淺談儲能技術在電力系統中的應用

張中寬，孫慧麗

國網河南省電力公司濮陽供電公司，河南濮陽 457000

淺談儲能技術在電力系統中的應用

張中寬，孫慧麗

國網河南省電力公司濮陽供電公司，河南濮陽 457000

本文主要分析了電力系統中發展儲能技術的意義和作用，儲能技術的發展應用現狀以及新出現的儲能技術，對各種類型的儲能技術的原理、技術特點、優缺點等進行了較為詳細的闡述。在此基礎上，研究探討實際應用中應考慮的技術水平和經濟效益。

電能存儲；電力系統；電化學儲能

過去，電力系統中，發電和用電同時發生，在用電高峰承受著巨大的發電壓力，再用電低谷又存在著大量閑置電力無用，造成了大量的電力資源浪費。而儲能技術應用于電力系統的各個生產調度過程，用電高峰時段的發電壓力可以得到顯著緩解，讓已有的電力設備的利用率得到有效提高；減少電網設備供電壓力的同時，減少電網發生故障的情況，維護整體電網的發用電安全，從而滿足社會對穩定電力的要求；顯著減少電網建設和維護的資金投入，逐漸將現有的外延擴張性的發展模式轉變為內涵增效型。

1 儲能技術的意義和作用

傳統化石能源的日漸匱乏以及生態環境的日益惡化，極大地促進了新能源技術的發展，氣發電規模日益增長，在電力系統中承擔著越來越重要的角色。以火電這樣的傳統發電模式為例，通常是按照電網用電的需求進行發電、輸電、配電和用電的調度和調整；而以風能、太陽能等為基礎的新能源技術發電更加依賴于自然資源條件。由于風能和太陽能具有波動性和間歇性，對此進行調節控制的難度更大，對并網后的電網安全運行帶來更大的不利影響。但由于儲能技術的應用可以在很大程度上解決新能源發電與生俱來的波動性和間歇性，使電網運行更加安全穩定，同時提高了能源利用的效率，讓新能源發電成為具有經濟和安全雙重優勢的能源形式。

傳統電網中發電和電網的負荷時刻處于動態的平衡，也即通常所說的“即發即用”，不存在儲能的問題。但是產生的電力即時發出，供電用電保持時刻平衡，這種供電模式和思路已經越來越不適合新型的社會和經濟的發展，對今后的電網的日常維護調度管理的提出的更大的挑戰。而且傳統輸配電運營中為滿足輸配電設備在電網負荷最高峰的正常運營，需要投入大量資金用于輸配電設備的購買，導致電力系統整體的負荷率偏低，電力設備的總體利用率較低。

在引入新型的儲能技術后，電力成為了可儲存的商品，顛覆了過去遵循發電、輸電、配電、用電同時進行的局面，供電和用電不再同時發生，電力的供需之間的實時平衡也不再那么重要，新的發電理念將促進電網的結構、規劃設計、輸配電調度等發生根本性的發展變革。

2 儲能技術在電力系統中的應用現狀

2.1儲能技術的分類

按照不同儲能技術的能量類型，可以將儲能技術分為基礎燃料的存儲、電能的存儲、后消費能量的存儲。其中電能存儲技術是本文重點分析探討的部分。另外按照能量存儲形式的差別，可將儲能技術分為物理儲能和化學儲能，其中物理儲能進一步劃分為機械儲能和電磁場儲能。

從國家層面來說，儲能技術對于國家的能源安全至關重要，因此國內外的許多國家對儲能技術的研究發展給以很大的關注和重視。例如日本在2009年對儲能技術進行了細致的發展規劃，并將著重研究鋰離子電池、鈉硫電池和其他新型電池；美國也于2010年進行了新型電池發展的情況進行了技術報告，在未來將重點關注超級鉛酸電池、鋰離子電池、硫基電池、液流電池等新型儲能技術的研究發展。

2.2目前常見的幾種儲能技術

2.2.1抽水儲能

抽水儲能是指在電力負荷低谷時段，利用電網中多余的電力將低水位的水抽到高處，將電能轉化成水的勢能。在負荷高峰的時段，可以將高水位的水釋放到低處進行再次發電。

目前該種電力儲能技術應用最廣，抽水蓄能的技術也相對成熟，一般整套的抽蓄水設備使用壽命可達三四十年，只要水庫的庫容足夠大，這樣的儲能容量是非常可觀的，通常可達到100MW～2 000MW之間。抽水蓄能可以在電力系統起到多種多樣的作用，如調峰填谷、調頻、調相、緊急情況備用、黑啟動、為體統提供備用容量等。但抽水蓄能的應用也有它的局限性，由于受到地理條件的限制，并不是所有發電廠周邊都具有建造上下水庫的地質條件。此外及時能夠建造上下水庫還需要考慮到水庫的建造難度和水庫建造的合理性和必要性。

2.2.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能指的是在電網用電低谷時，利用電網中多余的電力驅動空氣壓縮機，將空氣壓縮機中的空氣進行壓縮以高壓空氣的形式儲存起來，將電能轉化成空氣能；待電網用電壓力較大時，重新將空氣壓縮機中的壓縮空氣釋放，驅動發電機發電，使得空氣能重新轉化為電能。

1949年，國外首先提出壓縮空氣的概念，之后大批的學者專家多壓縮空氣在儲能中的應用進行了大量的研究探索，并進行了卓有成效的實踐。目前仍在運營的兩大壓縮空氣儲能電站分別位于美國和德國，投入實際的商業運營，為壓縮空氣的實際實踐提供了有益的探索。

壓縮空氣儲能方面的研究和開發在近幾年來得到了較為有效的進步，并且壓縮空氣系統在形式上也更為多樣化。考慮到應用規模以及人員配置等方面的差異。

近些年，對于壓縮空氣儲能的研究開發十分活躍，先后出現了多種形式的壓縮空氣系統。根據系統中人員和應用規模的不同，可細分為：1）傳統使用天然氣和地下洞穴的空氣壓縮儲能電站，通常情況下單機組規模在100MW以上。2）不使用天然氣和低下洞穴的新型壓縮空氣儲能系統，通常情況下單機組規模在10MW以下。

總的來說，使用傳統的天然氣和地下洞穴壓縮空氣儲能技術發展的較為成熟，系統的運行效率通常可以達到70%，但還是避免不了對地理環境和化石燃料的依賴。另外幾種新型的空氣壓縮儲能技術目前仍在研究、試驗階段，目前存在需要重點攻關的技術是儲能效果的提升和能量密度的提高，在壓縮機、膨脹機、儲熱設備、儲氣設備等關鍵技術上仍然存在技術難題需要解決。

2.2.3電化學儲能

電化學儲能是通過化學反應將化學能和電能進行相互轉換進行能量存儲的技術。在電化學儲能中，電池是能量轉換的主要載體。電池發展至今，其種類眾多，內部材料和工作原理千差萬別，但內部的核心結構卻是大體相同，都是由正極、負極、隔膜、電解質組成。電勢較高的一極為正極，電勢較低的一極為負極。在電池充電的過程中，正極發生氧化，失去電子；負極發生還原，得到電子。在電池內部形成負極向正極的電流，在電池外部電路形成正極向負極的電流。

電化學儲能作為目前廣泛關注的一種儲能形式，其特點在于能夠根據不同應用需求自由靈活的配置，一般不受地理因素的限制，適合大規模用于實際的電能存儲中。電化學儲能的缺點在于電池的使用壽命較短、使用成本較高，也是實際應用中亟待解決的問題。

目前著重發展研究的是鋰離子電池、全釩液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鈉氯化鎳電池、鋰硫電池等。針對大規模儲能而開發的鈉硫電池和全釩液流電池有了進一步的發展，目前廣泛應用于電動汽車中的鋰離子電池（如鋰硫電池和鋰空氣電池）也有望在未來大規模應用于電力系統的儲能技術中。近期有麻省理工學院研究團隊提出了液態金屬電池這一新型化學儲能技術，該電池具有成本低、壽命長、效率高、儲能密度大等諸多優點，得到了國際上的廣泛關注，也有望應用于電網系統的儲能中。

2.3電磁場儲能

2.3.1超導磁儲能系統

超導磁儲能系統的意義是通過超導線、變流器等設備將電能轉化成電磁能進行儲存，在電網需要時再次將電磁能轉化為電能。這樣一個儲能系統包括了超導儲能磁體、低溫系統、電子電力變流系統和監控保護系統等。該儲能技術有著區別于其他技術的顯著優點：有著更快的系統響應速度、更有效的能量轉化效率，通常可達到95%以上，以及更大的能量存儲密度，較適合應用于實際的電網儲能的需要。

超導磁儲能主要的問題在于：1）超導材料成本相對較高，限制了其大規模的應用；2）產生超導態低溫條件的冷卻裝置等核心設備還需要國外進口，國內仍未完全實現國產化；3）部分關鍵技術仍需要時間來重點攻關處理。

2.3.2超級電容器儲能

超級電容器儲能目前主要存在的問題時能量密度低、成本較高。該種儲能技術在電力系統中的廣泛應用仍需時日。超級電容器擁有充放電速度快、功率密度高、循環使用壽命長、環境友好等優點。

2.3.3熔融鹽蓄熱儲能

熔融鹽蓄熱儲能是一種利用熔融鹽物化性質，傳熱換熱的過程將熱量儲存起來，必要時重新將熱能重新轉化成電能。

受限于自然因素的影響，西部地區在夜間低溫不能與該項儲能技術的發展使用，所以目前仍需時日進行相關技術的攻關克服。

3 儲能技術在電力系統中應用時應注意的問題

3.1技術水平

一項儲能技術的技術水平是否過關是能否得到應用推廣的關鍵問題，需要從系統的轉換效率和設備使用壽命兩個角度進行綜合評價。此外還需要考慮實際應用中的儲能設備的質量和體積。能否在盡可能少的占用土地的情況下滿足實際的儲能需要，也是衡量儲能技術的重要標準。

3.2經濟成本

以風力發電為例，其配套的儲能設備需要成本幾乎和風電的整體投資成本相當。而且，大規模的儲能設備需要專業技術進行長期的設備維護。因此儲能設備的大規模推廣必須要考慮到經濟性，能否具備降低成本的空間，能否具有長期的顯性經濟利益，否則很難推廣普及。

4 結論

綜合來看，考慮到儲能技術的規模等級、設備形態、技術水平、經濟成本以及實際需求，電化學電池儲能和壓縮空氣儲能具有較大的應用前景，值得重點研究發展。

[1]國家電網公司“電網新技術前景研究”項目咨詢組，王松岑,來小康,程時杰.大規模儲能技術在電力系統中的應用前景分析[J].電力系統自動化，2013（1）：3-30.

[2]葉季蕾，薛金花，王偉，等.儲能技術在電力系統中的應用現狀與前景[J].中國電力，2014（3）：1-5.

[3]張雪莉，劉其輝，李建寧，等.儲能技術的發展及其在電力系統中的應用[J].電氣應用，2012（12）：50-57.

TM91

A

1674-6708（2016）171-0209-02

張中寬，高級工程師，國網河南省電力公司濮陽供電公司，從事電力系統繼電保護工作。孫慧麗，工程師，國網河南省電力公司濮陽供電公司，從事電力系統通信工作。