淺談儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

張中寬，孫慧麗

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，河南濮陽(yáng) 457000

淺談儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

張中寬，孫慧麗

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，河南濮陽(yáng) 457000

本文主要分析了電力系統(tǒng)中發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)的意義和作用，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀以及新出現(xiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)各種類型的儲(chǔ)能技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。在此基礎(chǔ)上，研究探討實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。

電能存儲(chǔ)；電力系統(tǒng)；電化學(xué)儲(chǔ)能

過(guò)去，電力系統(tǒng)中，發(fā)電和用電同時(shí)發(fā)生，在用電高峰承受著巨大的發(fā)電壓力，再用電低谷又存在著大量閑置電力無(wú)用，造成了大量的電力資源浪費(fèi)。而儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程，用電高峰時(shí)段的發(fā)電壓力可以得到顯著緩解，讓已有的電力設(shè)備的利用率得到有效提高；減少電網(wǎng)設(shè)備供電壓力的同時(shí)，減少電網(wǎng)發(fā)生故障的情況，維護(hù)整體電網(wǎng)的發(fā)用電安全，從而滿足社會(huì)對(duì)穩(wěn)定電力的要求；顯著減少電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的資金投入，逐漸將現(xiàn)有的外延擴(kuò)張性的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)涵增效型。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的意義和作用

傳統(tǒng)化石能源的日漸匱乏以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化，極大地促進(jìn)了新能源技術(shù)的發(fā)展，氣發(fā)電規(guī)模日益增長(zhǎng)，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著越來(lái)越重要的角色。以火電這樣的傳統(tǒng)發(fā)電模式為例，通常是按照電網(wǎng)用電的需求進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和用電的調(diào)度和調(diào)整；而以風(fēng)能、太陽(yáng)能等為基礎(chǔ)的新能源技術(shù)發(fā)電更加依賴于自然資源條件。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有波動(dòng)性和間歇性，對(duì)此進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的難度更大，對(duì)并網(wǎng)后的電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)更大的不利影響。但由于儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上解決新能源發(fā)電與生俱來(lái)的波動(dòng)性和間歇性，使電網(wǎng)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，同時(shí)提高了能源利用的效率，讓新能源發(fā)電成為具有經(jīng)濟(jì)和安全雙重優(yōu)勢(shì)的能源形式。

傳統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)電和電網(wǎng)的負(fù)荷時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)的平衡，也即通常所說(shuō)的“即發(fā)即用”，不存在儲(chǔ)能的問(wèn)題。但是產(chǎn)生的電力即時(shí)發(fā)出，供電用電保持時(shí)刻平衡，這種供電模式和思路已經(jīng)越來(lái)越不適合新型的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)今后的電網(wǎng)的日常維護(hù)調(diào)度管理的提出的更大的挑戰(zhàn)。而且傳統(tǒng)輸配電運(yùn)營(yíng)中為滿足輸配電設(shè)備在電網(wǎng)負(fù)荷最高峰的正常運(yùn)營(yíng)，需要投入大量資金用于輸配電設(shè)備的購(gòu)買，導(dǎo)致電力系統(tǒng)整體的負(fù)荷率偏低，電力設(shè)備的總體利用率較低。

在引入新型的儲(chǔ)能技術(shù)后，電力成為了可儲(chǔ)存的商品，顛覆了過(guò)去遵循發(fā)電、輸電、配電、用電同時(shí)進(jìn)行的局面，供電和用電不再同時(shí)發(fā)生，電力的供需之間的實(shí)時(shí)平衡也不再那么重要，新的發(fā)電理念將促進(jìn)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、輸配電調(diào)度等發(fā)生根本性的發(fā)展變革。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1儲(chǔ)能技術(shù)的分類

按照不同儲(chǔ)能技術(shù)的能量類型，可以將儲(chǔ)能技術(shù)分為基礎(chǔ)燃料的存儲(chǔ)、電能的存儲(chǔ)、后消費(fèi)能量的存儲(chǔ)。其中電能存儲(chǔ)技術(shù)是本文重點(diǎn)分析探討的部分。另外按照能量存儲(chǔ)形式的差別，可將儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，其中物理儲(chǔ)能進(jìn)一步劃分為機(jī)械儲(chǔ)能和電磁場(chǎng)儲(chǔ)能。

從國(guó)家層面來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于國(guó)家的能源安全至關(guān)重要，因此國(guó)內(nèi)外的許多國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究發(fā)展給以很大的關(guān)注和重視。例如日本在2009年對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的發(fā)展規(guī)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(guó)也于2010年進(jìn)行了新型電池發(fā)展的情況進(jìn)行了技術(shù)報(bào)告，在未來(lái)將重點(diǎn)關(guān)注超級(jí)鉛酸電池、鋰離子電池、硫基電池、液流電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)的研究發(fā)展。

2.2目前常見的幾種儲(chǔ)能技術(shù)

2.2.1抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能是指在電力負(fù)荷低谷時(shí)段，利用電網(wǎng)中多余的電力將低水位的水抽到高處，將電能轉(zhuǎn)化成水的勢(shì)能。在負(fù)荷高峰的時(shí)段，可以將高水位的水釋放到低處進(jìn)行再次發(fā)電。

目前該種電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用最廣，抽水蓄能的技術(shù)也相對(duì)成熟，一般整套的抽蓄水設(shè)備使用壽命可達(dá)三四十年，只要水庫(kù)的庫(kù)容足夠大，這樣的儲(chǔ)能容量是非常可觀的，通常可達(dá)到100MW～2 000MW之間。抽水蓄能可以在電力系統(tǒng)起到多種多樣的作用，如調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急情況備用、黑啟動(dòng)、為體統(tǒng)提供備用容量等。但抽水蓄能的應(yīng)用也有它的局限性，由于受到地理?xiàng)l件的限制，并不是所有發(fā)電廠周邊都具有建造上下水庫(kù)的地質(zhì)條件。此外及時(shí)能夠建造上下水庫(kù)還需要考慮到水庫(kù)的建造難度和水庫(kù)建造的合理性和必要性。

2.2.2壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能指的是在電網(wǎng)用電低谷時(shí)，利用電網(wǎng)中多余的電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓縮機(jī)中的空氣進(jìn)行壓縮以高壓空氣的形式儲(chǔ)存起來(lái)，將電能轉(zhuǎn)化成空氣能；待電網(wǎng)用電壓力較大時(shí)，重新將空氣壓縮機(jī)中的壓縮空氣釋放，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使得空氣能重新轉(zhuǎn)化為電能。

1949年，國(guó)外首先提出壓縮空氣的概念，之后大批的學(xué)者專家多壓縮空氣在儲(chǔ)能中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究探索，并進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐。目前仍在運(yùn)營(yíng)的兩大壓縮空氣儲(chǔ)能電站分別位于美國(guó)和德國(guó)，投入實(shí)際的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，為壓縮空氣的實(shí)際實(shí)踐提供了有益的探索。

壓縮空氣儲(chǔ)能方面的研究和開發(fā)在近幾年來(lái)得到了較為有效的進(jìn)步，并且壓縮空氣系統(tǒng)在形式上也更為多樣化。考慮到應(yīng)用規(guī)模以及人員配置等方面的差異。

近些年，對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能的研究開發(fā)十分活躍，先后出現(xiàn)了多種形式的壓縮空氣系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中人員和應(yīng)用規(guī)模的不同，可細(xì)分為：1）傳統(tǒng)使用天然氣和地下洞穴的空氣壓縮儲(chǔ)能電站，通常情況下單機(jī)組規(guī)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(chǔ)能系統(tǒng)，通常情況下單機(jī)組規(guī)模在10MW以下。

總的來(lái)說(shuō)，使用傳統(tǒng)的天然氣和地下洞穴壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的較為成熟，系統(tǒng)的運(yùn)行效率通常可以達(dá)到70%，但還是避免不了對(duì)地理環(huán)境和化石燃料的依賴。另外幾種新型的空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)目前仍在研究、試驗(yàn)階段，目前存在需要重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)是儲(chǔ)能效果的提升和能量密度的提高，在壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲(chǔ)熱設(shè)備、儲(chǔ)氣設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)上仍然存在技術(shù)難題需要解決。

2.2.3電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行能量存儲(chǔ)的技術(shù)。在電化學(xué)儲(chǔ)能中，電池是能量轉(zhuǎn)換的主要載體。電池發(fā)展至今，其種類眾多，內(nèi)部材料和工作原理千差萬(wàn)別，但內(nèi)部的核心結(jié)構(gòu)卻是大體相同，都是由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)組成。電勢(shì)較高的一極為正極，電勢(shì)較低的一極為負(fù)極。在電池充電的過(guò)程中，正極發(fā)生氧化，失去電子；負(fù)極發(fā)生還原，得到電子。在電池內(nèi)部形成負(fù)極向正極的電流，在電池外部電路形成正極向負(fù)極的電流。

電化學(xué)儲(chǔ)能作為目前廣泛關(guān)注的一種儲(chǔ)能形式，其特點(diǎn)在于能夠根據(jù)不同應(yīng)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(guī)模用于實(shí)際的電能存儲(chǔ)中。電化學(xué)儲(chǔ)能的缺點(diǎn)在于電池的使用壽命較短、使用成本較高，也是實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。

目前著重發(fā)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(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能而開發(fā)的鈉硫電池和全釩液流電池有了進(jìn)一步的發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用于電動(dòng)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(lái)大規(guī)模應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)中。近期有麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)提出了液態(tài)金屬電池這一新型化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，該電池具有成本低、壽命長(zhǎng)、效率高、儲(chǔ)能密度大等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，也有望應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能中。

2.3電磁場(chǎng)儲(chǔ)能

2.3.1超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的意義是通過(guò)超導(dǎo)線、變流器等設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化成電磁能進(jìn)行儲(chǔ)存，在電網(wǎng)需要時(shí)再次將電磁能轉(zhuǎn)化為電能。這樣一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括了超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體、低溫系統(tǒng)、電子電力變流系統(tǒng)和監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等。該儲(chǔ)能技術(shù)有著區(qū)別于其他技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)：有著更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度、更有效的能量轉(zhuǎn)化效率，通常可達(dá)到95%以上，以及更大的能量存儲(chǔ)密度，較適合應(yīng)用于實(shí)際的電網(wǎng)儲(chǔ)能的需要。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能主要的問(wèn)題在于：1）超導(dǎo)材料成本相對(duì)較高，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用；2）產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)低溫條件的冷卻裝置等核心設(shè)備還需要國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)仍未完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；3）部分關(guān)鍵技術(shù)仍需要時(shí)間來(lái)重點(diǎn)攻關(guān)處理。

2.3.2超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器儲(chǔ)能目前主要存在的問(wèn)題時(shí)能量密度低、成本較高。該種儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用仍需時(shí)日。超級(jí)電容器擁有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.3熔融鹽蓄熱儲(chǔ)能

熔融鹽蓄熱儲(chǔ)能是一種利用熔融鹽物化性質(zhì)，傳熱換熱的過(guò)程將熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，必要時(shí)重新將熱能重新轉(zhuǎn)化成電能。

受限于自然因素的影響，西部地區(qū)在夜間低溫不能與該項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展使用，所以目前仍需時(shí)日進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)克服。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1技術(shù)水平

一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)水平是否過(guò)關(guān)是能否得到應(yīng)用推廣的關(guān)鍵問(wèn)題，需要從系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備使用壽命兩個(gè)角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。此外還需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的儲(chǔ)能設(shè)備的質(zhì)量和體積。能否在盡可能少的占用土地的情況下滿足實(shí)際的儲(chǔ)能需要，也是衡量?jī)?chǔ)能技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2經(jīng)濟(jì)成本

以風(fēng)力發(fā)電為例，其配套的儲(chǔ)能設(shè)備需要成本幾乎和風(fēng)電的整體投資成本相當(dāng)。而且，大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備需要專業(yè)技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的設(shè)備維護(hù)。因此儲(chǔ)能設(shè)備的大規(guī)模推廣必須要考慮到經(jīng)濟(jì)性，能否具備降低成本的空間，能否具有長(zhǎng)期的顯性經(jīng)濟(jì)利益，否則很難推廣普及。

4 結(jié)論

綜合來(lái)看，考慮到儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)模等級(jí)、設(shè)備形態(tài)、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本以及實(shí)際需求，電化學(xué)電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能具有較大的應(yīng)用前景，值得重點(diǎn)研究發(fā)展。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)新技術(shù)前景研究”項(xiàng)目咨詢組，王松岑,來(lái)小康,程時(shí)杰.大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（1）：3-30.

[2]葉季蕾，薛金花，王偉，等.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].中國(guó)電力，2014（3）：1-5.

[3]張雪莉，劉其輝，李建寧，等.儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2012（12）：50-57.

TM91

A

1674-6708（2016）171-0209-02

張中寬，高級(jí)工程師，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。孫慧麗，工程師，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，從事電力系統(tǒng)通信工作。