固体电蓄热技术在虚拟电厂中的应用

刘东明、朱建新、赵士尧（沈阳世杰电器有限公司，辽宁、沈阳，110168）

摘要：虚拟电厂作为提升电力系统调节能力的重要手段之一，对缓解电力紧张、提高新能源消纳能力将发挥重要作用。固体电蓄热设备是一种具有储能性质的纯阻性电力负载，由于它有着可双向互动、可中断转移、可调节、可大规模接入等技术特点，势必在虚拟电厂的建设中成为不可或缺的组成部分。

(资料图片)

关键词：固体电蓄热，虚拟电厂，综合能源系统

引言

当前，我国能源结构正处于转型期，电力系统将从单一化向多元化转变，电力输送将从传统的“发、输、配、用”向新型的“源、网、荷、储”转变。尤其是碳达峰、碳中和目标确立后，分布式能源和分布式储能的加入，让原有的电力系统变得更加复杂。与此同时，新能源装机比例及用户侧间歇性负荷的进一步增长，对电力系统灵活调节能力提出了越来越高的要求，传统“源随荷动”的运行模式亟须向“源荷互动”转变。挖掘负荷侧的灵活性资源和调节潜力，成为提升电力系统调节能力和保障电力供应的重要手段。在此背景下，“虚拟电厂”应运而生。虚拟电厂通过分布式能源管理系统将分散安装的清洁能源、可控负荷和储能聚合作为一个特别的电厂参与电网运行。其核心思想就是把各类分散可调电源、可控负荷、储能聚合起来，通过数字化的手段形成一个虚拟的电厂来做统一的管理和调度，同时作为聚合主体参与电力市场。固体电蓄热设备是一种具有储能性质的电力负载，是虚拟电厂的重要组成部分，因此，理清固体电蓄热设备在虚拟电厂中的技术特性，对发掘固体电蓄热设备在虚拟电厂中的应用场景、推进虚拟电厂建设具有重要意义。

01 储能与虚拟电厂的关系

1.1 储能在虚拟电厂中的作用

储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程，也就是将能量进行时间上的平移过程。所谓虚拟电厂，从广义上讲就是对需求侧响应的延伸。传统的需求侧响应主要通过对用电负荷的调节实现“削峰”效果，虚拟电厂则是通过接入更多元化的的用户，通过对这些用户的集中控制，使其不仅可以调节自身的用电负荷，还可以对外输出能量，从而做到“削峰”和“填谷”兼顾。从本质上讲，虚拟电厂就是将现实电厂所生产的能量进行了时间和空间上的平移，从而达到提高电力系统调节能力的目的。很明显，储能是将能量进行平移的最有效手段，因此，储能系统是虚拟电厂不可或缺的组成部分。

1.2 储能技术应用面临的问题

就储能技术的应用情况来看，单独在电源侧、电网侧和负荷侧的应用效果都受到一定条件的制约。在电源侧储能，不同类型发电机组所采用的储能技术之间具有很大的差异性，投资也千差万别。储能的收益主要来源于可盈利空间不多的传统电力市场，因此很难形成规模。在电网侧储能，虽然更便于协调控制，但过高的设备投资和运行费用也严重制约了储能技术的应用。在负荷侧储能，其灵活的调节方式是其主要优势，但长期以来，由于缺少价值体现机制，仅靠峰谷电价差异难以支撑投资压力。虚拟电厂的建设为储能在负荷侧的应用提供了新的机遇。

1.3 储能是虚拟电厂中聚合各类资源的媒介

虚拟电厂的灵活性得益于它聚合了众多的可调节资源，其中包括可调节、可中断负荷、储能设备和分布式电源。其中可调节、可中断负荷属于需求类资源，分布式电源属于供给类资源。储能则属于介于需求和供给之间的混合类资源，虚拟电厂正是通过这些混合类资源将众多可调节资源聚合在一起的。

1.4 储能提高了虚拟电厂的可调节性

虚拟电厂的盈利模式主要由电量交易和辅助服务交易两种收入构成。这两种模式都是以可调节电量作为虚拟发电量进行交易的。虚拟电厂的可调节性越好，对提高电力系统灵活性的贡献就越大，虚拟电厂的收益也越高。如公式1.1所示，虚拟电厂的可调节电量由三个部分组成：可调节负荷、储能电量、分布式电源发电量。

在以上三个要素中，分布式电源几乎是不可调节的，可调节负荷也往往受到很多因素的制约，比如，用电设备的生产需要、使用状态等等。相对而言，储能设备只要处理好储和放的关系，它的可调节范围就有很大的空间。

1.5 储能可以突破虚拟电厂的局限性

虚拟电厂的本质是通过聚合负荷侧的众多资源实现电力系统的灵活性。它局限于电力的生产和使用。对于负荷侧而言，其能源需求除了电力，还有热力等其他能源。因此，负荷侧更关注的问题在于如何合理使用能源。正因为如此，综合能源管理问题成为更广泛的话题。在综合能源管理过程中，多能互补是一个重要的元素。大多数虚拟电厂中的储能设备在储能的过程中伴随着不同能源之间的相互转换（比如电蓄热），这便为实现多能互补提供了条件。因此，如果将虚拟电厂与综合能源管理系统有机结合，不仅可以突破虚拟电厂的局限性，也可以促进综合能源管理系统的数字化管理水平。

02 储能技术发展现状

近十几年来，随着能源转型的持续推进，作为推动可再生能源从替代能源走向主体能源的关键，储能技术受到了业界的高度关注。截至2015年底，全球储能装机总量约167GW，约占全球电力总装机的2.9%;我国储能装机为22.8GW，约占全国电力总装机的1.7%。预计到2050年，我国储能装机将达200GW，市场规模将达2万亿元以上。

2.1主要储能技

尽管储能方式五花八门，但按所储能量类型来分不外乎由动能（飞轮储能）、势能（抽水蓄能）、热能（电蓄热）、化学能（电化学储能）和电能（电磁储能），按储能原理划分主要有物理储能、化学储能、电磁储能和热储能四种。不同的储能技术在概念与原理上差异很大，因而其关键科学问题与技术难点也有所不同。

2.2 储能技术的应用场景

储能技术广泛应用于电力系统电源侧、电网侧、用户侧的不同场景。电源侧平滑新能源出力波动、调频等场景属于超短时和短时尺度应用，季节性调峰等场景属于长期尺度应用；电网侧提供系统备用、延缓输变电设备阻塞等均属于短时尺度应用；用户侧提高电能质量、调频属于超短时和短时尺度应用，参与需求侧响应在短时和长期尺度均有应用。

储能技术能否在电力系统中得到推广应用，主要取决于是否能够达到一定的储能规模等级，是否具备适合工程化应用的设备形态，以及是否具有较高的安全可靠性和技术经济性。

安全与可靠始终是电力系统运行的基本要求，兆瓦级规模的储能系统对技术的安全与可靠性提出了更高的要求，能否在此规模及更大规模下安全可靠地运行将是评价一种储能技术能否大规模商业应用的指标之一。

未来广泛应用于电力系统的储能技术，至少需达到兆瓦级的储能规模。目前，电蓄热储能、抽水蓄能、压缩空气储能和电化学电池储能可达到兆瓦级的储能规模，而飞轮储能、超导磁储能及超级电容器等功率型储能技术很难达到兆瓦时级。因此，由于安全可靠性高，电蓄热储能、抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能是大规模发展储能技术的首选。

03 固体电蓄热技术

3.1 固体电蓄热技术的基本原理

固体电蓄热技术是将电热转换、热能存储与释放有机结合的产物，它可以将电能转换为热能存储于固体蓄热材料中，在需要热量时通过特定的换热过程实现热能释放的固体电蓄热方式。一般情况下，大功率固体电蓄热装置（见图3.1）由配电系统、电热转换系统、固体蓄热系统、热交换系统等若干子系统构成。装置工作时，由配电系统提供电力，电热转换系统将电能转换成热能传递给固体蓄热系统吸收存储，当需要输出热能时，热交换系统通过换热风机将炉腔内的热空气送入换热器，换热器将热空气的热能传递给供热工质并由供热工质带走。

图3.1固体电蓄热装置系统结构

3.2 固体电蓄热装置的用电负荷特性

固体电蓄热装置的用电负荷主要是由电热元件的纯阻性负载构成的。虽然其辅助设备包括一些电动机及其变频设备，但这部分负载不大于总负载的0.1%。所以固体电蓄热装置的功率因数仍然可以保持在0.98以上。固体电蓄热装置的用电负荷具有周期性、可中断、可调节、可双向互动等负荷特性，是典型的柔性负荷，可作为平移负荷参与电网调度。

3.2.1 周期性

固体电蓄热装置属于三类用电负荷，除特殊情况外，其用电负荷特性是断续周期性的，这一特性可用负荷持续率（见式3.1）来表达：

3.2.2 可中断性

固体电蓄热装置用电负荷的可中断性是由其储放周期特性决定的，一般情况下，要求装置在储热周期内储存足够放热周期内供热所需要的能量。如果储放热周期的比例存在一定的可调整空间，那么在这个空间内固体电蓄热装置的用电负荷就是有条件可中断的。

3.2.3 可调节性

固体电蓄热设备电功率很大，为保证电网不受大的波动影响，一般是不能全功率一次投入或切除的。因此，分为多组功率逐个投切，是电蓄热式采暖设备自身投切容量控制的第一大要点。功率的分组数是由当地电网的负载能力和分组的经济性决定的。逐个投切有一个间隔时间，成为投切间隔时间。每组的功率越大，投切间隔时间应该越长。为保证电热管能平均使用，避免过多使用而降低使用寿命，应采用先投后切、后投后切的循环投切法进行控制。这是电蓄热式采暖设备自身投切容量控制的第二大要点。第三大要点是应测定或正确估计出调节滞后时间。根据自动控制理论，我们知道设备的温度或压力控制是一个滞后较大的调节系统。如果我们能够提前知道其滞后时间t，就能在此时读取到正确的调节反馈信号，并由此正确地计算出下一次调节量。如果过早或过晚地读取不真实的调节反馈信号，由此做出错误的控制指令，则会导致系统处于不断地调节之中。典型的表现计算一直在投、切、投、切……称之为系统震荡。该现象使电器频繁动作，使用寿命降低。因此，测定或正确估计t，对系统平稳运行是很重要的。第四大要点是须有漏电保护措施。为防止电热管漏电造成触电事故，一般应设有漏电检测和保护装置。

3.2.4 互动性

固体电蓄热装置用电负荷具有时间规律性强、负荷成分较为单一、负荷量较大并且很稳定等特点，其用电诉求主要集中在经济、安全和可靠三个方面。因此，固体电蓄热装置用电负荷对需求侧响应、实时电价、阶梯电价的双向互动具有较好的实施基础，对节能补贴、调峰补偿等政策的反应也非常敏感。

3.3 固体电蓄热装置的运行模式

3.3.1 独立运行模式

对固体电蓄热装置而言，设备运行控制由设备用户自行完成的运行模式,称之为独立运行模式。独立运行时的协调控制目标是在实现接入线路的功率平衡的前提下提高设备运行的经济性。一般情况下，在配电网接入的固体电蓄热装置的运行模式都属于独立运行模式。在这种模式下，对协调控制的约束条件主要有用电功率约束、供热约束、运行电价约束和设备状态约束，即：

3.3.2 并网运行模式

固体电蓄热装置接受电网调度的运行指令、参与全网或局部电网调峰的运行模式称之为并网运行模式。并网运行模式的协调控制目标是根据不同应用需求，快速跟随调度功率参考指令，以便于发挥削峰填谷、平衡可再生能源输出、微电网的联络线功率控制等作用。对于协调控制模式而言，主要有电力平衡、热力平衡、发电机组运行状态和设备运行状态四个约束条件。即：

3.4 固体电蓄热技术在虚拟电厂中的应用特点

与其他储能技术相比，固体电蓄热技术在应用于虚拟电厂时具有以下特点：

3.4.1 具有热电互补性

用户侧对能源的需求，以电力和热力两种方式为主。在能源消费中，热能需求是终端能源消耗的最主要部分。据有关统计数据表明，我国终端能源消耗中，热能消耗是电能的3倍，在电能消耗中，有1/4是转化为热能来使用的。在清洁能源比例不断提高的背景下，终端能源消费的清洁化和电气化水平也将进一步提高。因此，电能转换为热能进行消费的比例会进一步加大，电力系统与热力系统的联系也将越来越紧密。电能和热能既是两种可以相互转换的能量，在生产过程中又具备一定的耦合关系。它们之间具有极高的互补性，其传输方式和传输效率也具有独特的优势。由于电负荷和热负荷的变动存在很大的不确定性，电网和热网都必须通过一系列技术和政策措施，实现能源供给与需求之间的高度匹配。在众多能源消费形态中，电和热不论在消费总量上还是在互补的可实现程度上都是独具优势的。

3.4.2 具有双向互动特性

固体电蓄热装置的技术本质可以归结为：电热转换+热能存储。当虚拟电厂输出负电量时，固体电蓄热装置将电转换为热存储下来。当虚拟电厂输出正电量时，则通过释放热能减少供热必须消耗的电量。另外，在峰谷电价高差异的情况下，还可以利用储热来发电，以实现降低用能成本的目的。因此，固体电蓄热装置具有很强的双向互动性。

图3.2 基于峰谷电价差异的综合能源系统

3.4.3 具有能量释放方式的灵活性

通常情况下，储存机械能和化学能，只能用来释放电能。电蓄热设备所储存的热能通常可以根据用户的具体需求以不同的方式释放。比如不同参数的热空气、热水和水蒸汽，甚至可以释放电力。

3.4.4 可实现规模化建设所需要的超大功率

储能系统的规模化是建设虚拟电厂的必要条件。储能系统的规模化有系统规模化和单个项目规模化两层含义，也可以说单个项目规模化是系统规模化的前提。

对用户侧储能设备而言，通常是在配电网上接入的。就目前配电网发展状况来看，线路容量是制约单个项目规模化的关键因素。固体电蓄热技术经历多年的发展，其工作电压已经从最初的10千伏提高到110千伏，这就使得固体电蓄热设备具备了在容量较大的高压配电网甚至是电压更高的输电线路上的接入能力，可实现规模化建设所需要的超大功率。

04固体电蓄热装置在虚拟电厂中的应用场景

4.1 集中控制的分布式单一设备

固体电蓄热设备有许多分散的单一用户，如宾馆、酒店、医院、学校、写字楼等单位的供热系统，在这些设备上都配备了按GB/T42136分布式储能集中监控系统技术规范设计的监控系统。具备数据采集、实时通信、运行监视及操作控制等功能。

图4.1 分布式固体电蓄热设备集中控制系统

4.2 替代燃煤锅炉的大规模集中供热设备

自上世纪八十年代以来，我国城市供热已经由单热源局部供热模式发展到多热源集中供热模式。城市集中供热系统由热源、热网和热用户三个部分构成。在热源方面以热电联产为主，集中供热锅炉为辅，其他方式为补充。集中供热锅炉一般都是容量和参数都比较低的工业锅炉。这些锅炉燃烧效率比较低，除尘、脱硫脱硝效率也都很低，势必对城市环境造成危害。利用固体电蓄热设备替代这些燃用化石燃料的锅炉不仅可以净化当地环境，也可以作为虚拟电厂的一部分参与运营。

张家口崇礼集中供暖项目是2022年北京冬奥会76个重点项目之一，采用110kV电源直接接入194MW固体电蓄热设备作为项目热源，热源设备自投运以来，运行良好，供暖效果显著，对促进当地节能减排工作，消纳清洁能源低谷电量，落实绿色奥运宗旨，提高集中供热服务质量和水平，减少大气污染，改善居民生活环境质量，对当地经济可持续发展发挥了重要作用。

图4.2 崇礼区城区二道沟热源厂煤改电项目

4.3 工业园区综合能源系统中的储能设备

工业园区具有经济基础好、能源消耗大、产业集聚等特点,是构建灵活多样、低碳高效的综合能源管理体系的理想场景，更是虚拟电厂的重要组成部分。工业园区所消耗的能源主要来自于电网、热网和燃气网络。储气、储电、储热是建立这三种能源供需平衡关系的关键因素。图4.3给出的是三种能源之间实现互补的一种综合能源系统。在这个系统中，固体电蓄热设备可以平衡电力和热力之间的供需平衡关系。

图4.3 综合能源管理系统

4.4 城市热电协调控制系统中的储能设备

传统上，电力系统和热力系统是两个完全独立的系统，各自独立调度。基于电热互联的综合能源系统（见图4.4）通过固体电蓄热装置将两个系统联接在一起，并通过电热协调调度中心将电网调度和热网调度联系在一起，实现以最佳的方式向用户提供电能和热能。基于电热互联的综合能源系统包括电网单元、热网单元、电热转换单元、电能储存单元、热能储存单元、供电单元、供热单元、电用户和热用户。这种互联系统能够对电能和热能的生产、传输、存储、消费等环节进行协调、优化，同时实现两种不同能源的供需平衡。

05 结束语

虚拟电厂是一个比较新的概念，储能作为虚拟电厂的重要组成部分，虽然已有几十年甚至几百年的发展历史，但种类繁多、优缺点各不相同，使用条件也受到很多因素制约，适合大规模应用的储能技术少之又少。本文以储能的视角论述了对虚拟电厂的理解以及固体电蓄热设备的技术特性和应用场景。虚拟电厂的建设离不开可控的储能资源，可以预期在未来不太长的时间里，储能应用技术的不断发展必将推动虚拟电厂从摸索阶段走向成熟。

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