流总线系统结构方案，并通过电化学储能技术方案中的不同电池进行了投资回收期及性能分析,得出锂电子电池储能具有能量密度高，充放电倍率优，安全性好等优势，在充分考虑锂电子未来系统成本可降低的前提下,建议通过适宜的商业模式和充分利用电动汽车退役电池梯次利用手段，共同推进风光储能等可再生能源产业的发展，但考虑到电磁储能技术未来发展也具有较大优势,如超导材料得到快速发展，计及风光消纳等可再生能源储能技术仍有待进一步探究。Optimization and Cost Study of Electrochemical Energy Storage System Considering Wind(Institute of Intelligent Manufacturing and Automobile,Chongqing Chemical Industry Vocational College,Abstract:Considering the continuous improvement of the construction of new power systems dominated by new energy sources such aswind power and photovoltaic,and the rapid decline in the cost of lithium batteries,arbitrage in peak and valley electricity prices withelectrochemical energy storage as the carrier has become an important direction for the development of auxiliary services of power storagesystems.Taking the new urban power grid as the application scenario,this paper analyzes the necessity of energy storage technology inurban power grid,demonstrates the feasibility of electrochemical energy storage in considering wind power and photovoltaic consumption bycomparing the cost-effectiveness of dfferent energy storage technologies,and proposes an optimal design scheme of energy storage systembased on the characteristics of new energy distributed power grid.Key words:electrochemical energy storage;wind and solar;energy storage;cost effectiveness(上接第2 43页）Study on Financial Performance Evaluation and Development Path of A-share Listed Supply(1.Institute of Economics,Hebei University of Economics and Business,Shijiazhuang Hebei 050061,China;2.Collaborative Innovation Center of Beijing-Tianjin-Hebei Integrated Development,HebeiAbstract:As the scale of Chinas digital economy grows,traditional supply chain management gradually changes from partial to overall,fromdiscrete to intensive,from rough management to refined management.There are many supply chain-related enterprises in various industriesand fields,and they need to design a financial performance evaluation index system that fits their own development path,so as to improve theircore competitiveness through optimizing supply chain management.The financial data of 40 A-share supply chain enterprises withdevelopment potential in 2021 were selected,and the evaluation index system was constructed from four dimensions,namely profitability,solvency,operational capability and development capability,and five common factors were extracted using factor analysis to calculate the factorscores.The study found that supply chain enterprises have greater advantages in transformation and upgrading in the future.The study suggeststhat enterprises should restructure their supply chain management system,strengthen cost control and expand their market share to attract morehigh-quality resources,so as to facilitate their strategic transformation.Key words:supply chain;financial performance;evaluation index system唐京瑞，等：计及风光消纳的电化学储能系统优化及效益研究电工技术,2 0 2 0(2 2):54-55.3孙浩程，魏厚俊.电化学储能技术在火电厂中应用研究综述J.南方能源建设,2 0 2 2,9(4)：6 3-6 9.4李岳.探析光伏发电系统与储能装置的协调运行以及控制J.新能源科技,2 0 2 2(11):2 4-2 6.5孟明，薛宛辰.综合能源系统环境下储能技术应用现状研究J.电力科学与工程,2 0 2 0,36(6)：1-9.6孟彦京，杜鹃，马汇海.基于储能技术的不平衡负载下光伏并网控制系统研究J.陕西科技大学学报，2 0 18,36(5)：146-151.7田蓓，王朝晖.面向风光综合消纳的电力系统广域储能容量优化配置研究J.智慧电力，2 0 2 0,48（6)：6 7-7 2.8姚海涛.含氢储的混合储能在风光互补发电系统中容量优化研究J.电气开关,2 0 2 0,58(6)：18-2 2.9黄博文，周雨桦，易浩波，等.储能技术应用在湖南电网中的可行性分析J.大众用电,2 0 18,32(8)：19-2 1.(编辑：白龙)Power and Solar EnergyTang Jingrui,Duan XunxingChongqing 401220,China)Chain EnterprisesZhu Ronghao,Li Haifeil2University of Economics and Business,Shijiazhuang Hebei 050061,China)247参考文献1周强，马万里.多类型电源提升风光电集群高效消纳的源网协调控制研究J.电网与清洁能源，2 0 2 2,38(4)：135-142.2章浩，刘天慧“风光+抽蓄”运行模式可再生能源消纳研究J.