多重應用場景下的新能源電力系統(tǒng)儲能技術

楊海森

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)以電化學儲能為主，儲能類型較為單一。隨著儲能技術的發(fā)展，可實現(xiàn)多類型儲能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)。

目前，新能源大規(guī)?？稍偕茉唇尤氲碾娏ο到y(tǒng)，在儲能技術的應用上通常采用單一的技術路線，沒有考慮多重應用場景，在儲能的選取過程中往往只能滿足高充放電功率或大存儲容量兩種需求中的其中一種。采用單一技術路線的儲能系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足新能源電力系統(tǒng)儲能需求。為此，文章提出多重應用場景下的新能源電力系統(tǒng)儲能技術，兼顧多種儲能技術之間的優(yōu)勢，以更好地適應未來多類型儲能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)的趨勢。

1 儲能技術的需求背景

1.1 “碳達峰、碳中和”目標下的電力能源結構變革

“碳達峰、碳中和”目標催生了我國電力能源結構的新一輪變革。為了實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，現(xiàn)有的以化石能源為主的電力能源結構體系將面臨風電、光伏、潮汐能、地熱能等多種新能源的加速替代。新能源具有隨機性和波動性，這與電力系統(tǒng)供需實時平衡的固有屬性之間形成了天然的矛盾，這使得以新能源為主要裝機類型的未來電力系統(tǒng)將無可避免地面臨空前的系統(tǒng)穩(wěn)定運行挑戰(zhàn)。為此，儲能作為一種電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活資源，成為應對大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性問題，進一步提高電力系統(tǒng)對新能源消納能力的重要手段。

1.2 電力系統(tǒng)容量資源的進一步限制

隨著電力負荷的不斷增長，電力系統(tǒng)在輸電、變電、配電各個環(huán)節(jié)面臨負荷增長帶來的巨大擴容需求。與此同時，土地資源限制、征地難度的加大、生態(tài)環(huán)保要求的提高，與傳統(tǒng)的依賴新建線路、變電站、配電系統(tǒng)的擴容方式之間的矛盾進一步加大。儲能系統(tǒng)作為可調(diào)節(jié)的靈活資源，有助于改善負荷峰谷特性，緩解峰值負荷與電力系統(tǒng)輸送容量之間的矛盾，使電力系統(tǒng)在同等輸送容量下的輸送電量得到提高。因此，儲能是改善電力系統(tǒng)負荷特性，提高電力系統(tǒng)設備利用效率的重要手段。

1.3 電力用戶更高的用電質(zhì)量要求

國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局提出《關于全面提升“獲得電力”服務水平 持續(xù)優(yōu)化用電營商環(huán)境的意見》，進一步明確了電力用戶供電可靠性、用電質(zhì)量的要求。與此同時，隨著精密制造業(yè)的不斷發(fā)展及用戶側(cè)電能替代的不斷推動，電力用戶對用電質(zhì)量的要求越來越高。儲能的引入將提高用戶側(cè)分布式電源的接入能力，提高電力用戶的供電可靠性、電能質(zhì)量和防災抗災能力。

2 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術的類別

2.1 飛輪儲能

飛輪儲能主要是將旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換成儲存的電能，進而實現(xiàn)儲能。飛輪儲能的過程需要通過電機的驅(qū)動，在電機的驅(qū)動下使飛輪獲得一定的速度后，通過動能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)動能向電能轉(zhuǎn)換來獲得或者釋放電能。

飛輪系統(tǒng)運行的環(huán)境是真空的，在此環(huán)境下能夠有效降低風阻，同時有效減少動能產(chǎn)生的損耗，保證轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)運行的壽命。而且，真空環(huán)境運行能夠減少環(huán)境對系統(tǒng)的影響，且基本不需要進行設備以及系統(tǒng)的維護[1]。但是，飛輪儲能在使用過程中也存在一定的缺陷。一方面，這種方式儲存的能量密度低；另一方面，由于真空環(huán)境及蓄電池系統(tǒng)的使用，對于空間的要求更加嚴格，要保證系統(tǒng)運行的安全性，需要投入大量的資金。

2.2 抽水儲能

目前，抽水儲能是發(fā)展迅速并且技術較為成熟的儲能方式，但要實現(xiàn)抽水儲能，不僅要在上游建設水庫，同時要在下游匹配一個水庫。在電負荷低時，要通過抽水設備進行抽水，將下游水庫中的水抽到上游水庫中來實現(xiàn)儲能。當電負荷較高時，就需要將相關的設備轉(zhuǎn)換成發(fā)電機狀態(tài)，通過上游水庫中儲存的大量水來發(fā)電。

但是這種方式的能量轉(zhuǎn)化率最高只能達到75%，而且地勢選址要求嚴苛、建設周期較長、動態(tài)調(diào)整難度大等問題突出，難以實現(xiàn)大規(guī)模的推廣和應用。就目前的抽水儲能工程建設情況來看，全球的抽水電站的裝機容量能夠達到9×107kW，這在全球全部電站裝機容量中僅僅占到了3%。同時。由于抽水儲能在選址中對環(huán)境要求較高，地形環(huán)境致使其往往距離用電區(qū)域較遠，在電能儲存及輸送過程中還會造成大量的能源損耗。

2.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能方式是目前在發(fā)展和應用中前景較好、可以大規(guī)模推廣和應用的儲能方式。壓縮空氣儲能的儲能方式，能夠有效實現(xiàn)過盛電能的儲能。在電網(wǎng)低負荷時，通過壓縮空氣儲能方式對空氣進行壓縮；在電網(wǎng)負荷較高時，再將儲存的壓縮空氣釋放出來，推動汽輪機進行發(fā)電，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。

壓縮空氣儲能方式具有響應快、壽命長、效率高等優(yōu)點，且具有較高的轉(zhuǎn)化效率，平均能夠達到70%以上，未來發(fā)展前景良好。不過該儲能方式主要是在系統(tǒng)備用及電力調(diào)峰等方面應用，對地址結構和地形環(huán)境也有一定的要求。

2.4 電化學儲能

電化學儲能是利用化學方式進行儲能的，常用的材料有鈉硫電池、液流電池及較為常見的鉛酸電池和鋰電子電池等。其中，在大規(guī)模應用中，液流電池具有一定的優(yōu)勢，但是目前應用最為廣泛的還是鉛酸電池和鋰電子電池。

電化學儲能電池可以通過串并聯(lián)形成電池組，以提高電池容量和充放電功率。電化學儲能的成本相對較低，但是電化學儲能電池的壽命較短，同時在其使用結束后也會帶來較為嚴重的環(huán)境污染問題。當前，對電化學儲能的相關研究越來越多，尤其是近年來分布式電源的相關研究和大量推廣，電化學儲能逐漸呈現(xiàn)出小體積、易部署、搭配靈活等優(yōu)勢，在分布式電源發(fā)展和應用的同時，消納能力逐漸提高，是降低負荷峰谷差的主流技術手段。

2.5 超級電容儲能

基于電化學雙電層理論，超級電容儲能得到了深入研究和發(fā)展，是一種新型儲能方式。超級電容儲能能夠提供較強的脈沖功率，在充電過程中其電極表面是理想的極化狀態(tài)，這時電荷會對電解質(zhì)溶液中存在的異性離子進行吸引。這些異性電子將會附著在電極的表面，形成一種雙層電容。在電力系統(tǒng)的應用中，超級電容儲能通常用于短時、高峰值功率場景下的負載穩(wěn)定及電壓暫降、瞬態(tài)干擾的平抑等場景。

2.6 超導儲能

借助超導體構成的線圈，能夠通過相關磁場進行能力的儲存，這就是常見的超導儲能。超導儲能在功率輸送的過程中不需要對能源進行轉(zhuǎn)化，其比容量較大，響應速度較快，而且在轉(zhuǎn)換中效率較高，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的能量交換，還能夠?qū)崿F(xiàn)及時的功率補償。借助超導儲能，能夠?qū)崿F(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)和功率的補償，從而提高功率輸送能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運行。

3 儲能技術定位

將儲能技術引入電力系統(tǒng)，作為一種電能轉(zhuǎn)換和存儲的設備，有效解決了新能源的隨機性和波動性與電力系統(tǒng)功率供需實時平衡之間的矛盾。儲能系統(tǒng)作為一種靈活調(diào)節(jié)資源，既要在功率尺度上調(diào)和電力系統(tǒng)實時的供需矛盾，也要具備足夠的電能存儲能力，在能量尺度上滿足電力系統(tǒng)不同時間尺度上的供需平衡。因此，不同儲能技術的核心參數(shù)和技術指標主要可以分為功率、續(xù)航時間、響應速度等方面[2-3]。

電力系統(tǒng)對儲能的需求，可以劃分以下應用場景。（1）對于提供系統(tǒng)阻尼、輔助一次調(diào)頻等應用場景，通常要求儲能具備快速高輸出功率和快速響應的能力，具有代表性的儲能技術路線包括飛輪儲能和的超級電容儲能。（2）對于平滑新能源出力波動，提高輸配電設備利用效率的應用場景，要求儲能能夠具備較快的響應能力，同時能夠適應充放電頻繁轉(zhuǎn)換，代表性的技術路線為電化學儲能，尤其以鋰電池儲能為典型。（3）對于大電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)節(jié)負荷等，需要高功率、大容量、長時間尺度的儲能支撐應用場景，需要儲能系統(tǒng)具備較強的吞吐能力、良好的使用壽命和資源環(huán)境友好特性，代表性的技術路線包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、熔融鹽儲能和氫儲能等。

可見，面對電力系統(tǒng)不同應用場景，單一的儲能技術已經(jīng)無法適應多重場景下的新能源電力系統(tǒng)的運行需求。因此，需結合現(xiàn)有的儲能技術路線，提出一種結合電化學儲能與超級電容的混合儲能方案，滿足高功率與高容量需求的儲能應用場景。

4 多重應用場景下新能源電力系統(tǒng)的儲能拓撲結構

在“碳達峰、碳中和”和建設新型電力系統(tǒng)的大背景下，儲能是適應未來可再生能源大規(guī)模接入、提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不可或缺的靈活性資源。儲能的技術路線眾多，未來多類型儲能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)將成為一種常態(tài)。相應地，儲能電池的部署也將從單一類型向多重類型發(fā)展。為此，文章設計了一種鋰電池和超級電容相結合的混合儲能技術，該技術可結合鋰電池儲能和超級電容儲能的優(yōu)勢，同時提供大功率和高能量輸出。由于未來儲能系統(tǒng)的接入將與分布式電源和負荷深入融合，因此以多重應用場景下新能源電力系統(tǒng)儲能部署方式為例，對文章提出的鋰電池-超級電容混合儲能進行闡述，具體結構形式如圖1所示[4-5]。

如圖1所示，超級電容器和鋰電池是該單元的主要組成部分，實現(xiàn)分布式儲能。分布式儲能單元中的超級電容器直接耦合在新電源電力系統(tǒng)的直流母線上，然后經(jīng)過逆變單元和超級電容器并聯(lián)，這樣能夠有效保證儲能器之間互不干擾。

以上拓撲結構中，逆變單元能夠?qū)崿F(xiàn)對超級電容器的管理和控制，并對鋰電池的儲能進行有效管理。在目前的新能源電力系統(tǒng)中，發(fā)電機均需要配置一個分布式儲能單元，并通過并聯(lián)的方式連接到獨立發(fā)電機。在系統(tǒng)運行過程中，分布式儲能單元通過PCS并聯(lián)于新能源電力系統(tǒng)的直流母線側(cè)，與發(fā)電機共同使用新能源電力系統(tǒng)中的DC/AC逆變單元。在實現(xiàn)新能源向電能轉(zhuǎn)化的同時，經(jīng)過發(fā)電機將最初的交流電通過全功率變流后直接接入分布式儲能單元，實現(xiàn)分布式儲能單元與新能源電力系統(tǒng)的連接[6-7]。

5 結論

綜上，文章分析新能源電力系統(tǒng)儲能技術的相關知識，并以目前的新能源電力系統(tǒng)為例，對原有技術進行了革新和完善，提出了全新多重應用場景下的新能源電力系統(tǒng)儲能技術應用。希望研究能夠為新能源電力系統(tǒng)的儲能提供一定的理論依據(jù)和有效參考，推動系能源電力系統(tǒng)組件完善，激活新能源市場，從而促使新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。