儲能技術在新能源電力系統中的應用

中廣核風電有限公司 徐華利 張 星 吳 剛

1 儲能技術的分類與特點

1.1 儲能技術的分類

儲能技術是指在能量供應過剩時將能量轉化為其他形式并存儲起來，以供能量需求高峰時使用的技術。儲能技術的分類主要包括機械式儲能技術、化學式儲能技術、電化學儲能技術和熱儲能技術四大類。

一是機械式儲能技術：機械式儲能技術是指將能量轉化為機械能，并通過某些裝置將其存儲起來。機械式儲能技術主要包括重物式、彈簧式、飛輪式、壓縮空氣式等。其中，壓縮空氣式儲能技術是當前應用最廣泛的機械式儲能技術之一。

二是化學式儲能技術：化學式儲能技術是指將能量轉化為化學能，并通過某些裝置將其存儲起來。化學式儲能技術主要包括氫氣儲存技術、氧化還原反應儲能技術等[1]。其中，氫氣儲存技術是當前應用最廣泛的化學式儲能技術之一。

三是電化學儲能技術：電化學儲能技術是指將能量轉化為電能，并通過某些裝置將其存儲起來。電化學儲能技術主要包括電容器式、電池式、超級電容器式等。其中，電池式儲能技術是當前應用最廣泛的電化學儲能技術之一。

四是熱儲能技術：熱儲能技術是指將能量轉化為熱能，并通過某些裝置將其存儲起來。熱儲能技術主要包括水蒸氣儲熱技術、蓄熱材料儲熱技術等。

1.2 儲能技術的特點

不同類型的儲能技術各自具有獨特的特點，但都有以下幾個共同的特點。

一是高效性：儲能技術可以將能量轉化為其他形式并儲存，以備不時之需。這種儲存過程通常比較高效，能夠實現較低的能量損失。

二是靈活性：儲能技術可以儲存不同類型的能量，可以根據需要靈活選擇儲存方式，提高能源利用效率。

三是可持續性：儲能技術可以使得新能源的波動性得到克服，從而實現能源持續性。在新能源電力系統中，儲能技術的應用可以實現電力的平衡和穩定，有效提高電網的可靠性和可持續性。

四是可控性：儲能技術可以根據需求隨時釋放能量，提供電力調峰和峰谷電價的支持，從而實現電力系統的負荷平衡。

五是環保性：儲能技術可以實現能量的高效利用和能源的可持續性，有助于降低化石能源的消耗和減少環境污染。儲能技術比較見表1。

表1 儲能技術比較

2 儲能技術在新能源電力系統中的應用

新能源電力系統具有不可控、間歇性和波動性等特點，這些特點對電力系統的安全、穩定性和可靠性帶來了一定的挑戰。為了解決這些問題，儲能技術在新能源電力系統中得到了廣泛應用。

2.1 儲能技術在風電系統中的應用

風力發電具有不可控和波動等特點，需要通過儲能技術來平衡供需之間的差異。目前，風電系統中應用較廣的儲能技術主要包括。一是壓縮空氣儲能技術：壓縮空氣儲能技術是將風能轉化為機械能，然后將機械能轉化為壓縮空氣，儲存于容器中，待需要電能時釋放壓縮空氣驅動發電機發電的一種技術。壓縮空氣儲能技術具有高效、長壽命、低成本等優點，適用于大容量、長時間儲能。二是電池儲能技術：電池儲能技術是將風能轉化為電能，通過電池進行儲存，待需要電能時通過逆變器將電能轉化為交流電的一種技術。電池儲能技術具有高效、快速響應、低噪聲等優點，適用于小容量、短時間儲能。

2.2 儲能技術在太陽能系統中的應用

太陽能發電也具有不可控和波動等特點，需要通過儲能技術來平衡供需之間的差異。目前，太陽能系統中應用較廣的儲能技術主要包括。

一是鋰離子電池儲能技術：鋰離子電池儲能技術是將太陽能轉化為電能，通過電池進行儲存，待需要電能時通過逆變器將電能轉化為交流電的一種技術。鋰離子電池儲能技術具有高效、快速響應、長壽命等優點，適用于小容量、短時間儲能。

二是熔鹽儲熱技術：熔鹽儲熱技術是將太陽能轉化為熱能，通過熔鹽進行儲存，待需要熱能時釋放熱能驅動發電機發電的一種技術。熔鹽儲熱技術具有高效、長壽命、適用于大規模儲能等優點，適用于大容量、長時間儲能。

2.3 儲能技術在微電網系統中的應用

微電網是指小范圍的電力系統，可以與主電網進行互聯互通，也可以獨立運行。儲能技術在微電網系統中的應用可以提高系統的安全性、可靠性和經濟性。目前，微電網系統中應用較廣的儲能技術主要包括：

一是超級電容儲能技術：超級電容儲能技術是將微電網系統中的電能轉化為電荷存儲在電容器中，待需要電能時通過逆變器將電荷釋放為電能的一種技術。超級電容儲能技術具有高效、快速響應、長壽命等優點，適用于小容量、短時間儲能。

二是納米鈦酸鹽儲能技術：納米鈦酸鹽儲能技術是將微電網系統中的電能轉化為化學能，通過儲存于納米鈦酸鹽材料中，待需要電能時將化學能轉化為電能的一種技術。納米鈦酸鹽儲能技術具有高效、長壽命、適用于大容量、長時間儲能等優點[2]。

3 儲能系統的設計與效益評價

3.1 儲能系統的設計原則

一是儲能容量應根據電網規模和負荷變化確定。二是儲能系統應選用可靠的儲能技術，且具有高效率、長壽命、低成本等特點。三是儲能系統應設置在電力系統中心或大型負荷點附近，以降低輸電損耗和提高系統可靠性。四是儲能系統的建設應考慮環境保護和社會效益。五是儲能系統應與電網協調運行，確保電力系統穩定可靠。

3.2 儲能容量的計算方法

儲能容量的計算需要考慮負荷預測和儲能技術特性。儲能容量的計算：

式中，Estor為儲能容量，單位為kWh；ΔHi為第i個時間段內儲能系統需要儲存的能量，單位為kW ；Δti為第i個時間段的長度，單位為h ；n為時間段的總數。負荷預測可以采用統計學方法和人工智能方法，結合歷史負荷數據和天氣預報數據進行預測。儲能技術特性包括儲能效率、充放電速率、儲能成本等，應根據實際情況進行評估。

3.3 儲能系統的效益評價指標

3.3.1 經濟效益指標

儲能系統成本：儲能系統成本包括建設成本和運維成本兩部分。建設成本包括設備采購、安裝、調試等費用，運維成本包括人員工資、設備維護等費用。儲能系統成本的計算：

式中，Ic為建設成本，Im為運維成本。

儲能系統收益：儲能系統收益包括節省能源費用和電力市場收益兩部分。節省能源費用是指由于儲能系統的使用，電網能夠更加靈活地管理負荷，降低峰谷差，節約能源消耗。電力市場收益是指由于儲能系統的參與，可以更好地應對電力市場的需求和價格波動，獲取更高的收益。儲能系統收益的計算：

式中，Rev為儲能系統收益；Se為儲能系統的收入，包括節省的能源費用和電力市場收益；Sc是儲能系統的成本，包括建設成本和運維成本。儲能系統收益比較見表2。

表2 儲能系統收益比較

3.3.2 環境效益指標

減少溫室氣體排放：儲能系統可以將風電、光伏等不穩定能源的電力轉化為儲能電力，減少對傳統化石能源的依賴，從而減少溫室氣體排放。減少的溫室氣體排放量的計算：

式中，ΔE是減少的溫室氣體排放量，單位為t；Cf是溫室氣體排放因子，單位為t；CO2排放量/kWh；Es是儲能系統的儲能容量，單位為kWh；η是儲能系統的儲能效率。

減少空氣污染：儲能系統可以協調電力系統運行，提高電力系統的穩定性和可靠性，減少電力系統發生故障的概率，從而減少火力發電機組的運行時間和空氣污染物排放量。減少的空氣污染物排放量的計算：

式中，ΔP是減少的空氣污染物排放量，單位為t；Cp是空氣污染物排放因子，單位為t/kWh；Tu是火力發電機組的總運行時間，單位為h；η是儲能系統的儲能效率。

3.3.3 電力系統運行效益指標

一是儲能系統的響應速度：儲能系統應具有快速響應的能力，可以在電力系統發生負荷波動時，快速地向電網提供或吸收電力，以維持電力系統的平衡和穩定。儲能系統的響應速度可以用其放電或充電功率來衡量[3]。

二是儲能系統的功率容量和能量容量：儲能系統的功率容量是指其在單位時間內可以向電網提供或吸收的最大功率，通常以兆瓦為單位。能量容量是指儲能系統可以儲存的最大電能量，通常以MWh 為單位。

三是儲能系統的可靠性和穩定性：儲能系統需要具有良好的可靠性和穩定性，以確保其在運行過程中不會發生故障，影響電力系統的穩定和安全。可以通過儲能系統的故障率和維修時間等指標來評估其可靠性和穩定性。溫室氣體排放因子見表3。

表3 溫室氣體排放因子

4 結語

在當今能源轉型的大背景下，儲能技術的發展越來越受到關注。通過本文的介紹，了解儲能系統的定義、分類、工作原理以及收益和效益指標等方面的內容。儲能系統的應用可以有效地提高電力系統的可靠性、靈活性和經濟性，同時也有助于減少溫室氣體排放和空氣污染物排放。隨著儲能技術的不斷發展和成本的不斷降低，儲能系統將會越來越廣泛地應用于電力系統、工業制造、交通運輸等領域，為人類創造更加清潔、安全、可持續的未來。