儲能技術在新能源電力系統中的應用

亢亞軍

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000）

當前，對于新能源的利用開發主要集中在新能源發電項目，利用太陽能和風能等新能源可以發電。但是新能源發電與化石能源發電的方式相比起來，其發電過程中容易受到外界自然因素的干擾，新能源電力系統往往會存在供電中斷或者波動性較大等問題，如果將新能源電力系統廣泛推廣應用，對于電網整體安全穩定的供電會造成不良影響。為此，新能源電力系統運行期間，應用儲能技術對其控制，解決系統供電的技術缺陷，充分保障新能源電力系統的平穩持續性運行，新能源電力系統想要在未來實現大規模并網的目標，離不開儲能技術對其系統的優化和支持。

1 儲能技術在新能源電力系統中的應用分析

1.1 儲能技術類型

1.1.1 物理儲能技術

（1）壓縮空氣儲能技術。壓縮空氣儲能系統進行儲能的時候，風電機組此時會輸出較大的功率，在這種情況下富余出來的風電，會被注入到壓縮空氣儲能電站當中，借助電動機設備實現壓縮機的驅動，進行空氣壓縮處理和降溫處理，處理完畢后將其存儲到系統的儲氣室中，儲氣室常見類型包括過期的油氣井、山洞、經過沉降處理的海底儲氣罐裝置及新建成的儲氣井等。系統釋能時，風電機組設備的實際輸出功率難以達到負荷的標準，這時會將系統中高壓空氣升溫處理，然后令其進入到燃燒室當中助燃，燃燒室當中燃氣的逐漸膨脹可以實現對燃氣輪機的驅動，繼而使得發電機設備進行發電[1]。壓縮空氣儲能系統能夠實現高效的能源轉化，轉化率最高可以達到75%以上，如果運行期間搭配其他先進技術還有可能繼續提升轉化率。壓縮空氣儲能系統具有較大的儲能容量，實際儲能期間不會消耗較多燃料，因此儲能的總體成本不高，且具有較高安全等級，系統使用年限較長。但是壓縮空氣儲能系統的儲能密度相對較低，且運行期間容易受到巖層結構等地形條件的影響。壓縮空氣儲能技術比較適合應用在規模較大的風能電力系統當中，用于解決處理風電系統功率波動的調控及風電的平滑輸出等問題，保證電網系統功率的平穩。

（2）飛輪儲能技術。飛輪儲能系統主要是由電機設備、飛輪系統、電控系統及軸承支撐系統組成，這種儲能系統也可以看成是一種能量電池，儲能效率最高能夠達到80%左右。儲能過程中，飛輪儲能系統中的電能會驅動電動機設備的運行，進而使得飛輪裝置進行高速旋轉，將電能通過旋轉體動能的形式儲存。釋能過程中，飛輪的快速旋轉促使發動機裝置進行發電，實現機械能的轉化，將其轉化為電能，并將電能輸送到系統外部負載進行使用。飛輪系統可以分為2種，一種為磁懸浮軸承飛輪系統，一種為機械軸承飛輪系統。磁懸浮軸承飛輪運行速度較高，機械軸承飛輪運行速度較低。因此磁懸浮軸承飛輪更加適合用于調節電力系統的峰谷調控[2]。為了優化飛輪運行期間的實際轉速及整體的儲能效果，可以使用非接觸式的磁懸浮軸承技術，這種技術可以將飛輪系統和電機設備封閉在真空的容器裝置當中，充分減少飛輪運轉期間遇到的空氣阻力。飛輪儲能系統的儲能密度較大，系統充電放電的次數不存在限制，且充電放電效率高、速度快，但是一次性購置所需的經濟成本相對來說比較高。

（3）抽水儲能技術。抽水儲能技術主要是通過低谷的電價實現能量的儲存。這種儲能方式不需要較高的成本費用，但是由于水資源具有易蒸發的特點，且系統泵水過程中會耗費較高功率，因此系統的能量轉換效率一般在70%左右。抽水儲能系統中使用的儲能介質主要分為海水、地下水及江河大壩這幾種類型。傳統的抽水儲能系統中需要設置上游蓄水池和下游蓄水池，海水的抽水儲能系統當中會將海水作為下游蓄水池，這樣可以有效節省系統儲能的費用投入。但是儲能期間要采取相應措施避免抽水裝置等遭受海水腐蝕和大海中各類生物的附著干擾。抽水儲能系統的實際儲能容量很大，系統的運行比較靈活，應用費用低廉，但是儲能過程會受到水文地質等條件的影響，因此在儲能電站的選址上存在一定的限制。抽水儲能技術當前在新能源電力系統的調頻處理、調峰處理及事故備用等方面應用頻率較高。抽水儲能技術水平的不斷優化提升，系統不僅具備儲能發電的功能，還可配合電力系統實現多項動態作業，獲取動靜結合的綜合效益[3]。

1.1.2 化學儲能技術

化學儲能技術主要就是指化學電池儲能系統的應用，通過化學電池的正負極之間進行氧化反應，實現充電和放電，最終實現化學能和電能之間的轉化儲存。化學儲能系統能夠實現快速功率的吞吐處理，也是當前技術水平相對成熟的儲能技術之一。化學電池的類型有很多種，可以應用在新能源電力系統中的儲能電池主要包括以下幾種類型。

第一，鈉硫儲能電池。這種儲能電池的正極是多硫化鈉及硫，負極為熔融金屬鈉，電池的電解質與隔膜是Na-beta－氧化鋁。鈉硫儲能電池的能量密度與鉛酸儲能電池相比起來，是其3倍以上，但是運行空間需求卻只需要其1/3大小。鈉硫儲能電池的充電放電效率都比較高，所需費用低，系統運行空間需求較小，后期維護難度較低，但是電池的循環使用年限及電池的放電深度還需要優化提升，儲能電池系統運行期間溫度要保持在300℃左右[4]。

第二，鋰電池。這是一種能源轉化效率較高且能量密度大的化學電池儲能系統。這種儲能系統主要組成部分包括儲能電池的管理系統、充電放電系統及單體電池裝置，系統的綜合儲能效率能夠達到85%以上。這種化學儲能電池能量密度很高，充電效率和放電效率處于較高水平，且系統運行安全穩定。系統運行期間能夠通過串聯或者并聯的方式獲取高容量和高壓，但是實現這一過程的經濟成本比較高。此種化學儲能電池比較適合應用在新能源電力系統中的應急供電及旋轉備用等。

第三，液流儲能電池。這種化學儲能電池也稱之為是還原液流儲能電池。液流儲能電池的實際輸出功率主要是由電池組的實際面積及儲能系統中單電池的總數決定的，想要提升液流儲能電池的儲能容量，可以通過提升電解液濃度和容積的方式實現，這種化學儲能電池放電期間不需要采取保護措施，比較適合應用在新能源電力系統中進行電能儲存和電力系統的應急供電。液流電池儲能系統穩定性強且能量轉換能力強，系統維護便利，運行穩定安全，應用優勢眾多被廣泛應用在電力系統的并網發電和儲能當中，但是此種液流儲能電池中的部分材料成本費用比較昂貴，也在一定程度上阻礙其實際應用。

第四，金屬空氣儲能電池。這種化學儲能電池綠色環保，電池的正極為氧氣，負極通常為鎂鋁鋅鐵等化學性質相對活潑的金屬元素，電池的電解液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉及海水等。當氧氣逐漸擴散到電池的化學反應界面之后，就能與電池中的活潑金屬元素發生反應產生電能。金屬空氣儲能電池的比能量比較高，與鉛酸儲能電池相比高于其8倍以上，這種儲能電池制作成本不高且綠色無污染，電池的原材料可以進行循環利用[5]。金屬空氣儲能電池不需要使用充電設備，在幾分種之內就可以完成金屬燃料的更換，實現快速充電。當前金屬空氣儲能電池中比較接近產業化的電池類型為鋅空氣儲能電池，而鋁空氣儲能電池雖然自身比能量也很高，但是電池充電放電的速度相對來說比較慢，因此經常被用于備用電源。

第五，鉛酸儲能電池。鉛酸儲能電池的電解液是稀硫酸溶液，電池的正極為絨狀鉛及二氧化鉛，負極則是由酸性的蓄電池組成。這種儲能電池具有較大儲能容量，儲能技術已經比較成熟，技術應用成本低且系統易于維護。但是這種儲能電池的比能量較低，電池循環年限很短，使用過程中容易對環境造成重金屬污染，發生深度放電還會對電池自身造成較大損傷。

1.1.3 相變儲能技術

相變儲能技術能量密度大，儲能系統組成簡單，設計比較靈活，方便管控。相變儲能技術常見類型包括冰蓄冷儲能技術、電儲熱技術及熔融鹽儲熱技術等。冰蓄冷儲能技術是指通過系統中的蓄冷介質，實現結冰和融冰處理，進而對冷量進行存儲與釋放。這種技術可以優化制冷機組設備的運行效率，降低空調等制冷設備在用電高峰時期的系統用電負荷。電儲熱技術的主要儲能介質是水資源和金屬材料，以水作為介質進行熱能儲存的時候投入成本較低且便于系統維護。使用高溫金屬作為熱能儲存介質的時候，主要是通過金屬到固態液態轉化對熱能進行儲存或釋放。這種方式能夠實現高溫儲熱，金屬儲熱介質的導熱性能較好。熔融鹽儲熱技術是指將固態的無機鹽進行加熱處理，令其處于熔融的狀態，然后通過系統熱循環實現熱能儲存[6]。

1.1.4 電磁儲能技術

電磁儲能技術分為2種。第一種為超導磁儲能技術。超導磁儲能系統運行過程中的超導線圈中的直流電磁場，可以當作其儲能系統的儲能介質，儲能效率能夠高達90%以上。超導磁儲能系統應用效率高，系統響應速度較快，且運行過程環保無污染。在超導狀態之下線圈的電阻值可以忽略不計，因此運行期間不會出現大量能耗，能夠實現持續性的無損耗儲能。但是超導線圈在使用期間需要設置在溫度較低的液體當中，這會加大其系統的應用成本。這一儲能系統可以顯著優化電力系統的電壓電頻的控制效率，與此同時還能夠實現對于電能的大量交換，并且同時抑制電力系統中電壓和功率的失穩波動。第二種為超級電容器儲能技術。超級電容儲能裝置介于普通電容器和儲能電池之間，該儲能系統的充電和放電過程具備可逆性，能夠進行多次的反復儲能。其不但具備常規電容器設備的應用優勢，還具備運行更加穩定，系統循環年限更長，顯著提升電力系統的瞬時功率，可用于新能源電力系統的備用儲能。

1.2 新能源電力系統中儲能技術的實際應用

1.2.1 在風能電力系統中的應用

在風力發電場中合理應用儲能裝置，可以顯著優化風力電廠電壓運行的穩定性，有效控制系統功率，并且可以實現系統有用功和無用功的合理調控。進行電力系統調峰電能的配置處理時，可以有效優化當地電網的整體接納水準。將儲能系統配置在電源側時，通過應用儲能電源就能夠實現供電系統的調節優化和用戶互動。

在風力發電廠出口并網處的母線位置進行儲能系統的安裝，能夠借助儲能系統的放電功能和儲能功能對風電系統運行過程中的功率不穩情況實施有效控制。為了有效降低風電場供電波動對于電網造成的不良干擾，系統中每臺風機裝置都要安裝蓄電池用于電能的后備儲存，蓄電池的功率要為風機設備功率的4%左右。為了防止突發事故對風機設備的葉片裝置造成損壞，還要額外配置1組功率為風機功率1%左右的蓄電池，確保風機裝置的平穩運行。當前風電系統對于電力輸出的穩定性控制已經成為其控制的重點內容。當前風力發電處于快速發展的狀態，風力發電與電網之間的關聯度也逐漸升高，風力發電場需要具備削峰填谷的功能，而該項功能的實現必須要借助儲能技術的輔助才行。風力發電場中配置到儲能系統額定功率值要控制在風電系統的45%左右。如果風機設備想要實現離網發電的目標，那么系統中需要配置更大額定功率值的動態儲能系統。

風力發電場之所以會出現閃變問題，主要是由于電場中風速的變化比較迅速，與此同時塔影效應也會造成電場閃變，風力發電期間如果某1臺風機設備發生閃變不會造成較大影響，但是如果多臺風機設備同時并入相對較小的電網系統當中時，發生的閃變會嚴重影響風力發電。在風機裝置出口部位安裝儲能系統就能解決閃變問題，外接的儲能系統在調節過程中其功率動態應為毫秒級別。

1.2.2 在光伏電力系統中的應用

光伏發電就是指借助太陽能的電池原理，產生電勢差，實現太陽能到電能的有效轉化，這種轉化的電能為直流電。儲能系統在光伏電力系統中發揮的作用優勢與風力發電場中相似，如果光伏發電系統中電池的實際輸出功率出現波動，儲能系統可以即刻運行，為光伏發電系統提供瞬時功率，保證系統可以平穩運行。由于儲能電池的儲能技術更加成熟一些，使用成本低且具有較大的能量密度，因此進行光伏發電的時候通常都會使用蓄電池作為光伏電力系統的儲能裝置。但是蓄電池的儲能方式比較單一，存在一定的應用限制，電池續航時間不夠長且電池功率有待提升。為此可以逐步升級，嘗試混合型儲能系統的應用。

1.2.3 在光熱發電系統中的應用

光熱發電與光伏發電的主要區別為光熱發電是先進行太陽能的轉化，將其轉變成為熱能之后，通過系統的熱力循環，再將熱能進行轉換，最終轉化成為電能。光熱發電系統最終會轉化成交流電。這種發電系統能夠和傳統發電模式有效結合，并且可適應當前電網的運行模式。因此可以并網使用。光伏發電過程中完成電能轉化之后，系統中過剩的電能還要儲存到系統的蓄電池當中。而光熱發電站產生的主要能量不是光能而是熱能，因此儲存的能量形式與光伏發電不同，在實際發電過程中也需要借助儲能設備進行電能儲存，光熱發電技術當前常見類型分別為塔式光熱發電技術、碟式光熱發電技術及槽式光熱發電技術等。在理論上，光熱發電過程中可以通過熱能的儲存實現全天不間斷地持續供電，但是在光伏發電過程中暫時還不能實現這種理想發電狀態。

1.3 能源電力系統中儲能技術應用前景

當前新能源電力系統的應用范圍逐漸擴大，為了滿足新能源電力系統穩定運行、電能質量優化及電網調峰等實際需求，儲能技術的應用非常必要。儲能技術未來在新能源電力系統中的應用前景非常可觀。想要解決新能源電力系統并網中的技術缺陷，必然要開發具有高能量密度和高功率的綜合多元化電力儲能系統，其中超級電容與儲能電池的有機結合將成為多元化電力儲能系統的主流研究方向，電力儲能系統的協調控制能力提升和優化配置問題也是研究的重點。

2 結束語

綜上所述，新能源電力系統中的儲能技術有著不可估量的發展前景。相關工作人員進行儲能技術的有效創新和發展，提高儲能技術的應用效率，推動電力資源的長期可持續發展，為我國經濟的長遠發展打好基礎。