儲能技術在新能源電力系統中的應用

廣東省能源集團貴州有限公司 李 強

隨著儲能技術的日漸成熟，其在電力系統中的應用優勢彰顯出來，具體可體現為以下幾點：為大規模新能源發電創造有利條件。太陽能、風能新能源所具備的優勢是傳統化石能源達不到的，可維護電網運行安全。儲能技術的應用，有利于實現大規模并網發電；可以改變能源供應結構。新能源符合可持續發展要求，隨著人類對能源需求的加大，有必要充分利用新能源，轉變能源供應結構，通過儲能技術能實現電力系統獨立運行或并網運行，促進新能源電力系統的優化改造[1]。

1 某廠儲能技術在新能源電力系統中的應用類型

某廠新能源電力系統運行期間，新能源配建儲能基于一體化和自調度模式參與電力系統的發展，目前已累計增加新能源消納0.9億kWh。晚高峰時間，應急集中調用全網儲能資源頂峰保供17次，累積放電量300萬kWh。內蒙古電網新型儲能放電電力高達117萬kW，晚高峰時段的放電量可以達到175萬kWh，可以發揮儲能技術對保障電力系統穩定性的重要作用。

1.1 物理儲能技術

1.1.1 壓縮空氣儲能技術

壓縮空氣儲能系統在儲能過程中，風電機組會輸出較大功率，此時富余的風電會被注入壓縮空氣儲能電站內，利用電動機驅動壓縮機，完成對空氣壓縮與降溫處理，隨后再將空氣存儲在專門的儲氣室中。如圖1所示，壓縮機與膨脹機被安裝于一根軸中，壓縮機所消耗的能量由膨脹機負責提供，在提高壓縮機工質壓力的同時，也方便膨脹機做功。當二者不處于同一個軸時，壓縮過程與膨脹過程就會被分開，從而形成壓縮空氣儲能技術的基本雛形。在儲能環節，系統依靠風/光電或者低谷電能來帶動壓縮機運轉，使電能被成功轉化成空氣壓力能，然后高壓空氣會被集中密封存儲在已經報廢的巖洞或礦井中，或者直接被存儲于人造儲氣罐。釋能環節放出高壓空氣，對膨脹機產生推動作用，使存儲的空氣壓力轉為機械能與電能[2]。

圖1 液態壓縮空氣儲能系統示意圖

某廠關于壓縮空氣儲能技術的有效應用，剛好是在我國成功自主研發出10MW先進壓縮空氣儲能系統的時代背景下，歷經4000h采集試驗數據，為某廠引進新儲能裝置帶來了明確方向。購進該裝置后發電量逐漸達到了4萬kWh，其供電范圍增加到3000戶，并且在此設備儲能服務至上，投資的儲能成本得以縮減，綜合效益比往年有所增長。為促使某廠系統高效利用新能源，還對此裝置進行了升級改造，從100kW調整為500kW，整體儲能量呈遞增趨勢。

壓縮空氣能存儲多少能量，可依據熱力學區別環境壓力與環境空氣的做功能力，單位質量下做功能力（可以轉換的功）如下：e=u-u0-T0（s-s0），式中：u指的是內能；T為溫度；s為墑；0代表的是環境條件。由此可見，溫度越高，內能u就越大，同時s也會越大；壓力越大，墑s越小，但是內能基本不變，所以溫度與壓力的升高都會讓單位質量空氣做功能力增加。壓縮空氣壓力是100倍大氣壓，溫度上環境溫度時，1m3空氣內部的能量可以轉化為12.9kWh。壓縮空氣壓力增加到200倍大氣壓時，此時1m3空氣內部可以儲存電能28.3kWh，將空氣加熱到300℃，可釋放54.4kWh。

筆者在對壓縮空氣儲能技術的研究中，以儲能技術為基礎，了解一種液態壓縮空氣儲能系統，該系統主要通過對空氣降溫液化技術的應用，讓空氣以液態形式得以儲存，儲能環節經過壓縮機的高壓空氣會進入回熱器進行降溫降壓處理，從而空氣被液化為常壓低溫液態空氣，這些液態空氣被儲存在儲液罐中。釋能環節液態空氣通過低溫泵進行升壓，再通過回熱器進行升溫，隨后來到燃燒室，與燃料一同混合燃燒，在膨脹機中膨脹做功。

1.1.2 飛輪儲能技術

飛輪儲能技術主要是依靠旋轉中的風輪形成動能，再借助動能轉化的方法完成對電能的高效存儲。飛輪儲能技術應用期間，一般可通過電機驅動飛輪達到預期速度，然后使電能轉為飛輪的動能，當用電量增加的時候，可利用飛輪動能帶動電機實現發電。正常情況下，飛輪系統需在類似于真空的狀態下運行，從而降低摩擦或風阻帶來的動能損失，保持系統運行的穩定性，延長其使用壽命[3]。

某廠在飛輪儲能技術的應用方面，主要是購進了盾石磁能自主研發的“兆瓦級飛輪儲能系統”，因該系統運行時轉速不受空氣阻礙而呈現高速飛轉狀態，其轉速可達到3.6萬r/min，致使某廠每年至少能夠節約110萬kWh電能，進一步貼合省本要求。而且還從青島地鐵三號線1MW/15MJ節能儲能系統實際安裝過程中汲取經驗，安裝后為某廠同其他電力企業的競爭搶占了優勢。

1.1.3 抽水儲能技術

該技術通過低谷階段的電價完成對能量儲存，無需較高成本，但水資源容易蒸發，系統泵水時也會產生較高功率，所以系統能量轉換效率只能達到70%。抽水儲能系統用到的儲能介質是海水、地下水以及江河大壩等，過去系統須在上下游位置設蓄水池，而海水中也會在下游設蓄水池。但儲能期間會通過相應舉措避免裝置受海水腐蝕。并且抽水儲能技術在新能源電力系統中可進行調頻、調峰處理，并配合電力系統完成多項動態作業[4]。

某廠在應用抽水儲能技術期間，主要考慮此項技術下能夠獲得1.5左右的水頭變幅。為提高對新能源的利用率，專門新建混合式抽水蓄能電站，安裝了4臺可逆式水輪發電機組（35萬kW），并且基于690m的水庫落差有序分布機組，促使蓄能電站建設后，為某廠帶來了可靠的高效儲能和優質發電服務。

1.2 化學儲能技術

化學儲能技術通過對化學電池儲能系統的應用，憑借電池正負極間的氧化反應完成充電與放電，實現化學能與電能轉化儲存。系統可進行快速功率吞吐處理，常見的化學電池有多種，具體如下。

鈉硫儲能電池。這種電池正極為多硫化鈉與硫，負極是熔融金屬鈉，電解質與隔膜為Na-beta-氧化鋁。鈉硫儲能電池在儲能的能量密度上更高，充放電效率理想，運行費用較低，但電池需要在300℃的環境下運行，電池放電深度還有提升的空間；鋰電池。其能源轉化效率很高，能量密度較大，以鋰電池為主的化學儲能系統中包含儲能電池管理系統、充放電系統以及電池裝置，系統儲能效率可以超過85%，電池能量密度高，系統可經過串并聯的方式得到高容量與高壓，適宜被用在新能源電力系統運行中的應急供電和旋轉備用等方面；液流儲能電池。其輸出功率與電池組面積和儲能系統內單電池數量有關，為提高電池儲能容量，應提升電解液濃度與容積，電池放電時不需要加以保護，適合用在電能存儲與電力系統應急供電。

某廠曾在早期建設了移動式磷酸鐵鋰電池電化學儲能電站（10MW/20MWh），專供35kV新能源電力系統獲取儲能服務。其中，所用變壓器為10.5±2×2.5%/0.4kV，且搭配20臺干式變壓器。在儲能優化設計部分，應用4輛移動儲能車（0.25MW/0.5MWh），并具有1臺儲能變流器（25kW）。而且為確保某廠人員便捷化通往電站，還設有5m寬的道路，用于實現對相關設備的有效檢修。

1.3 相變儲能技術

與其他儲能技術相比，相變儲能技術步進系統組成簡單，且能量密度更大，常見的有冰蓄冷儲能、電儲熱與熔融鹽儲熱技術等。其中，冰蓄冷儲能技術憑借系統內蓄冷介質完成結冰與融冰，再存儲與釋放冷量，該技術可提升制冷機組運行效率，降低制冷設備在用電高峰階段的負荷。電儲熱技術以水和金屬資料為儲能介質，將金屬進行固態液態轉化，可對熱能加以存儲與釋放，從而實現高溫儲熱，發揮金屬導熱性能良好的優勢。熔融鹽儲熱技術就是對固態無機鹽加熱，使其達到熔融狀態。

為滿足某廠周邊電能用戶用電需求，專為周邊學校采取“光伏+箱變儲能”聯合儲能方式，配備光伏板（2500kW）和熱池（175臺）。同時以高溫熱池形式節能電能，基本上在1080萬kWh發電量基礎上可以節省4300t傳統標準煤，且二氧化碳排放量減少1.08萬t，驗證以此項技術進行優化改造，可以助力某廠達成節能目標。

2 某廠儲能技術在新能源電力系統中的應用分析

2.1 儲能技術在風能電力系統中應用

風力發電廠中加強對儲能裝置的應用，有利于提高系統功率，實現對系統有用功與無用功的調控。在系統調峰電能配置環節，儲能技術可以優化電網接納水平。電廠出口并網處母線位置安裝儲能系統，憑借系統放電與儲能功能，對風電系統進行功率控制，謹防電網受到風電場的供電波動干擾，系統內風機裝置會安裝蓄電池，以達到電能后備存儲的目的。風力發電場應具有削峰填谷的功能，利用儲能技術，要求儲能系統額定功率值達到風電系統的45%，為實現風機設備離網發電目標，系統應配置更大額定功率值動態儲能系統。

某廠在儲能技術合理應用階段，借鑒了烏蘭察布儲能項目與興和縣500MW+150MW/300MWh（儲能）風電項目，一定程度提高了新能源發電調節能力。

2.2 儲能技術在光伏電力系統中應用

一直以來，光伏發電都是新能源發電系統的主要發電方式，光伏發電是依靠太陽能的電池原理，形成電勢差，完成太陽能向電能的高效轉化，使電能成為直流電。在該環節應用儲能技術，其作用類似于風力發電場，當光伏發電系統中電池輸出功率產生波動時，此時儲能系統發揮作用，為光伏發電帶來瞬時功率，促進系統穩定發電。為促使某廠逐漸擴大多樣儲能技術的應用范圍，參照了阿拉善盟地區光伏電力系統儲能經驗。

2.3 儲能技術在光熱發電系統中應用

光熱發電與光伏發電不同，其區別在于光熱發現先對太陽能進行轉化，使其轉為熱能，隨后通過系統熱力循環完成熱能轉換。光熱發電系統最終會轉為交流電，將該發電系統和傳統發電模式充分結合，可以有效適應現階段電網運行模式，可以并網使用。光伏發電期間完成電能轉化后，系統內過剩電能會被儲存在系統蓄電池內，光伏發電站產生的能量并不是光能，而是熱能，所以儲存的能量形式和光伏發電并不一樣，發電時需要借助儲能設備完成對電能的高效儲存。主要有“塔式光熱發電”“蝶式光熱發電”“槽式光熱發電”幾種技術類型。通過熱能的儲存完成全天24h不間斷持續供電。

在某廠現有基礎上，預計通過搭建高溫熔鹽罐、中央集熱塔（四棱柱鋼結構）等裝置構建完整的儲熱系統，借此提高熱能與電能的轉換率，該系統運行后基本上可以達到2h左右的儲熱時長，其儲熱發電功率在150kW左右，此時更易為某廠后續對太陽能的熱能的有效利用給予保障。

3 結語

總而言之，某廠新能源電力系統運行期間儲能技術的應用，可以通過物理儲能技術、化學儲能技術、相變儲能技術、電磁儲能技術的應用，為其光伏發電與風力發電系統的優化給予依據，借此達成省本目標，為電能的節約創造有利條件，逐步提高某廠電力生產效益。