儲能技術在新能源電力系統(tǒng)中的應用

2022-11-26 13:00亢亞軍

科技創(chuàng)新與應用 2022年28期

亢亞軍

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000）

當前，對于新能源的利用開發(fā)主要集中在新能源發(fā)電項目，利用太陽能和風能等新能源可以發(fā)電。但是新能源發(fā)電與化石能源發(fā)電的方式相比起來，其發(fā)電過程中容易受到外界自然因素的干擾，新能源電力系統(tǒng)往往會存在供電中斷或者波動性較大等問題，如果將新能源電力系統(tǒng)廣泛推廣應用，對于電網(wǎng)整體安全穩(wěn)定的供電會造成不良影響。為此，新能源電力系統(tǒng)運行期間，應用儲能技術對其控制，解決系統(tǒng)供電的技術缺陷，充分保障新能源電力系統(tǒng)的平穩(wěn)持續(xù)性運行，新能源電力系統(tǒng)想要在未來實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)的目標，離不開儲能技術對其系統(tǒng)的優(yōu)化和支持。

1 儲能技術在新能源電力系統(tǒng)中的應用分析

1.1 儲能技術類型

1.1.1 物理儲能技術

（1）壓縮空氣儲能技術。壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行儲能的時候，風電機組此時會輸出較大的功率，在這種情況下富余出來的風電，會被注入到壓縮空氣儲能電站當中，借助電動機設備實現(xiàn)壓縮機的驅(qū)動，進行空氣壓縮處理和降溫處理，處理完畢后將其存儲到系統(tǒng)的儲氣室中，儲氣室常見類型包括過期的油氣井、山洞、經(jīng)過沉降處理的海底儲氣罐裝置及新建成的儲氣井等。系統(tǒng)釋能時，風電機組設備的實際輸出功率難以達到負荷的標準，這時會將系統(tǒng)中高壓空氣升溫處理，然后令其進入到燃燒室當中助燃，燃燒室當中燃氣的逐漸膨脹可以實現(xiàn)對燃氣輪機的驅(qū)動，繼而使得發(fā)電機設備進行發(fā)電[1]。壓縮空氣儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率最高可以達到75%以上，如果運行期間搭配其他先進技術還有可能繼續(xù)提升轉(zhuǎn)化率。壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較大的儲能容量，實際儲能期間不會消耗較多燃料，因此儲能的總體成本不高，且具有較高安全等級，系統(tǒng)使用年限較長。但是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能密度相對較低，且運行期間容易受到巖層結(jié)構(gòu)等地形條件的影響。壓縮空氣儲能技術比較適合應用在規(guī)模較大的風能電力系統(tǒng)當中，用于解決處理風電系統(tǒng)功率波動的調(diào)控及風電的平滑輸出等問題，保證電網(wǎng)系統(tǒng)功率的平穩(wěn)。

（2）飛輪儲能技術。飛輪儲能系統(tǒng)主要是由電機設備、飛輪系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及軸承支撐系統(tǒng)組成，這種儲能系統(tǒng)也可以看成是一種能量電池，儲能效率最高能夠達到80%左右。儲能過程中，飛輪儲能系統(tǒng)中的電能會驅(qū)動電動機設備的運行，進而使得飛輪裝置進行高速旋轉(zhuǎn)，將電能通過旋轉(zhuǎn)體動能的形式儲存。釋能過程中，飛輪的快速旋轉(zhuǎn)促使發(fā)動機裝置進行發(fā)電，實現(xiàn)機械能的轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為電能，并將電能輸送到系統(tǒng)外部負載進行使用。飛輪系統(tǒng)可以分為2種，一種為磁懸浮軸承飛輪系統(tǒng)，一種為機械軸承飛輪系統(tǒng)。磁懸浮軸承飛輪運行速度較高，機械軸承飛輪運行速度較低。因此磁懸浮軸承飛輪更加適合用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷調(diào)控[2]。為了優(yōu)化飛輪運行期間的實際轉(zhuǎn)速及整體的儲能效果，可以使用非接觸式的磁懸浮軸承技術，這種技術可以將飛輪系統(tǒng)和電機設備封閉在真空的容器裝置當中，充分減少飛輪運轉(zhuǎn)期間遇到的空氣阻力。飛輪儲能系統(tǒng)的儲能密度較大，系統(tǒng)充電放電的次數(shù)不存在限制，且充電放電效率高、速度快，但是一次性購置所需的經(jīng)濟成本相對來說比較高。

（3）抽水儲能技術。抽水儲能技術主要是通過低谷的電價實現(xiàn)能量的儲存。這種儲能方式不需要較高的成本費用，但是由于水資源具有易蒸發(fā)的特點，且系統(tǒng)泵水過程中會耗費較高功率，因此系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率一般在70%左右。抽水儲能系統(tǒng)中使用的儲能介質(zhì)主要分為海水、地下水及江河大壩這幾種類型。傳統(tǒng)的抽水儲能系統(tǒng)中需要設置上游蓄水池和下游蓄水池，海水的抽水儲能系統(tǒng)當中會將海水作為下游蓄水池，這樣可以有效節(jié)省系統(tǒng)儲能的費用投入。但是儲能期間要采取相應措施避免抽水裝置等遭受海水腐蝕和大海中各類生物的附著干擾。抽水儲能系統(tǒng)的實際儲能容量很大，系統(tǒng)的運行比較靈活，應用費用低廉，但是儲能過程會受到水文地質(zhì)等條件的影響，因此在儲能電站的選址上存在一定的限制。抽水儲能技術當前在新能源電力系統(tǒng)的調(diào)頻處理、調(diào)峰處理及事故備用等方面應用頻率較高。抽水儲能技術水平的不斷優(yōu)化提升，系統(tǒng)不僅具備儲能發(fā)電的功能，還可配合電力系統(tǒng)實現(xiàn)多項動態(tài)作業(yè)，獲取動靜結(jié)合的綜合效益[3]。

1.1.2 化學儲能技術

化學儲能技術主要就是指化學電池儲能系統(tǒng)的應用，通過化學電池的正負極之間進行氧化反應，實現(xiàn)充電和放電，最終實現(xiàn)化學能和電能之間的轉(zhuǎn)化儲存。化學儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速功率的吞吐處理，也是當前技術水平相對成熟的儲能技術之一?；瘜W電池的類型有很多種，可以應用在新能源電力系統(tǒng)中的儲能電池主要包括以下幾種類型。

第一，鈉硫儲能電池。這種儲能電池的正極是多硫化鈉及硫，負極為熔融金屬鈉，電池的電解質(zhì)與隔膜是Na-beta－氧化鋁。鈉硫儲能電池的能量密度與鉛酸儲能電池相比起來，是其3倍以上，但是運行空間需求卻只需要其1/3大小。鈉硫儲能電池的充電放電效率都比較高，所需費用低，系統(tǒng)運行空間需求較小，后期維護難度較低，但是電池的循環(huán)使用年限及電池的放電深度還需要優(yōu)化提升，儲能電池系統(tǒng)運行期間溫度要保持在300℃左右[4]。

第二，鋰電池。這是一種能源轉(zhuǎn)化效率較高且能量密度大的化學電池儲能系統(tǒng)。這種儲能系統(tǒng)主要組成部分包括儲能電池的管理系統(tǒng)、充電放電系統(tǒng)及單體電池裝置，系統(tǒng)的綜合儲能效率能夠達到85%以上。這種化學儲能電池能量密度很高，充電效率和放電效率處于較高水平，且系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定。系統(tǒng)運行期間能夠通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式獲取高容量和高壓，但是實現(xiàn)這一過程的經(jīng)濟成本比較高。此種化學儲能電池比較適合應用在新能源電力系統(tǒng)中的應急供電及旋轉(zhuǎn)備用等。

第三，液流儲能電池。這種化學儲能電池也稱之為是還原液流儲能電池。液流儲能電池的實際輸出功率主要是由電池組的實際面積及儲能系統(tǒng)中單電池的總數(shù)決定的，想要提升液流儲能電池的儲能容量，可以通過提升電解液濃度和容積的方式實現(xiàn)，這種化學儲能電池放電期間不需要采取保護措施，比較適合應用在新能源電力系統(tǒng)中進行電能儲存和電力系統(tǒng)的應急供電。液流電池儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性強且能量轉(zhuǎn)換能力強，系統(tǒng)維護便利，運行穩(wěn)定安全，應用優(yōu)勢眾多被廣泛應用在電力系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電和儲能當中，但是此種液流儲能電池中的部分材料成本費用比較昂貴，也在一定程度上阻礙其實際應用。

第四，金屬空氣儲能電池。這種化學儲能電池綠色環(huán)保，電池的正極為氧氣，負極通常為鎂鋁鋅鐵等化學性質(zhì)相對活潑的金屬元素，電池的電解液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉及海水等。當氧氣逐漸擴散到電池的化學反應界面之后，就能與電池中的活潑金屬元素發(fā)生反應產(chǎn)生電能。金屬空氣儲能電池的比能量比較高，與鉛酸儲能電池相比高于其8倍以上，這種儲能電池制作成本不高且綠色無污染，電池的原材料可以進行循環(huán)利用[5]。金屬空氣儲能電池不需要使用充電設備，在幾分種之內(nèi)就可以完成金屬燃料的更換，實現(xiàn)快速充電。當前金屬空氣儲能電池中比較接近產(chǎn)業(yè)化的電池類型為鋅空氣儲能電池，而鋁空氣儲能電池雖然自身比能量也很高，但是電池充電放電的速度相對來說比較慢，因此經(jīng)常被用于備用電源。

第五，鉛酸儲能電池。鉛酸儲能電池的電解液是稀硫酸溶液，電池的正極為絨狀鉛及二氧化鉛，負極則是由酸性的蓄電池組成。這種儲能電池具有較大儲能容量，儲能技術已經(jīng)比較成熟，技術應用成本低且系統(tǒng)易于維護。但是這種儲能電池的比能量較低，電池循環(huán)年限很短，使用過程中容易對環(huán)境造成重金屬污染，發(fā)生深度放電還會對電池自身造成較大損傷。

1.1.3 相變儲能技術

相變儲能技術能量密度大，儲能系統(tǒng)組成簡單，設計比較靈活，方便管控。相變儲能技術常見類型包括冰蓄冷儲能技術、電儲熱技術及熔融鹽儲熱技術等。冰蓄冷儲能技術是指通過系統(tǒng)中的蓄冷介質(zhì)，實現(xiàn)結(jié)冰和融冰處理，進而對冷量進行存儲與釋放。這種技術可以優(yōu)化制冷機組設備的運行效率，降低空調(diào)等制冷設備在用電高峰時期的系統(tǒng)用電負荷。電儲熱技術的主要儲能介質(zhì)是水資源和金屬材料，以水作為介質(zhì)進行熱能儲存的時候投入成本較低且便于系統(tǒng)維護。使用高溫金屬作為熱能儲存介質(zhì)的時候，主要是通過金屬到固態(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)化對熱能進行儲存或釋放。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)高溫儲熱，金屬儲熱介質(zhì)的導熱性能較好。熔融鹽儲熱技術是指將固態(tài)的無機鹽進行加熱處理，令其處于熔融的狀態(tài)，然后通過系統(tǒng)熱循環(huán)實現(xiàn)熱能儲存[6]。

1.1.4 電磁儲能技術

電磁儲能技術分為2種。第一種為超導磁儲能技術。超導磁儲能系統(tǒng)運行過程中的超導線圈中的直流電磁場，可以當作其儲能系統(tǒng)的儲能介質(zhì)，儲能效率能夠高達90%以上。超導磁儲能系統(tǒng)應用效率高，系統(tǒng)響應速度較快，且運行過程環(huán)保無污染。在超導狀態(tài)之下線圈的電阻值可以忽略不計，因此運行期間不會出現(xiàn)大量能耗，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)性的無損耗儲能。但是超導線圈在使用期間需要設置在溫度較低的液體當中，這會加大其系統(tǒng)的應用成本。這一儲能系統(tǒng)可以顯著優(yōu)化電力系統(tǒng)的電壓電頻的控制效率，與此同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對于電能的大量交換，并且同時抑制電力系統(tǒng)中電壓和功率的失穩(wěn)波動。第二種為超級電容器儲能技術。超級電容儲能裝置介于普通電容器和儲能電池之間，該儲能系統(tǒng)的充電和放電過程具備可逆性，能夠進行多次的反復儲能。其不但具備常規(guī)電容器設備的應用優(yōu)勢，還具備運行更加穩(wěn)定，系統(tǒng)循環(huán)年限更長，顯著提升電力系統(tǒng)的瞬時功率，可用于新能源電力系統(tǒng)的備用儲能。

1.2 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術的實際應用

1.2.1 在風能電力系統(tǒng)中的應用

在風力發(fā)電場中合理應用儲能裝置，可以顯著優(yōu)化風力電廠電壓運行的穩(wěn)定性，有效控制系統(tǒng)功率，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)有用功和無用功的合理調(diào)控。進行電力系統(tǒng)調(diào)峰電能的配置處理時，可以有效優(yōu)化當?shù)仉娋W(wǎng)的整體接納水準。將儲能系統(tǒng)配置在電源側(cè)時，通過應用儲能電源就能夠?qū)崿F(xiàn)供電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化和用戶互動。

在風力發(fā)電廠出口并網(wǎng)處的母線位置進行儲能系統(tǒng)的安裝，能夠借助儲能系統(tǒng)的放電功能和儲能功能對風電系統(tǒng)運行過程中的功率不穩(wěn)情況實施有效控制。為了有效降低風電場供電波動對于電網(wǎng)造成的不良干擾，系統(tǒng)中每臺風機裝置都要安裝蓄電池用于電能的后備儲存，蓄電池的功率要為風機設備功率的4%左右。為了防止突發(fā)事故對風機設備的葉片裝置造成損壞，還要額外配置1組功率為風機功率1%左右的蓄電池，確保風機裝置的平穩(wěn)運行。當前風電系統(tǒng)對于電力輸出的穩(wěn)定性控制已經(jīng)成為其控制的重點內(nèi)容。當前風力發(fā)電處于快速發(fā)展的狀態(tài)，風力發(fā)電與電網(wǎng)之間的關聯(lián)度也逐漸升高，風力發(fā)電場需要具備削峰填谷的功能，而該項功能的實現(xiàn)必須要借助儲能技術的輔助才行。風力發(fā)電場中配置到儲能系統(tǒng)額定功率值要控制在風電系統(tǒng)的45%左右。如果風機設備想要實現(xiàn)離網(wǎng)發(fā)電的目標，那么系統(tǒng)中需要配置更大額定功率值的動態(tài)儲能系統(tǒng)。

風力發(fā)電場之所以會出現(xiàn)閃變問題，主要是由于電場中風速的變化比較迅速，與此同時塔影效應也會造成電場閃變，風力發(fā)電期間如果某1臺風機設備發(fā)生閃變不會造成較大影響，但是如果多臺風機設備同時并入相對較小的電網(wǎng)系統(tǒng)當中時，發(fā)生的閃變會嚴重影響風力發(fā)電。在風機裝置出口部位安裝儲能系統(tǒng)就能解決閃變問題，外接的儲能系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中其功率動態(tài)應為毫秒級別。

1.2.2 在光伏電力系統(tǒng)中的應用

光伏發(fā)電就是指借助太陽能的電池原理，產(chǎn)生電勢差，實現(xiàn)太陽能到電能的有效轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化的電能為直流電。儲能系統(tǒng)在光伏電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用優(yōu)勢與風力發(fā)電場中相似，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池的實際輸出功率出現(xiàn)波動，儲能系統(tǒng)可以即刻運行，為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供瞬時功率，保證系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行。由于儲能電池的儲能技術更加成熟一些，使用成本低且具有較大的能量密度，因此進行光伏發(fā)電的時候通常都會使用蓄電池作為光伏電力系統(tǒng)的儲能裝置。但是蓄電池的儲能方式比較單一，存在一定的應用限制，電池續(xù)航時間不夠長且電池功率有待提升。為此可以逐步升級，嘗試混合型儲能系統(tǒng)的應用。

1.2.3 在光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用

光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的主要區(qū)別為光熱發(fā)電是先進行太陽能的轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)變成為熱能之后，通過系統(tǒng)的熱力循環(huán)，再將熱能進行轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)化成為電能。光熱發(fā)電系統(tǒng)最終會轉(zhuǎn)化成交流電。這種發(fā)電系統(tǒng)能夠和傳統(tǒng)發(fā)電模式有效結(jié)合，并且可適應當前電網(wǎng)的運行模式。因此可以并網(wǎng)使用。光伏發(fā)電過程中完成電能轉(zhuǎn)化之后，系統(tǒng)中過剩的電能還要儲存到系統(tǒng)的蓄電池當中。而光熱發(fā)電站產(chǎn)生的主要能量不是光能而是熱能，因此儲存的能量形式與光伏發(fā)電不同，在實際發(fā)電過程中也需要借助儲能設備進行電能儲存，光熱發(fā)電技術當前常見類型分別為塔式光熱發(fā)電技術、碟式光熱發(fā)電技術及槽式光熱發(fā)電技術等。在理論上，光熱發(fā)電過程中可以通過熱能的儲存實現(xiàn)全天不間斷地持續(xù)供電，但是在光伏發(fā)電過程中暫時還不能實現(xiàn)這種理想發(fā)電狀態(tài)。

1.3 能源電力系統(tǒng)中儲能技術應用前景

當前新能源電力系統(tǒng)的應用范圍逐漸擴大，為了滿足新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行、電能質(zhì)量優(yōu)化及電網(wǎng)調(diào)峰等實際需求，儲能技術的應用非常必要。儲能技術未來在新能源電力系統(tǒng)中的應用前景非常可觀。想要解決新能源電力系統(tǒng)并網(wǎng)中的技術缺陷，必然要開發(fā)具有高能量密度和高功率的綜合多元化電力儲能系統(tǒng)，其中超級電容與儲能電池的有機結(jié)合將成為多元化電力儲能系統(tǒng)的主流研究方向，電力儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力提升和優(yōu)化配置問題也是研究的重點。

2 結(jié)束語