新能源發電系統中儲能系統的應用分析

馬玉菲

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

新能源發電的間隙性和隨機性等缺點正成為阻礙其深度發展的首要障礙，平穩的發電功率難以得到保障[1]。儲能技術的發展和應用能夠彌補新能源發電的上述缺點，使大規模新能源發電的并網運行更加安全可靠。儲能系統還可以在電力系統負荷低谷時儲存電能，負荷高峰時釋放電能，以達到緩解目前電網面臨電力供應巨大峰谷差的壓力。

1　常用儲能電池的應用及工作原理

能量的時間、形態、數量的差異普遍存在于新能源的開發、轉換、利用進程中。為了緩解這些差異，便于新能源的高效利用，常采取儲存和釋放能量的人為過程或技術手段，即儲能技術[2]。成熟的儲能技術可以解決風力、光伏發電的并網技術難題、發電的間歇性問題等，進而消除大規模發展新能源發電的主要障礙。所以，提升新能源發電系統裝機容量的同時，還應提高系統的最大儲能容量和有效地提高系統的輸出電能質量。

1.1　鋰離子電池

隨著創新型鋰電池電極、電解質的出現，以及鋰電池生產技術的不斷優化發展，使鋰電池的生產成本不斷降低，從而擁有良好的經濟性，進而促進了鋰電池在電力系統的大范圍應用。其中液態鋰離子電池化學方程式如下：

正極：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-

負極：6C+xLi++xe-=LixC6

正極采用LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負極采用的LixC6是鋰-碳層間化合。

鋰離子電池的優點：工作運行壽命長(當放電量小于儲電總量的80%時，可循環使用3 000次)、儲能密度高(130 kW·h/t)和儲能效率高(近100%)。安全性方面，鋰電池易發生過充、內部短路、溫升嚴重，甚至導致起火爆炸。

1.2　鉛酸電池

不同類型的鉛酸儲能電池的化學反應原理基本相同，安全性方面，相對于鋰離子電池而言工作環境安全、生產工藝成熟。

充放電反應式：

鉛酸蓄電池的使用壽命受到多種因素影響：電池各部件的生產質量和電池整體的制造工藝是內部因素；正常運行狀態下的溫度、欠充電、過度放電、浮充電壓的選擇等是外部因素。實際使用過程中，影響儲能鉛酸電池使用壽命的是電池內、外部綜合因素產生的影響。

(1)板柵的腐蝕。電解液有腐蝕作用且正極腐蝕更為嚴重；

(2)內部熱量失控。在一定運行環境下，如果電池散熱速率低于電池內部熱量產生的速率，則會出現電池熱失控。對于電解液，水分被持續的熱失控蒸發散失，導致濃度不斷增大，電池正常的充放電進程難以維持。

(3)嚴重的酸分層。由于硫酸濃度在極板上的分布差異，導致負極板底部的活性物質硫酸鹽化、正極板膨脹和正極板柵腐蝕，從而縮短電池使用壽命。

1.3　鈉硫電池

由熔融液態電極和固體電解質組成的，負、正極均為活性物質，分別是熔融金屬鈉、硫和多硫化鈉熔鹽[3]。鈉硫電池正常工作狀態下的溫度約為300℃。正、負極反應式如下：

鈉硫電池優點：比能量高；可大電流、高功率放電；充放電效率高。缺點：工作溫度較高(300～350℃)；充電模式下需要周期性的離線度量，以便得到平均值；需要對電池的殼體進行嚴格的抗腐蝕處理。安全性方面，因陶瓷隔膜屬于易碎部件，若隔膜損壞則容易引起火災、爆炸等事故。

2　常用蓄能電池的性能對比

表1分別給出了新能源發電系統中儲能系統常見的三種儲能電池的性能、經濟參數，為選擇高性價比、容量匹配、系統穩定的儲能元件提供參考。

表1　儲能系統三種儲能電池參數對比

利用PCS系統(過程控制系統)為儲能系統提供動態無功補償，可大大減少無功調節的響應時間，進而使得儲能系統的電壓穩定性得以全面提高。

3　總　結

本文分析了幾種常見的化學儲能電池的儲能原理，并對其性能、經濟性做了詳細對比。每種蓄能電池的優缺點突出，對于不同的新能源發電系統，應據自身需求選擇適合的儲能電池。作為電力系統用戶側的備用電源、系統“黑啟動”的電源，儲能系統有提高系統可靠性和抵御自然災害的能力。由于我國的能源中心和電力負荷中心距離跨度大，我國電力系統的發展始終是大電網、大電機的方向，運行模式采用集中輸配電模式。隨著可再生能源的飛速發展和社會對電能質量不斷提出新要求，儲能技術的應用前景廣闊[4]。

參考文獻：

[1]BARTON J, PINFIELD D G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(2):441-448.

[2]樊栓獅，梁德青，楊向陽，等.儲能材料與技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]YAO Y F Y, KUMMER J T. Ion exchange properties of, and rates of ionic diffusion in, beta-alumina[J]. Journal of Inorganic Nuclear Chemistry, 1967, 29(9): 2453-2466.

[4]華光輝，赫衛國，趙大偉.儲能技術在堅強智能電網建設中的作用[J].供用電，2010，27(4)：22-25.