淺談新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應用分析

馬繼磊

（水發(fā)能源集團有限公司，山東 濟南 250100）

儲能技術的引入可以改善新能源發(fā)電的性質、可持續(xù)供電和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，行業(yè)對太陽能發(fā)電中儲能技術的分析、研究和應用尚處于發(fā)展初期，相關技術還不成熟和完善，應用容量較小，對大規(guī)模光伏電站和風電站的應用有限。而隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，儲能技術在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用日益受到關注。本文針對新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應用進行分析和研究，以及對相關技術進行探究。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)概述

1.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)

目前，主流新能源生產(chǎn)系統(tǒng)是光伏發(fā)電和風力發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導體的光生伏特效應將光能轉換為電能，并通過逆變器將直流電轉化為與電網(wǎng)同步交流電的發(fā)電系統(tǒng)。風力發(fā)電原理是由風推動風機葉片轉動，帶動發(fā)電機將機械能轉換為電能，通過控制系統(tǒng)并入電網(wǎng)。然而，由于新能源的生產(chǎn)效率較低，建設風電、光伏電站需要的地面區(qū)域較大，如應用多晶硅光伏電站，在平地建設條件下，100MW光伏電站占地約2000～2500畝。另外，以光伏、風電為主的新能源發(fā)電系統(tǒng)具有非常顯著的發(fā)電不穩(wěn)定性，受天氣（光照、風速等）影響大，日發(fā)電時間有限。因此，提高發(fā)電效率和發(fā)電利用率成為行業(yè)技術主要的發(fā)展方向。

1.2 儲能技術

儲能技術主要利用外部介質存儲外部能量，目前行業(yè)主要的電儲能技術有壓縮空氣儲能、化學電池儲能、抽水蓄能、超級電容儲能、飛輪儲能、超導磁場儲能等。應用實例較多，區(qū)域邊界也比較復雜和龐大。電池儲能滿足短期應急用電，成本較高，體積太大。超導磁場儲能、超級電容、飛輪儲能是解決成本和地區(qū)限制的新型儲能系統(tǒng)，本文介紹了這三種新型儲能技術的應用。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)相關技術分析

2.1 儲能技術的作用分析

（1）提高電性能質量。新能源的并網(wǎng)運行必須滿足電能質量要求，相對來說，對孤島運行的新能源系統(tǒng)電能質量受天氣影響更加明顯，波動劇烈。儲能裝置有穩(wěn)定潮流，維持母線電壓的穩(wěn)定和調頻等功能。

（2）削峰填谷。目前的能源生產(chǎn)和消耗策略是即發(fā)即用，而電網(wǎng)負荷具有波動性。用電高峰期，發(fā)電機組運行率較高，用電低谷期，發(fā)電機組運行率會降低，因此，部分發(fā)電機組總體利用率會降低，產(chǎn)生資源浪費。如火電機組調峰，目前通過火電機組降出力是電網(wǎng)主要調峰手段之一，而火電機組降出力后，其燃料的利用效率也會降低，因此，通過火電機組降出力來調峰不但會降低火電機組的發(fā)電時長，造成發(fā)電設備的浪費，同時也會造成燃料的浪費。儲能系統(tǒng)能有效地解決這一問題，在用電低谷期儲存多余的電能，在用電高峰期釋放電能，達到調峰效果。

（3）短期電力供應。電網(wǎng)運行中如果發(fā)生斷網(wǎng)事故，發(fā)電系統(tǒng)將瞬間進入孤島運行。儲能裝置通過控制系統(tǒng)，修正電壓和頻率偏差，實現(xiàn)從并網(wǎng)模式到孤島運行的平滑切換。全球大面積停電事故多發(fā)，而大面積停電將對生產(chǎn)和生活產(chǎn)生非常不利的影響。此外，由于新能源所產(chǎn)生的能量受天氣影響較大，在極端天氣情況下，風光資源不穩(wěn)定時，儲能系統(tǒng)能夠維持負荷的正常運行。

2.2 儲能系統(tǒng)分類與工作原理

（1）機械儲能。常見的機械儲能有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等儲能類型。在實際應用中，抽水蓄能占有絕大部分的份額。抽水蓄能就是將水由低處抽到高處，將電能轉換成水的動力勢能完成充電過程，其放電過程與水電站發(fā)電過程相同，其建設地址主要是“臨水而建”。壓縮空氣儲能的系統(tǒng)主要是通過壓縮機將空氣壓縮至不低于10MPa的高壓狀態(tài)，儲存在儲氣罐中完成充電過程，放電過程則是高壓氣體通過膨脹機帶動發(fā)電機組發(fā)電，壓縮空氣儲能充放電是由電能與空氣或儲熱介質的內能相互交換的過程，壓縮空氣能的建設地址同樣受到地域限制。飛輪儲能同樣是電能與飛輪的動能相互轉換實現(xiàn)充放電的機械儲能裝置。抽水蓄能和壓縮空氣儲能屬于大規(guī)模儲能系統(tǒng)，具備調峰、平滑出力、黑啟動等方面的應用。飛輪儲能在不間斷供電、調頻等方面作用較好。

（2）電化學儲能。電化學儲能主要是通過電極與電解液的化學反應完成充放電過程，其工作原理與常規(guī)可充電電池原理一致。早期電化學儲能采用鉛酸蓄電池，目前磷酸鐵鋰電池的應用較多。同時三元鋰電池、釩液流電池、鈉硫電池也屬于電化學儲能。

（3）其他儲能。儲能系統(tǒng)的種類比較多，有超導儲能、超級電容等電磁儲能，以及儲氫、合成燃料等化學儲能形式，以及熔鹽儲熱、固體儲熱等儲熱形式的儲能系統(tǒng)。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應用

3.1 儲能技術在不同發(fā)電系統(tǒng)中的應用

（1）光伏電站的儲能應用。①光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。早期光伏離網(wǎng)系統(tǒng)應用較多，系統(tǒng)主要配置光伏組件、控制器、蓄電池。充電時，光伏組件將所發(fā)直流電通過控制器儲存在蓄電池中，放電時，蓄電池通過逆變器和放電控制器，將直流電轉換成交流電接入負載。早期離網(wǎng)系統(tǒng)的蓄電池大都采用鉛酸膠體蓄電池，家庭離網(wǎng)系統(tǒng)、光伏路燈是最常見的工程案例。②光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。以戶用光伏和小型工商業(yè)分布式應用較多，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)是在離網(wǎng)系統(tǒng)的基礎上兼具了并網(wǎng)功能，在大電網(wǎng)停電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)由并網(wǎng)狀態(tài)轉為孤島運行可以實現(xiàn)平滑切換。③大型光伏電站配置儲能系統(tǒng)。在大型光伏電站中，通過在電站交流側配置儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)調峰的作用，目前多個省市明確了大型地面光伏電站配置儲能系統(tǒng)比例，光伏電站與儲能系統(tǒng)功率按照10：1進行配置，同時要求儲能系統(tǒng)充電時間不低于2小時。

（2）“風儲”發(fā)電應用。儲能系統(tǒng)應用在風力發(fā)電站的主要作用同樣是為了提高風電場的穩(wěn)定性。通過將每臺風電機組配置雙向變流器和儲能系統(tǒng)，可以有效地提高機組輸出性能的穩(wěn)定性。即使在極端條件下，儲能系統(tǒng)也能滿足吸收和儲存多余功率的所有要求，不損害風力渦輪機，并通過性能改善電壓管理。這種儲能技術能夠實時進行動態(tài)調整和反應，保證能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（3）風光儲一體化發(fā)電。2020年，電力源網(wǎng)荷儲指導意見發(fā)布，對風光儲一體化等多能互補的發(fā)展模式提出了明確方向。通過在風電、光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng)，建設“風光儲”一體化發(fā)電項目，用儲能發(fā)電來優(yōu)化風光互補電站發(fā)電性能實現(xiàn)“風”“光”“儲”相輔相成，共同完成發(fā)電任務。儲能裝置在谷時段進行充電，在峰時段放電，保證發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運行。當前，新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性與電網(wǎng)負載間的矛盾越來越突出，在我國2030年和2060年分別實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”能源目標下，“十四五”期間，將會有更大規(guī)模的裝機容量。

3.2 不同儲能技術的應用

（1）超導儲能在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用。超導儲能是將電能以電磁能的形式儲存在超導體中，其具有功率密度高、效率高、響應快、環(huán)保、壽命長等特點。應用在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，具有平滑出力和調頻作用，對于提高新能源發(fā)電的電能質量具有非常好的效果。在應用方面，國際已經(jīng)有部分工程案例，如美國和日本已經(jīng)具有10MW工程的應用案例，同時美國也有組裝完成的100MW機組，而國內主要以仿真研究或小容量樣機應用研究為主。目前，全球超導儲能技術方面，10MW超導儲能技術較為成熟，并具備了一定商業(yè)化可行性，100MW機組研究和應用正在進一步研發(fā)中。日本超導儲能研究協(xié)會曾對抽水蓄能和低溫超導儲能進行過全生命周期的對比研究，在單位功率的成本方面，“超蓄”是“抽蓄”的40%～50%，在經(jīng)濟性方面具備較好的商業(yè)化可行性。

（2）超級電容器可以存儲新能源發(fā)電中的應用。超級電容儲能利用電容器的儲能原理，商業(yè)化的超級電容主要是雙電層電容，是一種靜電儲能。通過化學氣相沉積等工藝，在電容電極附近形成雙電層，該儲能材料在功率密度、轉換效率、污染等方面具有良好的性能。有研究人員利用了大容量、無限循環(huán)充電的特點，將由超級容量和功率器件組成的電路連接到發(fā)電陣列與負載之間，通過補償電壓改變光伏電池的輸出，這樣可以改變光伏陣列的輸出特性，實現(xiàn)功率點跟蹤。

（3）飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的儲能裝置，是機械能和電能的交換裝置。充電時，電動機驅動飛輪轉動，實現(xiàn)從電能到機械能的轉換；能量儲存階段，飛輪在真空中保持高速旋轉狀態(tài)；放電時，高速旋轉的飛輪驅動發(fā)電機發(fā)電，將機械能其轉換為電能為負載供電。飛輪儲能能量密度高、響應速度快，同時環(huán)保性好、經(jīng)濟性強，市場潛力大。飛輪儲能應用在光伏電站，可以根據(jù)輸出優(yōu)化有功和無功輸出，對調節(jié)并網(wǎng)點電能質量具有明顯作用。

4 結語

通過對幾種儲能技術的研究和分析，論述了新型儲能技術在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用和發(fā)展現(xiàn)狀，展望了新型儲能技術以其高轉換效率、輸出電能質量好、供電安全可靠等特點，在未來新能源發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應用前景。