電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)及其應(yīng)用前景

［關(guān)鍵詞］電力系統(tǒng)；儲能技術(shù)；應(yīng)用前景

［中圖分類號］TM73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0086–03

傳統(tǒng)的供電模式是以供需平衡為基礎(chǔ)的供電，這種方式可以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但對煤炭等不可再生資源的依賴相對較高，不僅造成環(huán)境污染問題，而且也不利于國家的可持續(xù)發(fā)展。新能源的發(fā)展可解決以上問題，但其大規(guī)模接入會打破傳統(tǒng)供電的平衡，并會導(dǎo)致較大的諧波，進而影響電力系統(tǒng)正常運行，影響供電質(zhì)量。儲能技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決新能源并網(wǎng)的問題，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，也為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展助力。

1儲能技術(shù)概述

儲能技術(shù)是將電能暫時儲存起來，并在需要時釋放出來，供使用的一種新技術(shù)。其本質(zhì)是通過對電能進行處理，進而實現(xiàn)電能在時間段與空間點方面的轉(zhuǎn)移，從而提高電能供給的質(zhì)量，更好地匹配能源供給與需求的時間差。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，幾乎無需使用該技術(shù)，所以該技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用，主要為了更好應(yīng)對新能源的使用問題。

2電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)種類

2.1機械儲能

2.1.1壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能的核心是將電能轉(zhuǎn)化成空氣的壓力，進而實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化與儲存。在電網(wǎng)負荷低谷期，通過壓縮空氣儲能可以實現(xiàn)對空氣的高壓儲存，而在用電高峰期，則可以釋放電能，使其通過推動渦輪機或發(fā)動機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電能的快速轉(zhuǎn)化。壓縮空氣儲能工作原理如圖1所示。壓縮空氣儲能裝置的種類如圖2所示。壓縮空氣儲能技術(shù)具有儲能規(guī)模靈活、運行周期長、無污染等特點，與當(dāng)下我國“雙碳”的發(fā)展理念相契合，但該技術(shù)的儲能效率相對較低，其轉(zhuǎn)化率也存在不足，在儲能中會導(dǎo)致大量的能量損失。

2.1.2抽水儲能

抽水儲能是將電能轉(zhuǎn)化成水的勢能，進而實現(xiàn)對電能的儲存與利用。相較于壓縮空氣儲能來說，該模式的能量轉(zhuǎn)化率更高，在70%～85%。在具體使用的過程中，需要在上下游都設(shè)計相應(yīng)的水庫，在出現(xiàn)電力負荷低谷的過程中，可以快速將水資源抽送到上游，而在用電峰值時，將上游水庫中的水釋放到下游。近些年來，我國在抽水儲能方面的投入不斷增加。該技術(shù)具有儲能量大、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢，但其也存在前期投入量大、選址困難等問題。所以近些年來，我國加大了在水利工程施工方面的建設(shè)力度，水利工程的建設(shè)與抽水儲能的設(shè)施更為契合，降低建設(shè)成本的同時，也實現(xiàn)了對電能的高效利用，使得該儲能技術(shù)在使用中具有獨特優(yōu)勢。

2.1.3飛輪儲能

飛輪儲能是將電能轉(zhuǎn)化成輪子旋轉(zhuǎn)的動能，將其儲存到系統(tǒng)中。在儲存能力中，飛輪的轉(zhuǎn)速加快，而在釋放能量后，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度減慢。飛輪儲能實現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新，其是創(chuàng)造一個真空的環(huán)境，然后通過磁力懸浮的方式，讓輪子在真空罩內(nèi)快速轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動速度可高達50000r/min，以此實現(xiàn)電能的儲存。相較于其他儲存模式來說，該儲存的能量儲存速度非常快，甚至可以在幾分鐘之內(nèi)達到所需要的速度。而且，結(jié)合飛輪儲能技術(shù)的特點可知，其瞬時性的特點應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以實現(xiàn)瞬態(tài)功率平衡的目的，所以其更適用于高速、瞬間儲能的場景，而且該技術(shù)的電能消耗也相對較少，可以實現(xiàn)80%以上的電能轉(zhuǎn)化。其能量儲存的密度，可以通過轉(zhuǎn)子的幾何形狀及材料屬性等進行計算出來。對于單一材料，各向同性轉(zhuǎn)子這種關(guān)系可表示為：

式中，E為轉(zhuǎn)子動能，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，σ為材料的拉伸強度，K為轉(zhuǎn)子的幾何形狀系數(shù)，ρ為材料的密度。

通過式中的方式進行計算，即可算出飛輪儲能的上限。

2.2電化學(xué)儲

能電化學(xué)儲能是指通過化學(xué)反應(yīng)的方式來進行能量的儲存，簡單來說，就是通過電池的方式，進行能量的儲存。常見的電化學(xué)儲能包括鋰離子電池、鉛酸電池及燃料電池等。文章以鋰離子電池為例。鋰離子儲能是電化學(xué)儲能的重要組成部分，其主要是通過鋰離子在正負電機中來回移動的方式，來實現(xiàn)充放電反應(yīng)。該技術(shù)具有使用壽命長、儲存能力高等優(yōu)勢，在汽車、手機等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在新能源快速發(fā)展的當(dāng)下，科學(xué)家也提出了眾多電能儲存的方式，其中雙向互動模式下有序充電也是其所提出的重要設(shè)想。由于新能源汽車都是蓄電池，而該模式就是借助新能源汽車的作用，在電網(wǎng)有多余的電量時，可以通過車輛進行儲存，而在電網(wǎng)壓力重時，可以讓車輛放電以供人們用電，進而減輕電網(wǎng)的負擔(dān)。但該模式忽略了電池的損耗，所以在電瓶具有更高效能之前，該模式的應(yīng)用存疑。

2.3電磁儲能

電磁儲能的核心是將電能轉(zhuǎn)化成電磁。常見的電磁儲能包括超導(dǎo)磁體儲能與超級電容儲能。

2.3.1超導(dǎo)磁體儲能

超導(dǎo)磁體儲能是以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)，通過與電網(wǎng)相連接，通過變流器供電勵磁，在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，進而實現(xiàn)能量儲存。1911年，荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在溫度4.2K以下，其電阻為零，而且許多材料在特定的溫度下，都會失去其原有的特性，該發(fā)現(xiàn)也成為超導(dǎo)磁體儲能的核心。在特定材料的作用下，超導(dǎo)磁體儲能可以實現(xiàn)高達90%的轉(zhuǎn)化率。超導(dǎo)磁體儲能主要是由低溫容器、制冷裝置、變流裝置等部件組成。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)控制及功率線路布局如圖3所示。該技術(shù)具有響應(yīng)速度快、無污染等優(yōu)勢，而且在實際使用的過程中，具有穩(wěn)定的輸出效果，所以將該儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以有效提高電力系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

2.3.2超級電容儲能

超級電容儲能是以多孔材料為電極，通過正負電荷層的方式，形成充電、放電的高靜電電容器。相較于傳統(tǒng)的電容器來說，該電容器不僅具有更強的耐壓能力，而且還具有較強的儲存能力，進而實現(xiàn)電力快速釋放的效果。而且相較于傳統(tǒng)的儲能技術(shù)來說，該技術(shù)還具有較強的性能優(yōu)勢，可以重復(fù)實現(xiàn)重放10萬次以上，安全、耐用，是一種高性能的超級電容器。相較于傳統(tǒng)的蓄電池來說，該模式具有功率密度大、放電效率高等優(yōu)勢，更重要的是其對維護的要求更低，而且可靠性也非常高，在微電網(wǎng)及電動汽車等領(lǐng)域中，具有較號的發(fā)展前景。

3儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1微電網(wǎng)

微電網(wǎng)是一個小型的發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)自我維護、管理等，而且還可以與電網(wǎng)并網(wǎng)。在部分供電能力不足的區(qū)域，通過微電網(wǎng)的獨立供電，可以保障供電的穩(wěn)定性與安全性。相較于電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)可以對分布式電源進行就地消化與利用，有效避免了新能源等并網(wǎng)后所產(chǎn)生的問題，是保障電力系統(tǒng)安全、可靠的重要技術(shù)。而通過將其接入供給側(cè)，還可以實現(xiàn)供給側(cè)的管理，為實現(xiàn)資源價值的最大化助力。

3.2可再生能源電站

儲能技術(shù)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)新能源發(fā)電的問題，而且其實現(xiàn)了能源時間與空間點的轉(zhuǎn)移，這也為可再生能源電站的建立提供了保障。在供電的過程中，可以結(jié)合用戶的實際需求，實現(xiàn)跟蹤計劃調(diào)度，提高電網(wǎng)可控性的同時，還可以提高并網(wǎng)的友好性。

4結(jié)束語

儲能技術(shù)的應(yīng)用不僅讓新能源并網(wǎng)成為可能，而且還實現(xiàn)了資源的合理利用，對于推動我國電力系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的作用，符合當(dāng)下居民對電網(wǎng)高服務(wù)質(zhì)量的需求。但當(dāng)下許多儲能技術(shù)仍存在一些問題，仍需要加大對儲能技術(shù)的研究，并不斷探索應(yīng)用的新方向，進而為推動社會經(jīng)濟的良好發(fā)展助力。