儲(chǔ)能系統(tǒng)分析及其在新能源項(xiàng)目中的應(yīng)用前景

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 郭志剛

在日益激烈的資源形式下，我國(guó)對(duì)用電的清潔性和高效性提出了要求。新能源作為一項(xiàng)環(huán)保技術(shù)對(duì)電力行業(yè)的發(fā)展有積極意義，新能源發(fā)電有著波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，極易對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，且新能源并網(wǎng)對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而在新能源發(fā)電中應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以加快電能轉(zhuǎn)化效率、提高電能轉(zhuǎn)化質(zhì)量、降低電能損耗等，對(duì)電力行業(yè)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)作用分析

1.1.1 削峰填谷

電網(wǎng)負(fù)荷擁有較強(qiáng)的波動(dòng)性，我國(guó)對(duì)能源的消耗和生產(chǎn)都是即用即發(fā)。在用電高峰時(shí)期，電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率高，而用電低峰期，電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率低，這樣的運(yùn)行情況會(huì)降低發(fā)電機(jī)組利用率，造成資源浪費(fèi)。例如，火電機(jī)組是目前電網(wǎng)系統(tǒng)常用調(diào)峰技術(shù)之一，在火電機(jī)組降出力后，電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)燃料利用率將會(huì)下降，利用火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)不僅會(huì)降低電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，增加燃料的消耗，而且也會(huì)降低發(fā)電設(shè)備使用壽命。而利用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決上述問題，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)用電低峰期的電能，并在用電高峰期時(shí)進(jìn)行釋放，達(dá)到電能調(diào)峰效果[1]。

1.1.2 短期電力供應(yīng)

新能源電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)若出現(xiàn)斷網(wǎng)事故，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入孤島狀態(tài)運(yùn)行。儲(chǔ)能設(shè)備在講過控制系統(tǒng)時(shí)，會(huì)修正頻率和電壓偏差，達(dá)到平滑切換孤島運(yùn)行和并網(wǎng)模式運(yùn)行的目的。若出現(xiàn)大規(guī)模停電事故的發(fā)生，會(huì)對(duì)生活和生產(chǎn)活動(dòng)造成嚴(yán)重的影響。由于新能源項(xiàng)目生產(chǎn)的資源會(huì)受到天氣的影響，在惡劣天氣環(huán)境下，新能源資源會(huì)變得極為不穩(wěn)定，而儲(chǔ)能系統(tǒng)可以保證負(fù)荷正常運(yùn)行。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理及分類

1.2.1 機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能常見類型包括、飛輪儲(chǔ)能、空氣壓縮儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能等。在機(jī)械儲(chǔ)能應(yīng)用過程中，抽水儲(chǔ)能應(yīng)用較為廣泛。抽水儲(chǔ)能的工作原理是將水資源由低處向高出傳送，將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)力勢(shì)能，從而實(shí)現(xiàn)充電的效果，抽水儲(chǔ)能放電與水利發(fā)電站放電方式相同，抽出儲(chǔ)能系統(tǒng)通常建立于水資源豐富地勢(shì)。空氣壓縮儲(chǔ)能主要利用壓縮機(jī)壓縮空氣至10MPa 高壓狀態(tài)，然后將壓縮的空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)充電效果[2]?？諝鈮嚎s儲(chǔ)能放電和充電都是空氣與電能或者儲(chǔ)能介質(zhì)發(fā)生內(nèi)能轉(zhuǎn)化的一種過程，空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)限制因素較多，如地域、環(huán)境等。飛輪儲(chǔ)能是飛輪與電能相互轉(zhuǎn)化從而實(shí)現(xiàn)的放電和充電效果。空氣壓縮儲(chǔ)能和抽水儲(chǔ)能都為大型儲(chǔ)能系統(tǒng)，均具備黑啟動(dòng)、平滑出力、調(diào)峰等功能。與其他兩種儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能在調(diào)頻和供電方面性能較高。

1.2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

該類儲(chǔ)能方式主要是電解液和電極之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到的充電和放電效果，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)原理與傳統(tǒng)充電電池工作原理相同。傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般選擇鉛酸蓄電池作為主要供電能源，而現(xiàn)階段主要應(yīng)用磷酸鐵鋰電池。鈉硫電池、釩液流電池、三元鋰電池等均為電化學(xué)儲(chǔ)能的一種。

1.2.3 其他儲(chǔ)能

儲(chǔ)能系統(tǒng)種類豐富，有超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能等電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及合成燃料、儲(chǔ)氫等化學(xué)儲(chǔ)能方式，以及固體儲(chǔ)熱、熔鹽出熱等儲(chǔ)熱系統(tǒng)[3]。

2 典型儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)

2.1 鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)

鋰電池是充電電池的一種，其主要是由鋰化合物、天然石墨、人造石墨等正極材料和負(fù)極材料組成，鋰電池放電和充電過程就是鋰離子脫嵌和嵌入過程。鋰電池充電和放電原理如圖1，表1為鋰電池性能比較。

表1 不同鋰電池性能比較

圖1 鋰離子電池充放電原理

現(xiàn)階段，在綜合電力系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)中，鋰電池應(yīng)用十分廣泛。首先，在新能源項(xiàng)目中，鋰電池可以滿足電力系統(tǒng)的光伏能源和穩(wěn)定工作的需求；其次，鋰電池可以有效緩解短時(shí)突變電力負(fù)荷和長(zhǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)組響應(yīng)之間的矛盾，有利于提高能源的利用效率、改善電能運(yùn)行質(zhì)量。

2.2 超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)

超級(jí)電容是一種儲(chǔ)能原件，去主要利用雙層電原理實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，并且存儲(chǔ)過程具有可逆性，使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容雙層式應(yīng)用十分廣泛，圖2為其物理結(jié)構(gòu)。

圖2 普通電容和雙層電容結(jié)構(gòu)示意圖

新能源項(xiàng)目中，電力和動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容技術(shù)應(yīng)用較多，超級(jí)電容技術(shù)可以在系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)剩余能量進(jìn)行存儲(chǔ)，在系統(tǒng)負(fù)載高峰運(yùn)行過程中釋放能力，以此來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和帶載能力。與普通鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)相比，超級(jí)電容技術(shù)對(duì)于能量密度的要求較低。儲(chǔ)能元件性能參數(shù)比較如表2所示。

表2 儲(chǔ)能元件性能比較

2.3 技術(shù)特點(diǎn)分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能擁有循環(huán)壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減緩電流沖擊功率；超級(jí)電容的缺點(diǎn)為能量密度小，儲(chǔ)存能量較少。而蓄電池儲(chǔ)能則與其不同，功率密度小，能量密度大。想要更好的滿足系統(tǒng)能量、功率密度高的要求，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究應(yīng)考慮以下兩方面：創(chuàng)新儲(chǔ)能制造工藝，促進(jìn)元件性能的提升；對(duì)儲(chǔ)能原件進(jìn)行性質(zhì)互補(bǔ)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能[4]。

以上兩種方法，第一種操作難度較大，無(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)，第二種方法既能使儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求得到滿足，同時(shí)也能夠提高系統(tǒng)性能，具有良好經(jīng)濟(jì)性。

3 超級(jí)電容—蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)階段，超級(jí)電容—蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包括兩種，無(wú)源式、有源式儲(chǔ)能系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)主要是對(duì)現(xiàn)階段的存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行組合，改造成為了一種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用不同元件和功能進(jìn)行互補(bǔ)，以此來(lái)減少儲(chǔ)能系統(tǒng)制造成本，提經(jīng)濟(jì)性。

3.1 無(wú)源式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)源式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以劃分為兩種，第一種為直接將超級(jí)電容與蓄電池進(jìn)行并聯(lián)形成的混合系統(tǒng)，第二種為利用無(wú)源器件進(jìn)行連接，如儲(chǔ)能系統(tǒng)和電感、二極管等組成的混合系統(tǒng)?；旌舷到y(tǒng)的特點(diǎn)是在充電和放電過程中不需對(duì)其進(jìn)行控制，混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[5]。

3.1.1 直接并聯(lián)式

并聯(lián)式混合系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能系統(tǒng)，圖3所示。混合系統(tǒng)具有的特點(diǎn)包括，無(wú)法對(duì)功率流動(dòng)進(jìn)行控制，電壓裝置需要與負(fù)載電壓相互匹配；混合儲(chǔ)能裝置電壓波動(dòng)大，并聯(lián)方式會(huì)降低超級(jí)電容能量利用效率，且蓄電池壽命較短。

圖3 直接并聯(lián)式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 電感并聯(lián)式

電感并聯(lián)混合系統(tǒng)，主要是在蓄電池與電感進(jìn)行串聯(lián)，然后并聯(lián)到超級(jí)電容裝置上。圖4為并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。電感并聯(lián)混合系統(tǒng)具有的特點(diǎn)包括，可以有效抑制電感波動(dòng)，蓄電池壽命長(zhǎng)，工作效率高；但無(wú)法控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電過程，超級(jí)電容能量利用效率較低。

圖4 電感并聯(lián)式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 有源式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為更好的控制儲(chǔ)能系統(tǒng)放電和充電過程，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)容量利用率，有源式系統(tǒng)在母線結(jié)果位置額外增加了功率變換器，根據(jù)變換器數(shù)量以及位置的不同，有源式儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為三種，如圖5～7所示。

圖5中混合系統(tǒng)，主要利用變換器將蓄電池連接直流母線，并與超級(jí)電容進(jìn)行并聯(lián)。該系統(tǒng)可以更好的控制蓄電池充電和放電過程，以此來(lái)達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的，提高蓄電池使用壽命；在改造過程中儲(chǔ)能系統(tǒng)需要并聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容，才能滿足直流母線電壓要求。

圖5 超級(jí)電容與直流母線直接連接

圖6混合系統(tǒng)與圖5系統(tǒng)相反，首先對(duì)功率變換器與超級(jí)電容進(jìn)行連接，其次并聯(lián)蓄電池至直流母線中。該系統(tǒng)可以利用變換器對(duì)電容電壓進(jìn)行改變，從而擴(kuò)大系統(tǒng)可應(yīng)用性，提高容量利用率。

圖6 蓄電池與直流母線直接直接連接

圖7混合系統(tǒng)，首先利用功率變換器將超級(jí)電容與蓄電池進(jìn)行連接，其次并聯(lián)至直流母線中，該系統(tǒng)中擁有的兩種存儲(chǔ)器件在容量利用率方面都有較好的性能，可以優(yōu)化充電和放電過程。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變換器和系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。

圖7 兩種儲(chǔ)能裝置通過功率變換器與直流母線連接

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源項(xiàng)目中的應(yīng)用前景

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏電站中的應(yīng)用

（1）光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用較多，光伏系統(tǒng)包括蓄電池、控制器、光伏組件等重要部件。系統(tǒng)充電過程時(shí)，光伏組件會(huì)利用控制器將產(chǎn)生的直流電存儲(chǔ)于電池中，放電時(shí)，電池組件則會(huì)利用控制器和逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并接入負(fù)載中。傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)使用的蓄電池通常都為鉛酸膠體電池，例如光伏路燈、家庭光伏系統(tǒng)均采用鉛酸電池。（2）光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以小型商業(yè)戶和家庭應(yīng)用居多，微光系統(tǒng)相比于離網(wǎng)系統(tǒng)，前者具備并網(wǎng)功能，在電網(wǎng)停止運(yùn)行后，發(fā)電系統(tǒng)會(huì)從并網(wǎng)狀態(tài)自動(dòng)切換為孤島運(yùn)行。（3）大型光伏發(fā)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)。大型發(fā)電站中，電站交流側(cè)位置安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以起到調(diào)峰的作用。現(xiàn)階段，我國(guó)大部分城市發(fā)電站均配備了儲(chǔ)能系統(tǒng)，并且儲(chǔ)能裝置充電時(shí)長(zhǎng)均不低于120分鐘。

4.1.2 風(fēng)光儲(chǔ)一體化發(fā)電

幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電等模式指明了發(fā)展方向。在光伏、風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，構(gòu)建風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電項(xiàng)目，通過儲(chǔ)能發(fā)電完善風(fēng)光發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)光、風(fēng)、儲(chǔ)三者之間互補(bǔ)，共同進(jìn)行發(fā)電。儲(chǔ)能系統(tǒng)在用電低峰時(shí)期開始充電，以確保用電高峰時(shí)期發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

4.2 不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

4.2.1 新能源項(xiàng)目中超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

超導(dǎo)儲(chǔ)能可以將電能轉(zhuǎn)化為電磁能并存儲(chǔ)于超導(dǎo)體中，擁有響應(yīng)快、功率密度高、環(huán)保、效率高等特點(diǎn)。在新能源項(xiàng)目中應(yīng)用，可以發(fā)揮出調(diào)頻和平滑出力的作用，能夠有效提高新能源發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量。在國(guó)際上，日本和美國(guó)均應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并且美國(guó)已經(jīng)構(gòu)建了100MW 機(jī)組，而我國(guó)對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用主要以小容量樣機(jī)和仿真為主[6]?，F(xiàn)階段，各個(gè)國(guó)家掌握的超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，具備了商業(yè)可行性，對(duì)于超導(dǎo)技術(shù)機(jī)組的應(yīng)用研究正在穩(wěn)步向前。日本研究協(xié)會(huì)對(duì)低能超導(dǎo)和抽水蓄能進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比研究，在功率成本上，超導(dǎo)儲(chǔ)能比抽水蓄能成本更低，在經(jīng)濟(jì)性上，超導(dǎo)儲(chǔ)能也具備良好的商業(yè)可行性。

4.2.2 新能源項(xiàng)目中超級(jí)電容器的應(yīng)用

超級(jí)電容主要利用電容器來(lái)存儲(chǔ)電能，超級(jí)電容通常為雙層電容，屬于靜電儲(chǔ)能。在經(jīng)過氣相沉淀工藝改造后，超級(jí)電容電極會(huì)在周邊形成雙電層，超級(jí)電容在環(huán)保性、轉(zhuǎn)換效率、功率密度等方面都擁有良好性能。部分研究人員通過超級(jí)電容具備的循環(huán)充電和大容量特點(diǎn)，將功率器件和超級(jí)電容量相結(jié)合，并連接到電路負(fù)載和發(fā)電列陣之間，利用補(bǔ)償電壓轉(zhuǎn)變電池的輸出，可以改變列陣輸出特性，到達(dá)功率點(diǎn)跟蹤的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以改變電能存儲(chǔ)方式，突破傳統(tǒng)即發(fā)即用的模式，解決了傳統(tǒng)發(fā)電存在的諸多問題。隨著社會(huì)發(fā)展速度不斷加快，在新能源項(xiàng)目中儲(chǔ)能系統(tǒng)有了更加廣泛的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，使供電質(zhì)量得到了一定的提升。為此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)根據(jù)用電規(guī)劃、電力結(jié)構(gòu)等，加大對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用力度，充分發(fā)揮出儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值和作用。