新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)探討

李桂紅

[摘 要]在經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展進(jìn)程中，能源消耗量越來越多，為維護(hù)生態(tài)平衡，保護(hù)不可再生能源，各國展開了對風(fēng)能、地?zé)崮堋⑻柲艿瓤稍偕茉吹拈_發(fā)運(yùn)用。目前，這些新能源在我國電力事業(yè)中已經(jīng)得到了一定的運(yùn)用，占據(jù)比重也在逐年提升。但是由于這些新能源具有隨機(jī)性等特征，在運(yùn)用上受到一定的限制，因而還需要采用儲能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源的可調(diào)控，以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文就新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)進(jìn)行了研究探討。

[關(guān)鍵詞]新能源；電力系統(tǒng)；儲能技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號：TK02；TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）17-0308-02

1 導(dǎo)言

儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，在比較長的時間內(nèi)處于示范階段，并且國內(nèi)對于儲能技術(shù)的研究缺乏一定的調(diào)研與評估。促進(jìn)儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，還需要結(jié)合社會需求和電力系統(tǒng)自身的屬性，探索出在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效途徑。儲能技術(shù)是能源應(yīng)用中的新內(nèi)容，在未來能源領(lǐng)域中的發(fā)展前景比較良好。因此，對于電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)進(jìn)行研究，具有較為積極的社會意義。

2 儲能技術(shù)

2.1 類別

按照能量的差別，我們可以把儲能技術(shù)大致劃分為下面幾種類型：①基礎(chǔ)燃料能量的存儲，比如石油，煤和天然氣；②中級燃料能量的存儲，比如煤氣，氫氣，太陽能燃料；③對后續(xù)消費(fèi)能量的儲存和電能的存儲，比如相變儲能。筆者主要對電能儲存技術(shù)進(jìn)行分析和探討。根據(jù)能量的形式，可以把電能存儲氛圍化學(xué)和物理兩部分，其中物理儲能又能分成電磁場儲能和機(jī)械儲能。

2.2 機(jī)械儲能

2.2.1 抽水蓄能

抽水蓄能的發(fā)電站一般情況下由上下水庫，發(fā)電系統(tǒng)和輸水系統(tǒng)構(gòu)成，并且下水庫和上水庫之間是有落差的。當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷時，可以把下水庫中的水抽入上水庫，通過水力勢能的方式存儲能量；當(dāng)負(fù)荷屬于高峰階段，再把上水庫中的水引入下水庫用于發(fā)電，把水力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這項技術(shù)發(fā)展穩(wěn)定，相對成熟，壽命在30～40年之間，它的儲能容量，規(guī)模還有功率非常大，除了書庫的庫容外，不受其他條件的限制，一般處于100～2000MW范圍內(nèi)。同時，抽水蓄能也存在缺陷，它受制于外在地理條件，建造水庫的地質(zhì)必須符合相關(guān)要求。它的關(guān)鍵技術(shù)具體有工程地質(zhì)技術(shù)，選擇抽水蓄能電站的主要參數(shù)的技術(shù)，抽水蓄能機(jī)組技術(shù)。

2.2.2 壓縮空氣儲能

在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種新的能量儲存系統(tǒng)，即壓縮空氣儲能系統(tǒng)。它的主要工作原理是：電力系統(tǒng)用電出現(xiàn)低谷時，通過富余的電量發(fā)動空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣把能量儲存起來；電力系統(tǒng)處于用電高峰時，釋放出高壓空氣，給發(fā)電機(jī)正常工作提供能量支持。相關(guān)科研人員對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的調(diào)研從未停止過，導(dǎo)致壓縮空氣儲能系統(tǒng)的形式非常豐富多樣，根據(jù)應(yīng)用規(guī)模和熱源的差異，把它劃分成下面幾種：①傳統(tǒng)的利用地下洞穴和天然氣進(jìn)行儲能的電站，一臺機(jī)組的規(guī)模大于100MW；②新型壓縮空氣進(jìn)行能力儲存的系統(tǒng)，告別了地下洞穴和天然氣的使用，可以把一臺機(jī)組的規(guī)?？刂圃?0MW以下。按照儲能系統(tǒng)和其他熱力系統(tǒng)是否可以耦合，又可以把它分成燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)。具體而言，當(dāng)前的空氣壓縮儲能技術(shù)相對成熟，效率也比較高，可以達(dá)到70%，可以還是受到化石燃料和地理條件的制約。

2.2.3 飛輪儲能

通過旋轉(zhuǎn)體即飛輪的運(yùn)動的方式進(jìn)行能量存儲是飛輪儲能的主要工作原理。存儲階段，在電動機(jī)的作用下，可以增加飛輪旋轉(zhuǎn)的速度，把電能變成動能；釋放能量的過程中，飛輪的轉(zhuǎn)動速度會降低，電動機(jī)發(fā)揮發(fā)電機(jī)的作用，把動能變成電能。這種儲能方式，轉(zhuǎn)換能量的效率比較高，也不會對環(huán)境造成破壞，環(huán)保能力好，功率密度高，使用壽命長，但是它的自放電率相對高一些，而且存儲能量的密度比較低。

2.3 化學(xué)儲能

化學(xué)儲能主要利用化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能量的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)行能量存儲。電池作為轉(zhuǎn)換能量的主要載體，種類豐富多樣，它的電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部組成材料存在差異，但是卻有著基本相同的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)，全是正負(fù)極，電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成的。正極是電池內(nèi)部高電勢的一端，負(fù)極是電勢低的一端。進(jìn)行充電時，正極內(nèi)的活性材料被氧化，失去電子，陽離子在電場和電解質(zhì)的作用下來到負(fù)極，流失的電子順著外電路的方向向負(fù)極移動，最終和負(fù)極內(nèi)的活性材料相融合，產(chǎn)生還原反應(yīng)。充電過程和放電過程是相反的。

化學(xué)儲能方式可以根據(jù)應(yīng)用需求的不同靈活的配置能量和功率，擺脫了地理條件的制約，反應(yīng)能力好，可以批量化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用。但是他也存在短板，比如電池的成本高，壽命短，都是需要日后進(jìn)行改進(jìn)完善的地方。

3 新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)的合理運(yùn)用

3.1 風(fēng)能電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的合理運(yùn)用

系統(tǒng)瞬時功率平衡水平對于新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，儲能技術(shù)的運(yùn)用，能夠充分滿足有功功率及無功功率需求，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)這一水平的優(yōu)化，以保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

例如風(fēng)能電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定性問題，可以采用超導(dǎo)儲能技術(shù)（supe rconductingmagneticenergystorage，SMES）。這一技術(shù)的運(yùn)用能夠針對系統(tǒng)中的風(fēng)速擾動及聯(lián)絡(luò)線短路問題進(jìn)行解決。據(jù)仿真表明，運(yùn)用超導(dǎo)儲能技術(shù)后，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障后，依然能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場的穩(wěn)定，在風(fēng)速擾動的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場平滑輸出。該技術(shù)主要運(yùn)用在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過對SMES模型等的構(gòu)建，以及對最優(yōu)反饋矩陣的計算，能夠發(fā)現(xiàn)，在儲能技術(shù)運(yùn)用下，輸出電壓的穩(wěn)定性得到了巨大的改善。

再例如風(fēng)能電力系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定性問題，也可以通過儲能技術(shù)進(jìn)行解決。這一問題的解決，主要集中在平滑風(fēng)電輸出功率方面。據(jù)仿真證明，飛輪儲能系統(tǒng)在這一部分運(yùn)用中能夠發(fā)揮巨大的作用，可以通過其充放電操作，實(shí)現(xiàn)這一問題的有效解決。同時，SMES裝置的運(yùn)用，也能夠按照系統(tǒng)負(fù)荷變動對處理進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以維護(hù)風(fēng)能電力系統(tǒng)中頻率的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用不足情況。

風(fēng)電出力缺乏可控性是影響風(fēng)能電力系統(tǒng)穩(wěn)定的根本原因，儲能技術(shù)的運(yùn)用，具有平滑風(fēng)電出力的功能，能夠提升風(fēng)能的可調(diào)度性。在平抑風(fēng)電出力波動中，可以運(yùn)用串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)的電路拓?fù)?，具仿真表明，串并?lián)補(bǔ)償能夠有效平滑風(fēng)電出力，抑制電壓暫降，對風(fēng)能的不確定性進(jìn)行改善，從而增強(qiáng)風(fēng)電場的穩(wěn)定性。同時，也可以在基于全功率變頻器的永磁同步風(fēng)電機(jī)組的直流母線上并聯(lián)飛輪儲能裝置。通過這一技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)模糊控制，能夠達(dá)到穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組輸出功率的目的。

3.2 光伏并網(wǎng)中儲能技術(shù)的合理運(yùn)用

在光伏并網(wǎng)中，主要存在的問題也是系統(tǒng)瞬時功率的平衡水平問題，通過儲能技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)@一問題進(jìn)行有效解決。在儲能技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用中，可以通過無源式并聯(lián)儲能方案的應(yīng)用，在光伏系統(tǒng)負(fù)載功率等脈動形勢下，平滑蓄電池充放電電流。這一方法主要適用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)。同時，在這一系統(tǒng)中，也可以運(yùn)用混合儲能系統(tǒng)，對系統(tǒng)瞬時功率進(jìn)行平衡。在具體操作中，需要將功率密度較高的超級電容、能量密度較大的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行組合，并對控制結(jié)構(gòu)及方式進(jìn)行合理設(shè)置，以便其效用得以充分發(fā)揮。據(jù)仿真證明，這種混合儲能系統(tǒng)的運(yùn)用，在維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性中，能夠起到十分明顯的作用。

超級電容器蓄電池混合儲能在新能源電力系統(tǒng)中具有巨大的開發(fā)潛力，是未來儲能技術(shù)研究的重要趨勢。但是就目前情況來講，針對這一方面的研究和運(yùn)用還相對較少，因而還需要相關(guān)人員加強(qiáng)對這一方面研究的重視，促進(jìn)整體儲能技術(shù)的快速發(fā)展。

4 儲能技術(shù)的發(fā)展

4.1 飛輪儲能

在儲能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，飛輪儲能是一種較為常見的儲能形式，主要動過電動機(jī)的電力資源供給，使飛輪保持在快速轉(zhuǎn)動的過程中，并且將電力資源通過有效的轉(zhuǎn)化進(jìn)行儲存，以此保證電能資源所轉(zhuǎn)化成的動能可以有效的應(yīng)用于其它能耗領(lǐng)域。飛輪儲能系統(tǒng)的應(yīng)用還必須使用圓柱體物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電性能的維護(hù)，使飛輪可以在旋轉(zhuǎn)的過程中更加有效的按照軸承技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行能量的有效儲存，并且保證飛輪所儲存的能量可以有效的應(yīng)用于后續(xù)的維護(hù)工作領(lǐng)域。在進(jìn)行飛輪設(shè)備后續(xù)技術(shù)性處理的過程中，飛輪所儲存的能量更加便于直接應(yīng)用于能耗領(lǐng)域，并且有效的降低飛輪設(shè)備的使用壽命。在進(jìn)行飛輪設(shè)備符合性因素研究的過程中，飛輪可以將功率密度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，并且使飛輪的能量密度保持在較低的水平，使后續(xù)的飛輪儲能工作可以通過儲能時間的調(diào)整實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的合理控制，保證全部的儲能工作可以有效的結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)的吸引力特點(diǎn)加以技術(shù)設(shè)計，并且保證電壓資源處在較為穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 電磁儲能

在儲能系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，很多超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲能工作當(dāng)中。選取電阻較低的導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行溫度層面的技術(shù)性處理，使電阻能夠大幅度降低并最終接近于零。在電磁儲能技術(shù)設(shè)計和實(shí)施過程中，電感因素是較為重要的組成部分。因此，在電力系統(tǒng)的電流已經(jīng)完全納入電磁儲能系統(tǒng)之后。電流系統(tǒng)的周邊會產(chǎn)生較大的磁場，并最終造成電能可以通過形式的轉(zhuǎn)變更好的實(shí)現(xiàn)儲存。在超導(dǎo)儲能技術(shù)的實(shí)施過程中，線圈的材質(zhì)比較容易受到影響。因此，在進(jìn)行線圈材料設(shè)計的過程中，超導(dǎo)體導(dǎo)電物質(zhì)的應(yīng)用很有可能在儲能技術(shù)的變化過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)化。因此，電磁儲能技術(shù)目前在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具備較強(qiáng)的轉(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢，并且能夠保證適應(yīng)后續(xù)的控制工作的要求。

根據(jù)VLPGO的結(jié)論可以看出，中日美西班牙等國，都主張把太陽能和風(fēng)能等清潔能源作為長期使用的化石燃料。不同的國家針對自身的電力系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了不同的目標(biāo)和政策，并推廣落實(shí)。未來新能源將被大規(guī)模的開發(fā)，電網(wǎng)事業(yè)也會飛速發(fā)展，國家都認(rèn)為儲能技術(shù)定義為可以對市場需求進(jìn)行快速反應(yīng)和服務(wù)的產(chǎn)品，并且大力應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，受到電網(wǎng)公司的歡迎和認(rèn)可。儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，不管是今天還是未來，都具有不可取代的作用，它可以削峰填谷，接入大量的可再生資源，減少電網(wǎng)建設(shè)的投資成本，也可以給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供保障，也可以給市場帶來新的發(fā)展機(jī)遇和經(jīng)濟(jì)效益。未來全球的儲能市值將會出現(xiàn)前所未有的提升。雖然在電力系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)的前景是樂觀和廣闊的，但是也存在諸如，政策扶持力度差，沒有明確的商業(yè)模式，成本高，缺乏系統(tǒng)的電價機(jī)制等問題，需要不斷的努力，進(jìn)行改善。

結(jié)束語

綜上所述，儲能技術(shù)在未來，必然會成為轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，變革電力生產(chǎn)和消費(fèi)方式的支撐性技術(shù)，環(huán)節(jié)可再生能源在發(fā)電過程中出現(xiàn)的隨機(jī)波動和間歇性問題。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)，一方面，可以有效提高傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行效率和利用率；另一方面，它能夠更好地解決電網(wǎng)中的如法故障，有效提升電能的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高效，穩(wěn)定和安全的運(yùn)行，使其能夠滿足社會發(fā)展的要求。因此相關(guān)科研人員需要充分重視儲能技術(shù)的作用，從本國實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行解決，給其未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳靜江.電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用[J].電子測試，2016，（24）：144+59.

[2] 厲一梅，李景文，程艷，于凱.新能源電力系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)及需求側(cè)關(guān)鍵技術(shù)問題研究綜述[J].電器與能效管理技術(shù)，2016，（18）：1-8.

[3] 張麗霞.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景解析[J].江西建材，2016，（15）：204+210.

[4] 司文偉.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016，（07）：127-128.

[5] 馬建新.新能源電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型與集成技術(shù)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，（10）：188.

[6] 肖杰.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2016，（13）：15.

[7] 鄭漳華.儲能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用發(fā)展[J].國家電網(wǎng)，2016，（05）：100-101.