刘 红，任晓榕

（1.中国电力国际发展有限公司，北京 100080；2.山西中电神头第二发电有限责任公司，山西 朔州 036000）

0 引 言

新能源发电系统主要依靠太阳能、风能、水能等可再生能源来产生电能，然而这些能源的波动性和不稳定性使得电网的运行面临诸多挑战。例如，在风电场或太阳能光伏场景下，能源的产生受到天气条件的影响，而电网负荷却需要稳定供应。这种不匹配会导致电网的频率波动、能源的浪费以及电力供应的不稳定。因此，引入储能技术作为新能源发电系统的辅助手段。

1 新能源发电系统与储能技术概述

1.1 新能源发电系统的特点和挑战

新能源发电系统作为一种清洁、可持续的能源供应方式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用，同时面临一些挑战。首先，能源波动性和不可控性是其主要问题之一。由于新能源发电受到自然条件的限制，如太阳能光伏发电受日照强度和云量影响，风能发电受风速和风向影响，能源的产生存在波动性和不可控性。其次，新能源发电系统与电网负荷之间的匹配也是一个重要的挑战。由于新能源发电的波动性，电网的频率和电压可能发生波动，影响电网的稳定运行和电力质量。最后，新能源发电系统的能源供应与电力需求之间存在时间和空间上的不匹配，导致能源的浪费和电力供应的不稳定。为了克服这些挑战，储能技术作为一种重要的能源管理工具被引入新能源发电系统，可以帮助平衡能源的供需关系，提供能源的灵活性和可调度性，从而提高电网的稳定性和可靠性。

1.2 储能技术的分类和原理

储能技术是将能量在一段时间内转化成储存形式，以便在需要时再次释放能量的技术。根据储能介质的不同，储能技术可以分为机械储能技术、电化学储能技术、热储能技术以及化学储能技术。

机械储能技术利用机械装置将能量转化为机械形式进行储存。常见的机械储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。抽水蓄能在低峰时段将水抽升到高处的蓄能池中，高峰时段通过释放水来驱动涡轮发电机发电。压缩空气储能则将空气压缩储存，高峰时段释放空气经过涡轮发电机发电。飞轮储能利用高速旋转的飞轮来储存能量，高峰时段通过减速器将其转化为电能[1]。

电化学储能技术利用化学反应将能量转化为电能进行储存。常见的电化学储能技术包括电池和超级电容器。电池通过将化学能转化为电能进行储存，包括铅酸电池、锂离子电池和钠离子电池等。超级电容器利用双层电容效应将能量储存起来，具有高功率密度和快速充放电等特性。

热储能技术利用热能的温度差进行能量的储存。常见的热储能技术包括蓄热技术和热泵技术。蓄热技术利用高温和低温储存介质之间的温度差来储存和释放热能，包括熔融盐蓄热、水蒸气蓄热和地下蓄热等。热泵技术则利用低温热源通过热泵循环将热能从低温传递到高温，实现热能的储存和利用。

化学储能技术利用化学反应将能量储存为化学键的能量。常见的化学储能技术包括氢能储存和化学合成储能等。氢能储存通过将氢气与其他物质反应储存为化合物，高峰时段通过反向反应释放氢气进行能量转化。化学合成储能利用化学反应将低值能源转化为高值能源，实现能量的储存和转换。

2 储能技术在新能源发电系统中的应用

2.1 储能技术在平滑功率输出中的应用

新能源发电系统如风能和太阳能发电系统，会受到自然资源的变化和季节性的影响，导致发电功率的不稳定性和波动性，给电网的稳定运行带来了挑战。为了解决这个问题，储能技术被广泛应用，以平滑新能源发电系统的功率输出。

在平滑功率输出方面，储能技术采用多种应用方式，以应对不同的情况和需求。首先，储能系统的储能-释能调节策略通过将新能源发电系统的过剩电能储存起来，并在系统发电不足时释放储能，实现对功率的调节。这种调节方式可以有效减少新能源发电系统的功率波动性，使其更加稳定，有利于提高电网的可靠性。其次，储能技术具备快速响应能力，能够在电网需求变化时快速释放或吸收储能，以平衡供需之间的差异。通过在新能源发电系统中应用储能技术，可以实现快速调节电力输出，提高系统的响应能力，有助于应对电网负荷变化和尖峰用电需求。最后，储能技术也具备调峰填谷能力，即在高峰期储存电能，以满足电网需求；在低谷期释放储能，以充分利用新能源发电系统的产能，实现电能的平衡调配[2]。这种调峰填谷的能力可以有效平衡电力供需，提高电网的稳定性和经济性。

2.2 储能技术在电网稳定性中的应用

新能源发电的不可控性和间断性给电网的稳定运行带来了挑战，特别是在高比例的新能源接入情况下。储能技术的应用可以有效改善电网的稳定性，提供调节能力，支持电网频率与电压的控制。

储能技术在电网稳定性中的应用主要体现在以下几个方面。首先，储能系统可以提供快速响应的调节能力，以应对电网负荷变化和新能源发电波动带来的频率偏差。当电网负荷突然增加或新能源发电波动时，储能系统可以迅速释放储存的能量，使电网频率保持稳定。相反，当电网负荷减少时，储能系统可以吸收多余的能量，避免电网频率过高。通过这种方式，储能技术可以提供频率调节的支持，保持电网的稳定性。其次，储能系统可以通过无功功率控制来支持电网的电压稳定。当电网电压过高或过低时，储能系统可以根据需要吸收或释放无功功率，调节电网的电压水平。这种电压控制能力对于维持电网的稳定运行和保护用户设备具有重要意义。最后，储能技术还可以提供电网备用容量，以应对突发的负荷增加或发电系统故障。当发生电力紧张的情况时，储能系统可以快速释放储存的能量，提供额外的供电能力，确保电网的稳定供电。

2.3 储能技术在调峰填谷中的应用

由于新能源发电的间断性和波动性，往往无法满足电网负荷的需求，特别是在高负荷时段或低负荷时段。储能技术的应用可以通过在低负荷时段储存多余的能量，然后在高负荷时段释放储存的能量，以平衡电网的供需差异，实现调峰填谷的效果。

储能技术在调峰填谷中的应用主要体现在以下几个方面。首先，储能系统可以在低负荷时段储存多余的能量。当新能源发电系统产生的能量超过电网负荷需求时，储能系统可以将多余的能量转化为储存能量，以避免浪费。这种能量的储存可以通过电池、超级电容器、抽水蓄能等不同的储能技术来实现。其次，当电网负荷需求增加时，储能系统可以释放储存的能量，填补供需缺口。在高负荷时段，储能系统可以向电网注入储存的能量，以满足电网的需求[3]。最后，储能技术还可以提供紧急备用电源，以应对突发的负荷增加或发电系统故障。当发生电力紧张的情况时，储能系统可以迅速释放储存的能量，提供额外的供电能力，以保障电网的稳定供电。

3 储能技术在新能源发电系统中的优化研究

3.1 储能容量的优化配置

储能容量的优化配置是新能源发电系统中储能技术优化研究的重要方向之一。储能容量的大小直接影响着储能系统的性能、成本以及经济性。因此，合理配置储能容量对于实现系统的最优运行至关重要。

在储能容量的优化配置研究中，需要考虑以下几个方面。首先，需要考虑电网负荷的特点和需求。不同地区、不同时间段的负荷需求不同，因此储能容量的配置应根据具体情况进行调整。通过对电网负荷曲线和负荷预测数据的分析，可以确定储能系统所需的容量范围。其次，需要考虑新能源发电系统的特点和波动性。新能源发电系统的输出具有波动性和间断性，因此储能容量的配置应能够有效平滑能源输出的波动，并满足电网对稳定供电的要求。通过分析新能源发电系统的输出曲线和波动情况，可以确定储能容量的适宜范围。再次，需要考虑经济性和成本效益。储能系统的建设和运行成本是优化配置的重要考虑因素。储能容量的增加会增加系统的投资成本，因此需要在经济性和成本效益之间进行权衡。通过经济评估和成本效益分析，可以确定最优的储能容量配置方案。最后，还要考虑系统的可靠性和安全性。储能系统在实际运行中应具备足够的可靠性和安全性，以确保其正常运行，保护电网的稳定性。

3.2 储能系统运行策略的优化

储能系统运行策略的优化是新能源发电系统中储能技术优化研究的关键内容之一。通过优化储能系统的运行策略，可以最大限度地发挥储能系统的性能，提高系统的效率和经济性。

优化储能系统的运行策略需要综合考虑多个因素。首先是充放电策略的优化，根据电网负荷需求和能源输入情况，确定最佳的充放电时间和电量分配策略，以实现供需平衡和最大化利用储能容量。其次是能量管理策略的优化，包括能量调度和能量优化控制2 个方面。通过动态调整储能系统的充放电行为，使其能够灵活应对电网需求，同时通过优化算法和控制策略使储能系统在充放电过程中达到最优效果，提高系统的运行效率和经济性[4]。再次是储能系统与电网协同运行策略的优化，储能系统应与电网的运行要求相匹配，如在电网频率控制方面提供快速调节功率响应。通过协同运行策略的优化，可以实现储能系统与电网的互补，提高整个系统的效率和可靠性。最后是安全管理策略的优化，储能系统应满足安全和可靠性的要求，包括安全监测、故障诊断以及安全控制等方面。通过优化安全管理策略，可以提高储能系统的安全性和可靠性，预防潜在的意外事故。

3.3 储能技术与其他能源系统的协同优化

储能技术与其他能源系统的协同优化是新能源发电系统中储能技术优化研究的重要内容。通过协同优化储能技术与其他能源系统的运行，可以提高系统的整体效率、可靠性以及经济性。

首先，与风电、光伏等可再生能源系统的协同优化是关键。由于可再生能源的波动性和间歇性，其输出功率会有较大的波动，导致电网的不稳定性。储能技术可以通过调节充放电速率和容量，实现对可再生能源输出功率的平滑处理，提供灵活的调峰填谷能力，从而提高系统的可靠性和供电质量。

其次，与传统能源系统的协同优化具有重要意义。传统能源系统包括火电、核电等基础能源，其输出功率相对稳定，但在调峰填谷和应对电网负荷波动方面存在一定的局限性。储能技术的引入可以弥补传统能源系统的不足，提供灵活的调节能力，优化系统的供需平衡，降低能源消耗和环境影响。

最后，与电网系统的协同优化也是重要的研究方向。储能技术可以作为电网的有源电力调节手段，根据电网需求进行充放电操作，提供快速响应和灵活控制，平衡电网的功率和频率[5]。通过与电网系统的协同优化，可以实现电力系统的稳定运行和负荷管理，提高电网的可靠性和安全性。

4 结 论

储能技术在新能源发电系统中具有广泛的应用前景。通过储能技术的引入，可以平滑新能源发电系统的功率输出，提高电网的稳定性和可靠性，实现调峰填谷和频率调节等功能。此外，优化储能容量配置可以提高系统的经济性与能源利用效率。随着储能技术的不断发展和成熟，更多的新能源发电系统将采用储能技术进行优化配置和运行管理。同时，跨领域合作与综合能源系统的研究将进一步推动储能技术与其他能源系统的协同优化，实现能源的高效利用和可持续发展。