新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)研究綜述

叢 晶，宋 坤，魯海威，高曉峰，肖 白

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012;2.遼寧省電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧沈陽110015;3.吉林省電力有限公司，吉林長春130021)

0 引言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，整個社會對能源的依存度不斷提高，風(fēng)能、太陽能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?新能源)的開發(fā)和利用已經(jīng)引起電力部門的高度關(guān)注。雖然這些可再生能源廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電中，并占據(jù)著越來越大的比重，但是因其隨機性、間歇性等特點，使得這些可再生能源的利用受到了制約。采用儲能技術(shù)能夠使間歇性、波動性很強的可再生能源變得“可調(diào)、可控”，促進(jìn)新能源的利用，保證新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

從國家電網(wǎng)研究機構(gòu)獲悉，我國已經(jīng)在甘肅、江蘇沿海、吉林等風(fēng)能資源豐富地區(qū)建立10個千萬千瓦級風(fēng)電基地，所以本文以含風(fēng)電的電力系統(tǒng)為主要研究目標(biāo)。

本文分類闡述了目前各種儲能技術(shù)的基本原理，概述了不同儲能技術(shù)的優(yōu)、缺點，總結(jié)了其應(yīng)用范圍，指出了以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的作用

在新能源電力系統(tǒng)中，儲能技術(shù)的主要應(yīng)用包括電力調(diào)峰、抑制新能源電力系統(tǒng)中的傳輸功率的波動性、提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量。儲能裝置能夠適時吸收或釋放功率，低儲高發(fā)，有效減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)損耗、實現(xiàn)削峰填谷、獲取經(jīng)濟效益［1］。

以時間為線索來描述國內(nèi)外儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點，明確地顯示出儲能技術(shù)相關(guān)研究的基本發(fā)展過程，如圖1所示。

圖1 儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點Fig.1 Key nodes of energy storage technology development

大規(guī)模風(fēng)電場群的發(fā)展，一方面拓展了電力系統(tǒng)一次能源的結(jié)構(gòu);另一方面，增加了電網(wǎng)在穩(wěn)定方面的復(fù)雜性。由于風(fēng)力資源具有不可控性，為了保證含高比例風(fēng)電的區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)中需要配置一定容量的、具有靈活調(diào)節(jié)性能的儲能電源。儲能技術(shù)對風(fēng)電并網(wǎng)具有重要作用。首先，采用具有快速響應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)能力的儲能技術(shù)能有效提高新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其次，選擇具有快速響應(yīng)能力的儲能技術(shù)加上合理的配置策略，能吸收多余能量，保護(hù)風(fēng)電機組，從而增強風(fēng)電機組低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力。

最后，儲能技術(shù)能優(yōu)化新能源電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性。采用大容量的抽水儲能和壓縮空氣等儲能技術(shù)，通過實現(xiàn)風(fēng)電在時間軸上的平移，從而優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟性，獲取最大經(jīng)濟效益［2，3］。

2 各種儲能技術(shù)分析

根據(jù)儲能技術(shù)的特性，將儲能技術(shù)分為:能量密度高、儲能容量大的能量型儲能技術(shù):壓縮空氣儲能、抽水儲能、電池儲能等;功率密度高、響應(yīng)速度快、可頻繁充放電的功率型儲能技術(shù):飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等。

根據(jù)電能轉(zhuǎn)化存儲形態(tài)的差異，將儲能技術(shù)分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲能四類。

2.1 物理儲能

常用的物理儲能方式有抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能三種。

2.1.1 抽水儲能技術(shù)

抽水儲能技術(shù)［4-7］(Pumped Hydro Storage Technology)利用低谷電價來儲存能量，運行成本較低，由于水資源極易蒸發(fā)、泵水耗費功率高等因素，使能量轉(zhuǎn)換效率一般僅達(dá)到70%左右。

抽水儲能技術(shù)分傳統(tǒng)的江河大壩儲能和新型海水抽水儲能、地下水抽水儲能。傳統(tǒng)抽水儲能電站需配備上、下游兩個儲水池，新型海水抽水儲能系統(tǒng)的“下儲水池”是大海，節(jié)省建設(shè)費用，但需考慮抽水設(shè)備的耐腐蝕性和海洋生物附著等方面的特殊要求。

抽水儲能具有儲能容量大、運行靈活、出力變率快、運行費用低等優(yōu)點，但受水文和地質(zhì)條件的制約，儲能電站站址受限制。

抽水儲能在承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等方面發(fā)揮著極其重要的作用。利用抽水儲能電站爬坡速度快、抽水—靜止—發(fā)電三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換靈活的特點，可作為緊急事故備用、頻率調(diào)整、負(fù)荷跟蹤等旋轉(zhuǎn)備用容量。

抽水儲能電站效益通常只考慮削峰填谷所帶來的靜態(tài)效益。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，抽水儲能不再僅僅是儲能發(fā)電，在實際電力系統(tǒng)運行中，承擔(dān)多種動態(tài)任務(wù)，獲得動態(tài)、靜態(tài)相結(jié)合的綜合效益。文獻(xiàn)［7］基于系統(tǒng)調(diào)峰和旋轉(zhuǎn)備用的綜合要求，建立抽水儲能電站的容量規(guī)劃模型，分析抽水儲能電站在電力系統(tǒng)運行中的綜合效益。

2.1.2 壓縮空氣儲能技術(shù)

壓縮空氣儲能［8］(Compressed Air Energy Storage，CAES)工作時分為儲能和釋能兩個過程:儲能時，風(fēng)電機組輸出功率較大，富余風(fēng)電注入壓縮空氣儲能電站，通過電動機驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮并降溫后存儲到儲氣室，儲氣室包括報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井等;釋能時，風(fēng)電機組輸出功率不能滿足負(fù)荷需求，將高壓空氣升溫后，進(jìn)入燃燒室助燃，燃?xì)馀蛎涷?qū)動燃?xì)廨啓C，帶動發(fā)電機發(fā)電。

CAES的能源轉(zhuǎn)化率較高，在75%左右。德國一座裝機容量為29萬kW的壓縮空氣儲能電站的能源轉(zhuǎn)化效率高達(dá)77%，若再配備一些先進(jìn)技術(shù)，能源轉(zhuǎn)化效率有望提升到80%以上。

CAES的儲能容量大，燃料消耗少，成本較低，安全系數(shù)高，壽命長;但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。壓縮空氣儲能特別適用于解決大規(guī)模集中風(fēng)力發(fā)電的平滑輸出問題，文獻(xiàn)［8］驗證結(jié)果表明:壓縮空氣儲能電站能調(diào)節(jié)波動功率，使風(fēng)電注入電網(wǎng)的有功功率波動減小，從而達(dá)到平抑風(fēng)電場功率波動，提高CAES裝置應(yīng)用的可行性的目的。

2.1.3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能系統(tǒng)(Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS)由飛輪、電機、軸承支撐系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)組成［9］，可看作是一個能量“電池”，效率達(dá)到70%～80%。儲能時，F(xiàn)ESS電能驅(qū)動電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能以旋轉(zhuǎn)體動能形式存儲在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中;釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，輸出給外部負(fù)載使用［10］。

飛輪主要分為機械軸承的低速飛輪和磁懸浮軸承的高速飛輪兩種，低速飛輪主要應(yīng)用于系統(tǒng)穩(wěn)定控制;高速飛輪適合峰谷調(diào)節(jié)等儲能應(yīng)用。

運行中，為了降低飛輪軸承損耗，提高飛輪轉(zhuǎn)速和儲能效率，提出非接觸式磁懸浮軸承技術(shù)，將電機和飛輪都密封在真空容器內(nèi)，減少空氣阻力。高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)(HTS-FESS)利用高溫超導(dǎo)磁體軸承(SMB)無機械接觸、自穩(wěn)定等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高速無機械摩擦旋轉(zhuǎn)，從而有效降低飛輪軸承損耗［11］。

FESS具有能量密度大、瞬時功率大、無充放電循環(huán)次數(shù)限制、充放電迅速、清潔高效等優(yōu)點，但一次性購置成本較高。

2.2 化學(xué)儲能

化學(xué)儲能的主要方式是電池儲能系統(tǒng)［12-18］(Battery Energy Storage System，BESS)，通過電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)充放電，實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化［12］。BESS 具有快速功率吞吐能力［13，14］，是目前最成熟可靠的儲能技術(shù)。

電池種類繁多，應(yīng)用于儲能的主要有鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和金屬空氣電池。經(jīng)過對各種儲能技術(shù)的能源轉(zhuǎn)化效率、儲能容量、技術(shù)成熟度、實施成本、風(fēng)險分析等多方面分析，初步認(rèn)可電池儲能在新能源電力系統(tǒng)中的儲能方面具有優(yōu)勢，且性能方面鋰電池優(yōu)于鈉硫電池、液流電池和鉛酸電池。

2.2.1 鋰電池

鋰離子電池是一種高能源效率、高能量密度的儲能電池。鋰電池儲能系統(tǒng)主要由單體電池、充放電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等組成，綜合效率約為85%。

鋰電池儲能具有能量密度高、充放電效率高、安全性高等優(yōu)點，可以串聯(lián)或并聯(lián)來獲得高電壓或高容量，但成本也相對較高。

目前鋰電池儲能電站額定容量較小，對于配合新能源應(yīng)用或提供應(yīng)急電源、旋轉(zhuǎn)備用等對儲能功率要求較高的應(yīng)用很有效［15］。

2.2.2 鈉硫電池

鈉硫電池［16］是以Na-beta－氧化鋁為電解質(zhì)和隔膜，以熔融金屬鈉為負(fù)極，硫和多硫化鈉為正極的儲能電池，其工作效率約為70%。

鈉硫電池能量密度是鉛酸電池的3倍，空間需求僅是其1/3。鈉硫電池具有能量密度高、充放電效率高、運行成本低、空間需求小、維護(hù)方便等優(yōu)點;但放電深度和循環(huán)壽命有待提高，運行時需要維持300℃左右的高溫。

2.2.3 液流電池

液流電池又稱氧化還原液流電池，是將正負(fù)電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能電池。輸出功率取決于電池組的面積和單電池的節(jié)數(shù)，增大電解液容積和濃度，即可增大儲電容量。

液流電池配置靈活，能實現(xiàn)規(guī)?；瘍δ堋⑸疃确烹姾痛箅娏鞣烹娗覠o需保護(hù)，適用于新能源發(fā)電的儲能系統(tǒng)、應(yīng)急電源和不間斷電源系統(tǒng)。

液流電池儲能系統(tǒng)具有高功率輸出、快響應(yīng)、能量轉(zhuǎn)換率高、易于維護(hù)、安全穩(wěn)定等優(yōu)點［17］，是大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電儲能和調(diào)節(jié)的首選技術(shù)之一，但是材料受限和成本昂貴是液流電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2.4 鉛酸電池

鉛酸電池采用稀硫酸做電解液，二氧化鉛和絨狀鉛作為電池正、負(fù)極的一種酸性蓄電池，具有儲能容量大、技術(shù)成熟、成本低、維護(hù)簡單等優(yōu)點，但比能低、自放電率高、循環(huán)壽命較短、重金屬污染且深度放電對電池?fù)p傷極大。

2.2.5 金屬空氣電池

金屬空氣電池是綠色電池，以氧氣為正極，金屬鋁、鋅、鐵、鎂等活潑金屬為負(fù)極，KOH、NaOH、NaCl及海水為電解液，氧氣擴散到化學(xué)反應(yīng)界面與金屬反應(yīng)而產(chǎn)生電能。

金屬空氣電池比能高，其中鋁空氣電池的比能約為鉛酸電池的8～10倍。它的制造成本低、綠色環(huán)保、原材料可回收利用、性能優(yōu)越。而且金屬空氣電池?zé)o需充電設(shè)備，能在幾分鐘內(nèi)更換金屬燃料，快速完成充電過程。

目前，鋅空氣電池最接近產(chǎn)業(yè)化;鋁空氣電池可以獲得較高的電池電壓。文獻(xiàn)［18］綜述了鋁空氣電池的關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀，鋁空氣電池含有較高比能量，但充放電速度緩慢，常用作備用電源;陽極過腐蝕、氧電極極化和電池不穩(wěn)定等因素制約其商業(yè)化應(yīng)用。

2.3 電磁儲能

電磁儲能是一種將電能轉(zhuǎn)化成電磁能儲存在電磁場的儲能技術(shù)。主要有超導(dǎo)磁儲能和超級電容器儲能兩種儲能方式。

2.3.1 超導(dǎo)磁儲能技術(shù)

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(Superconductive Magnetic Energy Storage，SMES)［19-21］工作時把能量儲存在流過超導(dǎo)線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場中，效率高達(dá)80% ～95%。

SMES具有高效率、快響應(yīng)、無污染等優(yōu)點，由于在超導(dǎo)狀態(tài)下線圈不計電阻，能耗很小，可以長期無損耗地儲能。但超導(dǎo)線圈需要置于極低溫液體中，成本太高，增加系統(tǒng)復(fù)雜性。SMES能實現(xiàn)新能源電力系統(tǒng)對電壓、頻率的控制，提高風(fēng)力發(fā)電機的輸出穩(wěn)定性;同時可實時交換大容量電能并實現(xiàn)功率補償，有效提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及暫態(tài)穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)［19］設(shè)計一套控制策略用于研究SMES能否增強風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性和平滑風(fēng)電場有功輸出。仿真結(jié)果顯示，SMES能夠有效降低系統(tǒng)中的功率和電壓波動，平滑有功輸出，增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［20］經(jīng)過分析證實把電壓偏差作為SMES有功控制信號能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，平滑功率輸出。文獻(xiàn)［21］利用SMES對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行控制，從根本上改善了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3.2 超級電容器儲能技術(shù)

超級電容器［22-28］依據(jù)雙電層原理直接存儲電能，是一種介于常規(guī)電容器和電池之間的儲能裝置［22］，充放電過程具有良好的可逆性，可以反復(fù)儲能數(shù)十萬次，超級電容儲能的效率達(dá)到70% ～80%。

超級電容器在承襲常規(guī)電容器優(yōu)點的基礎(chǔ)上，又具備溫度范圍寬、安全穩(wěn)定等特點，適合短時充放電［23］。超級電容器可向新能源電力系統(tǒng)提供備用能量、改善電網(wǎng)動態(tài)電壓變化、提供電動汽車瞬時高功率［24］。

由于超級電容器響應(yīng)快、循環(huán)壽命長;電池能量密度高、循環(huán)壽命低，將二者結(jié)合形成的儲能系統(tǒng)能發(fā)揮各自優(yōu)點的同時互補不足。文獻(xiàn)［25］在滿足儲能需求的前提下，通過超級電容器提高電池充放電效率，減少循環(huán)次數(shù)，延長電池壽命。文獻(xiàn)［26］在合理設(shè)計雙層控制模型和充放電控制器的輔助下，提出的蓄電池和超級電容器混合儲能系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場抑制風(fēng)電功率波動。文獻(xiàn)［27］超級電容器和蓄電池混合儲能系統(tǒng)中儲能元件根據(jù)各自特性平抑不同類型的風(fēng)電波動功率，使得風(fēng)電輸出功率在平抑后能夠符合電力系統(tǒng)實時調(diào)度的要求。

文獻(xiàn)［28］在基于異步發(fā)電機的電力系統(tǒng)中應(yīng)用串、并聯(lián)混合的超級電容器儲能系統(tǒng)，可同時雙向、大范圍、快速調(diào)節(jié)有功和無功功率，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.4 相變儲能

相變儲能［29-32］是利用相變材料吸、放熱量從而存儲和釋放能量的儲能技術(shù)，不僅能量密度高，且所用裝置簡單、設(shè)計靈活、使用方便且易于管理。主要分為電儲熱、熔融鹽儲熱及冰蓄冷技術(shù)。

電儲熱技術(shù)［29］的方式是水儲熱和金屬儲熱。水儲熱技術(shù)是以水為介質(zhì)存儲熱能，具有維修方便、投資少等優(yōu)點。高溫金屬儲熱技術(shù)是以金屬為儲熱介質(zhì)，通過金屬固液變換實現(xiàn)熱能的存儲和釋放，具有儲熱溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點［30］。

熔融鹽儲熱技術(shù)的基本原理是先將固態(tài)無機鹽加熱到熔融狀態(tài)，再利用熱循環(huán)實現(xiàn)傳熱儲熱。熔融鹽具有腐蝕性低、使用溫度范圍廣、傳熱性能高、價格低廉等優(yōu)點，但導(dǎo)熱系數(shù)較低直接導(dǎo)致其儲熱利用率低［31］。

冰蓄冷技術(shù)的基本原理通過蓄冷介質(zhì)結(jié)冰融冰實現(xiàn)冷量的存儲和釋放。冰蓄冷技術(shù)能夠減少制冷機組容量，提高制冷機組效率，滿足空調(diào)等制冷設(shè)備的高峰負(fù)荷［32］。

3 結(jié)論

本文綜述了目前已有的多種儲能技術(shù)與原理，以及國內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況，總結(jié)了各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點及其應(yīng)用范圍。文中所述各種儲能技術(shù)的特性比較見表1。

表1 儲能技術(shù)特性比較Tab.1 Contrast of energy storage technology’s characteristics

續(xù)表1

在新能源電力系統(tǒng)中，要求儲能技術(shù)要同時具有大容量儲能能力和快響應(yīng)能力，從當(dāng)前儲能技術(shù)發(fā)展情況來看，一種儲能技術(shù)很難同時滿足這兩種需求，需要同時采用多種儲能技術(shù)，配置多元的儲能電源，彼此間協(xié)調(diào)控制、綜合規(guī)劃，最大限度發(fā)揮儲能電源的效用。因此，如何合理地建立各種儲能電源的運行模型，如何優(yōu)化地整合利用現(xiàn)有各種儲能技術(shù)及提出更為先進(jìn)的儲能新方法，使含高比例風(fēng)電的電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地運行，是有待深入研究的課題。

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