儲能技術在電力系統中的應用

高春雷

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

近年來，新型能源如風電和光伏發電得到了迅猛發展，但由于其具有波動特性，大規模開發和利用將使供需矛盾進一步突出。因此，亟需突破儲能關鍵技術，開發儲能裝備，以提高一次能源和輸變電設備的利用效率，大容量電儲能技術必然是電力行業亟待解決的難題。本文介紹了儲能技術的發展現狀，闡述了儲能技術在電力系統中的應用，并展望了儲能技術未來的方展方向。

1 儲能技術的發展現狀

儲能技術的快速發展促使儲能系統在整個電力系統中的多個方面方發揮著重要應用，其中較為重要的包括保證電力系統的穩定性運行、改善電能質量、調峰削谷等［1］。

儲能裝置在電網中所發揮的作用主要體現在以下幾個方面［2－9］。

1)削峰填谷。

2)提供應急電源，提高可靠性，改善電能質量。

3)一次調頻，改善電網特性。

4)滿足可再生能源系統的需要。

儲能技術按其具體方式可分為電化學儲能(鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池等)、電磁儲能(超級電容器、超導電磁儲能等)和機械儲能(飛輪儲能、抽水蓄能等)［10－14］。

1.1 電化學儲能

1.1.1 鉛酸蓄電池

盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點，但是目前能夠商業化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有成本低廉、原材料豐富、制造技術成熟、能夠實現大規模生產等優點。但是鉛酸蓄電池體積較大，特性受環境溫度影響比較明顯。

1.1.2 磷酸鐵鋰離子電池

具有較高功率比和能量比的磷酸鐵鋰電池與其他電池相比具有明顯優勢，在動力電池的體系中也是最有發展前景的。但是電池的安全性問題一直是大功率磷酸鐵鋰電池發展和實際應用的最大制約，即電池在過充、短路、沖壓、穿刺、振動、高溫熱沖擊等條件下，極易發生爆炸或燃燒等不安全行為。

1.1.3 鈉硫電池

鈉硫電池在300℃的高溫環境下工作，其正極活性物質是液態硫(S)，負極活性物質是液態金屬鈉(Na)，中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池具有許多特色:比能量高，理論比能量為760 W·h/kg，實際已大于100 W·h/kg;可大電流、高功率放電;充放電效率高，充放電電流效率幾乎為100%。

1.1.4 超級電容器

電化學的雙電層理論是利用超級電容器進行儲能的基本原理。在電力系統中超級電容器主要應用在改善電能質量和平抑大功率、短時間的負荷，例如啟動和支撐功率較大的直流電機等。超級電容器儲能系統可以在浮充的條件下工作超過10 a，所以能夠在電壓跌落和瞬態干擾時改善和加強供電水平。超級電容器安裝簡單、體積小，可在各種環境下運行(熱、冷和潮濕)，現在已為低功率水平的應用提供商業服務［15－17］。

1.2 超導儲能

超導電磁儲能(SMES)的原理是利用超導體的特性制成線圈用來儲存磁場能量，不必進行能源形式變換就可以進行功率輸送。超導電磁儲能系統具有快速響應能力(ms級)、能量轉換效率高(≥96%)、比容量(1～10 W·h/kg)/比功率(104～105 kW/kg)大等優點，能夠完成電力系統實時功率補償以及大容量能量交換。

目前，在世界范圍內有許多超導電磁儲能系統工程正在進行或處于研制階段，在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統已得到初步應用，在維持電網穩定、提高輸電能力和用戶電能質量等方面開始發揮作用。

1.3 機械儲能

1.3.1 飛輪儲能

飛輪儲能的原理是將電能轉換成旋轉物體的機械能，然后進行能量存儲。飛輪儲能系統具有建設周期短、有效壽命較長等優勢。此外，飛輪儲能系統充電的次數是無限制的，充電快速，對環境基本沒有污染。但是，飛輪儲能系統的日常維護費用要比其他儲能系統高很多。

現開發出大功率的飛輪儲能系統，并應用于航空及UPS領域，以Beacon Power為領先水平的研究機構目前正在竭力對飛輪儲能系統的設計進行優化，目的是在降低制作和維護成本的同時將飛輪儲能系統應用于長時間(幾個小時)的能量存儲過程。

1.3.2 抽水儲能

抽水儲能是在電力系統中應用最為廣泛的一種儲能技術，主要應用領域包括能量管理、頻率控制以及提供系統的備用容量。抽水蓄能電站和太陽能、風能相結合，專門保證高峰用電的供應，從電力的調配上最為合理。水能發電的優勢在于可以根據實際情況控制發電時機，啟動和關閉閘門都比較容易。抽水儲能電站儲存能量的釋放時間在幾小時至幾天，綜合效率在70%～85%。

2 儲能技術在電力系統中的應用

2.1 電池儲能的應用

電池儲能系統在智能電網發電、輸電、變電、配電、用電各個環節得到廣泛應用，作用主要為削峰填谷、備用電源、提高新能源并網能力和電網調頻。

2.1.1 發電環節的應用

電池儲能系統可提高大規模風/光發電的安全并網運行能力，其容量配置需結合運行方式和應用目標進行計算。根據目前的示范工程，平滑風電瞬間功率波動的儲能系統容量一般為風電的20%～30%;按計劃保持小時級穩定功率輸出的儲能系統容量一般為風電的60%～70%。因此，大規模風/光發電場儲能系統的典型容量為幾十MW以上，存儲時間為幾十分鐘至幾小時。通過升壓變，接入35 kV及以上的輸電線路，儲能系統的接入方式如圖1 a所示。

電氣工程可以通過智能化的處理器將實際發生的數據進行處理，同時快速的對每個環節進行分析判斷，對不同的處理器產生不同的影響。采用智能化的電氣工程處理方式幫助解決了電氣工程系統信息不一致的問題，克服了信息缺陷的問題，保證了信息資源的正確性和精準性，對整個電氣工程的信息化有著至關重要的影響。

2.1.2 輸電環節的應用

電池儲能系統可充分利用現有的電網資源，提高輸電線路輸送能力和效率，降低輸電成本，還可以通過頻率、有功/無功控制提高輸電網運行的安全穩定性。輸電側的儲能系統用作調頻調峰電站，容量為幾十MW，存儲時間為0.25～4 h。儲能系統通過35 kV或110 kV電壓等級線路接入電網，并網運行，如圖1 b所示。

2.1.3 變電環節的應用

電池儲能系統可以顯著提高電網穩定性和可靠性，減小電網供電峰谷差。變電側的儲能系統一般以削峰填谷模式運行，容量較大(功率至少為MW級)，存儲時間4～8 h。變電側的儲能裝置一般在35 kV或110 kV變電站的10 kV母線上接入，并網運行，如圖1 c所示。

圖1 電池儲能在電力系統中的應用

2.2 蓄電池和超級電容器混合儲能系統的應用

根據目前超級電容器與蓄電池的物理特性進行分析，這兩種儲能系統在技術特性方面具有一定的互補性。蓄電池儲能系統能量密度較大，循環壽命較短，功率密度小，放電和充電效率低，對放電和充電過程敏感，頻繁充放電和大功率充放電方面較差。然而，與之特性相反的超級電容器能量密度較低，現在還不適合在電力系統中進行大規模的應用。但是，如若把蓄電池儲能系統和超級電容器同時應用，將超級電容器功率密度大、循環壽命長與蓄電池能量密度大等特性相結合，會有效地增強儲能系統的性能［18－20］。

2.3 飛輪儲能技術的應用

2.3.1 提高電網對可再生能源接納能力

風力發電、光伏發電具有間歇性特點，可再生能源的大規模接入給電力系統的安全穩定運行帶來了新的挑戰。飛輪儲能與風力發電相配合供電，可以避免柴發啟動時的短時停電，減少柴發啟停次數，提高風能利用效率，降低發電成本和電價。澳大利亞的 Coral Bay、Sand Bay、Nine Miles Beach、Denham、日本的Dogo Island、美國的Alaska等一系列島嶼電網，采用了飛輪儲能來提高電網的穩定性，可減少風電出功波動對系統電壓和頻率的影響，并最大可能地降低柴油發電機的出力。

電力系統的絕大多數穩定問題是暫態穩定問題，對儲能裝置需求的特點是瞬間功率大、持續時間短。飛輪儲能系統作為一個可靈活調控的有功源，主動參與系統的動態行為，并能在擾動消除后縮短暫態過渡過程，使系統迅速恢復穩定狀態。采用飛輪儲能技術的電站可以滿足需求，利用其快速調節特性，可以在同樣容量下獲得雙倍的調節效果。美國Beacon Power公司于2008年12月在馬薩諸塞州建成了1 MW/250 kW·h調頻電廠，2009年8月，美國能源部支持其建設兩個20 MW飛輪儲電站。隨著技術進一步成熟，飛輪儲能技術還可以用于負荷中心的削峰填谷，提高電網運行的經濟性。

3 未來儲能系統的前景展望

3.1 低成本與高效快速儲能系統的開發

目前，大規模應用與推廣儲能系統的主要難題在于其成本太高，因此，成本的降低與能量轉換效率的提高是儲能技術發展的重要方面之一。儲能技術在改善電能質量和增強微電網穩定性的應用過程中，電能的釋放和存儲速度是控制的關鍵。

3.2 不同儲能系統的混合應用

不同的微電網儲能方法都有其各自的局限性和缺點，而如果要對其自身的固有技術特性進行改良會在成本上付出巨大代價。所以，結合各種不同儲能方式的特性進行混合應用就能夠取長補短，更加充分地發揮不同儲能方式所具有的優點，達到功率和能量等各個方面的要求，與此同時還能夠把儲能系統的循環壽命有效延長，這也是電力系統儲能領域研究與發展的新熱點。

3.3 大力發展液流電池儲能

液流儲能系統目前已經擁有釩溴、全釩、多硫化鈉/溴等諸多體系。液流儲能系統的電化學極化非常小，其中全釩液流儲能系統具有較大的儲能容量和較高的能量效率、能夠完成快速放電和充電、可100%深度放電、有效壽命長等諸多優勢。全釩液流儲能系統現在已實現市場商業化運作，可以有效平滑波動的風電功率。作為與其配套的儲能系統，氧化還原液流電池由于具有成本低、效率高、壽命長等優勢，市場前景較為廣闊。

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