【SCI复现】电力系统储能调峰、调频模型研究附Matlab代码-优快云博客

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🔥 内容介绍

随着全球能源需求的不断攀升和能源结构的深度调整，电力系统正站在变革的十字路口，面临着前所未有的挑战。传统电力系统主要依赖化石能源发电，其发电出力相对稳定，调节方式较为成熟，但随着以风电、太阳能为代表的可再生能源大规模接入，电力系统的稳定性与灵活性受到了严峻考验。

风电和太阳能发电具有显著的间歇性、波动性和随机性。风力发电依赖于风速，风速的不稳定导致风电出力难以精准预测和控制；太阳能发电则受昼夜交替、天气变化等因素影响，白天阳光充足时发电量大，夜晚或阴天则发电量骤减甚至为零。这种不稳定的发电特性，使得可再生能源大规模并网后，电力系统的供需平衡变得更加复杂。当新能源发电出力突然增加或减少时，若电力系统无法及时做出响应，就会出现电力过剩或短缺的情况，进而影响电网的稳定运行，甚至可能引发停电事故。例如，在某些风电资源丰富的地区，当风速突然大幅变化时，风电场的出力可能在短时间内急剧波动，给当地电网的调度和平衡带来极大压力。

与此同时，电力系统负荷侧的变化也日益复杂。随着经济的发展和人们生活水平的提高，各类用电设备的数量和种类不断增加，工业生产、商业运营和居民生活的用电模式差异显著，且受到季节、时间、天气等多种因素的影响。夏季高温时，空调等制冷设备的大量使用会导致用电负荷大幅攀升；冬季供暖期，电采暖设备的普及也使得电力需求发生明显变化。这种负荷的不确定性和峰谷差的不断增大，对电力系统的调节能力提出了更高要求。如果在用电高峰时段无法及时提供足够的电力，或者在用电低谷时段不能有效消纳过剩电力，不仅会造成能源浪费，还可能影响电力系统的安全稳定运行。

为了应对上述挑战，储能技术应运而生，成为提升电力系统稳定性与灵活性的关键解决方案。储能技术犹如电力系统的 “稳定器” 和 “调节器”，能够在电力供应过剩时储存电能，在电力短缺时释放电能，有效平抑电力供需的波动。当可再生能源发电过剩时，储能系统可以将多余的电能储存起来，避免弃风、弃光现象的发生，提高能源利用效率；在用电高峰或新能源发电不足时，储能系统则迅速释放储存的电能，补充电力供应，保障电网的稳定运行。在一些光伏发电项目中，配备了储能系统后，能够将白天多余的光伏电能储存起来，在夜晚或阴天时释放，实现了光伏发电的持续稳定输出，减少了对传统电网的依赖。

近年来，储能技术发展迅猛，各类储能技术不断涌现并取得突破。抽水蓄能作为一种较为成熟的储能技术，已经在全球范围内得到广泛应用。它利用水的势能进行电能储存，通过将下水库的水抽到上水库储存能量，在需要时放水发电，实现电能的转换和释放。抽水蓄能具有容量大、寿命长、技术成熟等优点，能够为电力系统提供大规模的调峰、调频服务。然而，抽水蓄能受地理条件限制较大，建设成本高，建设周期长，其发展受到一定制约。

随着科技的不断进步，以锂离子电池为代表的电化学储能技术异军突起，成为储能领域的研究热点和发展重点。锂离子电池具有能量密度高、充放电效率高、响应速度快、安装灵活等优点，可广泛应用于发电侧、电网侧和用户侧。在发电侧，锂离子电池储能系统可以与可再生能源发电装置配套使用，平滑发电出力波动，提高可再生能源的稳定性和可靠性；在电网侧，能够参与电网的调峰、调频、调压等辅助服务，增强电网的调节能力和稳定性；在用户侧，可为家庭、工商业用户提供备用电源，实现峰谷电价套利，降低用电成本。除锂离子电池外，其他新型储能技术如钠离子电池、液流电池、压缩空气储能、飞轮储能等也在不断发展，各自展现出独特的优势和应用前景，为电力系统的储能需求提供了更多选择。

储能技术的市场规模也在持续快速增长。据相关机构预测，未来几年全球储能市场将保持高速增长态势，新增装机规模将不断扩大。随着储能技术成本的不断降低和政策支持力度的加大，储能产业将迎来更加广阔的发展空间。越来越多的国家和地区将储能技术纳入能源发展战略，出台一系列鼓励政策，推动储能项目的建设和应用。中国作为全球最大的能源消费国和可再生能源发展大国，在储能领域也积极布局，出台了多项政策支持储能技术的研发、示范和推广应用，促进储能产业的健康快速发展。在 “双碳” 目标的引领下，储能技术将在构建新型电力系统、推动能源绿色低碳转型中发挥更加重要的作用。

调峰调频：电力稳定的基石

（一）调峰：平衡电力供需的艺术

电力系统调峰，是保障电力供需平衡、维持电网稳定运行的关键环节。在电力系统中，用电负荷并非一成不变，而是随着时间、季节、天气以及人们的生产生活活动呈现出明显的峰谷变化。白天，尤其是工业生产集中时段和居民用电高峰时段，如傍晚时分，各种电器设备大量运行，电力需求急剧攀升，形成用电高峰；而在深夜，大多数工业企业停工，居民休息，用电设备减少，电力需求大幅下降，进入用电低谷。这种峰谷负荷的差异，对电力系统的发电和供电能力提出了严峻挑战。如果在用电高峰时发电能力不足，就会导致电力短缺，影响正常的生产生活；而在用电低谷时发电能力过剩，又会造成能源浪费和资源闲置。

传统的调峰方式主要依赖于各类发电机组的出力调整。其中，水电机组是一种较为灵活的调峰电源。水电机组具有启动速度快、调节灵活的特点，能够在短时间内迅速增加或减少发电出力，以适应电力负荷的变化。在用电高峰来临前，水电机组可以快速启动并增加发电功率，满足电力需求；在用电低谷时，则可以减少发电出力，甚至停机。然而，水电机组的调峰能力受到水资源条件的限制，其分布往往受到地理因素的制约，无法在所有地区广泛应用。

火电机组在电力系统中也承担着重要的调峰任务。通过调整火电机组的负荷，可以在一定程度上实现电力的调峰。火电机组通过改变锅炉的燃烧强度、调整汽轮机的进汽量等方式来调节发电出力。在低负荷运行方式下，火电机组降低发电功率，以适应电力需求的减少；在两班制运行方式下，火电机组在用电低谷时停机，在用电高峰时启动运行；对于一些具备深度调峰能力的火电机组，还可以在更低的负荷范围内运行，进一步提高调峰的灵活性。火电机组的调峰存在诸多局限性。频繁的启停操作会对火电机组的设备造成较大的磨损，缩短设备使用寿命，同时增加设备维护成本；火电机组的负荷调整速度相对较慢，难以快速响应电力负荷的急剧变化；在低负荷运行时，火电机组的发电效率会显著降低，导致能源浪费和污染物排放增加。

随着电力系统规模的不断扩大和可再生能源的大规模接入，传统调峰方式的不足愈发凸显。储能技术的出现，为电力系统调峰提供了全新的解决方案。储能调峰的原理是利用储能设备在电力需求低谷时储存多余的电能，将电能转化为化学能、势能等其他形式的能量储存起来；在电力需求高峰时，再将储存的能量释放出来，转化为电能供应给电网，从而实现电力供需的平衡。

以锂离子电池储能系统为例，在深夜用电低谷时，电网中的多余电能被输送到锂离子电池储能系统，通过充电过程将电能转化为电池内部的化学能储存起来；当白天用电高峰来临时，锂离子电池储能系统进行放电操作，将储存的化学能转化为电能，输送回电网，补充电力供应，缓解电力供需紧张的局面。与传统调峰方式相比，储能调峰具有显著的优势。储能系统的响应速度极快，可以在毫秒级甚至微秒级的时间内完成充放电操作，能够迅速应对电力负荷的突变，有效平抑电力波动；储能系统的调节精度高，可以根据电力系统的实际需求，精确控制充放电功率，实现对电力供需的精细调节；储能系统的安装和部署相对灵活，不受地理条件的限制，可以根据电力系统的布局和需求，灵活选择安装位置，无论是在发电侧、电网侧还是用户侧，都能发挥重要的调峰作用。