儲能系統(tǒng)分析及其在新能源項目中的應(yīng)用前景

中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司 郭志剛

在日益激烈的資源形式下，我國對用電的清潔性和高效性提出了要求。新能源作為一項環(huán)保技術(shù)對電力行業(yè)的發(fā)展有積極意義，新能源發(fā)電有著波動性、隨機性和間歇性的特點，極易對穩(wěn)定運行的電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，且新能源并網(wǎng)對我國電網(wǎng)的發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。而在新能源發(fā)電中應(yīng)用儲能系統(tǒng)，可以加快電能轉(zhuǎn)化效率、提高電能轉(zhuǎn)化質(zhì)量、降低電能損耗等，對電力行業(yè)的發(fā)展起到一定的促進作用。

1 儲能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

1.1 儲能系統(tǒng)技術(shù)作用分析

1.1.1 削峰填谷

電網(wǎng)負荷擁有較強的波動性，我國對能源的消耗和生產(chǎn)都是即用即發(fā)。在用電高峰時期，電力系統(tǒng)發(fā)電機組運行效率高，而用電低峰期，電力系統(tǒng)發(fā)電機組運行效率低，這樣的運行情況會降低發(fā)電機組利用率，造成資源浪費。例如，火電機組是目前電網(wǎng)系統(tǒng)常用調(diào)峰技術(shù)之一，在火電機組降出力后，電網(wǎng)系統(tǒng)對燃料利用率將會下降，利用火電機組調(diào)峰技術(shù)不僅會降低電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電時長，增加燃料的消耗，而且也會降低發(fā)電設(shè)備使用壽命。而利用儲能系統(tǒng)可以有效解決上述問題，儲能系統(tǒng)能夠存儲用電低峰期的電能，并在用電高峰期時進行釋放，達到電能調(diào)峰效果[1]。

1.1.2 短期電力供應(yīng)

新能源電網(wǎng)系統(tǒng)在運行時若出現(xiàn)斷網(wǎng)事故，會導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)進入孤島狀態(tài)運行。儲能設(shè)備在講過控制系統(tǒng)時，會修正頻率和電壓偏差，達到平滑切換孤島運行和并網(wǎng)模式運行的目的。若出現(xiàn)大規(guī)模停電事故的發(fā)生，會對生活和生產(chǎn)活動造成嚴重的影響。由于新能源項目生產(chǎn)的資源會受到天氣的影響，在惡劣天氣環(huán)境下，新能源資源會變得極為不穩(wěn)定，而儲能系統(tǒng)可以保證負荷正常運行。

1.2 儲能系統(tǒng)工作原理及分類

1.2.1 機械儲能

機械儲能常見類型包括、飛輪儲能、空氣壓縮儲能、抽水儲能等。在機械儲能應(yīng)用過程中，抽水儲能應(yīng)用較為廣泛。抽水儲能的工作原理是將水資源由低處向高出傳送，將電能轉(zhuǎn)換為動力勢能，從而實現(xiàn)充電的效果，抽水儲能放電與水利發(fā)電站放電方式相同，抽出儲能系統(tǒng)通常建立于水資源豐富地勢?？諝鈮嚎s儲能主要利用壓縮機壓縮空氣至10MPa 高壓狀態(tài)，然后將壓縮的空氣存儲于儲氣罐中，以此來實現(xiàn)充電效果[2]?？諝鈮嚎s儲能放電和充電都是空氣與電能或者儲能介質(zhì)發(fā)生內(nèi)能轉(zhuǎn)化的一種過程，空氣壓縮儲能系統(tǒng)建設(shè)限制因素較多，如地域、環(huán)境等。飛輪儲能是飛輪與電能相互轉(zhuǎn)化從而實現(xiàn)的放電和充電效果?？諝鈮嚎s儲能和抽水儲能都為大型儲能系統(tǒng)，均具備黑啟動、平滑出力、調(diào)峰等功能。與其他兩種儲能方式相比，飛輪儲能在調(diào)頻和供電方面性能較高。

1.2.2 電化學(xué)儲能

該類儲能方式主要是電解液和電極之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達到的充電和放電效果，電化學(xué)儲能系統(tǒng)原理與傳統(tǒng)充電電池工作原理相同。傳統(tǒng)的電化學(xué)儲能系統(tǒng)一般選擇鉛酸蓄電池作為主要供電能源，而現(xiàn)階段主要應(yīng)用磷酸鐵鋰電池。鈉硫電池、釩液流電池、三元鋰電池等均為電化學(xué)儲能的一種。

1.2.3 其他儲能

儲能系統(tǒng)種類豐富，有超級電容、超導(dǎo)儲能等電磁儲能系統(tǒng)，以及合成燃料、儲氫等化學(xué)儲能方式，以及固體儲熱、熔鹽出熱等儲熱系統(tǒng)[3]。

2 典型儲能技術(shù)特點

2.1 鋰電池儲能技術(shù)

鋰電池是充電電池的一種，其主要是由鋰化合物、天然石墨、人造石墨等正極材料和負極材料組成，鋰電池放電和充電過程就是鋰離子脫嵌和嵌入過程。鋰電池充電和放電原理如圖1，表1為鋰電池性能比較。

表1 不同鋰電池性能比較

圖1 鋰離子電池充放電原理

現(xiàn)階段，在綜合電力系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)中，鋰電池應(yīng)用十分廣泛。首先，在新能源項目中，鋰電池可以滿足電力系統(tǒng)的光伏能源和穩(wěn)定工作的需求；其次，鋰電池可以有效緩解短時突變電力負荷和長時發(fā)電機組響應(yīng)之間的矛盾，有利于提高能源的利用效率、改善電能運行質(zhì)量。

2.2 超級電容器儲能技術(shù)

超級電容是一種儲能原件，去主要利用雙層電原理實現(xiàn)能量的存儲，并且存儲過程具有可逆性，使用壽命長。超級電容雙層式應(yīng)用十分廣泛，圖2為其物理結(jié)構(gòu)。

圖2 普通電容和雙層電容結(jié)構(gòu)示意圖

新能源項目中，電力和動力系統(tǒng)對超級電容技術(shù)應(yīng)用較多，超級電容技術(shù)可以在系統(tǒng)低負荷運行狀態(tài)下對剩余能量進行存儲，在系統(tǒng)負載高峰運行過程中釋放能力，以此來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和帶載能力。與普通鋰電池儲能技術(shù)相比，超級電容技術(shù)對于能量密度的要求較低。儲能元件性能參數(shù)比較如表2所示。

表2 儲能元件性能比較

2.3 技術(shù)特點分析

超級電容儲能擁有循環(huán)壽命長、動態(tài)響應(yīng)快、功率密度大等優(yōu)點，可以有效減緩電流沖擊功率；超級電容的缺點為能量密度小，儲存能量較少。而蓄電池儲能則與其不同，功率密度小，能量密度大。想要更好的滿足系統(tǒng)能量、功率密度高的要求，對于儲能系統(tǒng)的研究應(yīng)考慮以下兩方面：創(chuàng)新儲能制造工藝，促進元件性能的提升；對儲能原件進行性質(zhì)互補，提高儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性能[4]。

以上兩種方法，第一種操作難度較大，無法輕易實現(xiàn)，第二種方法既能使儲能系統(tǒng)的需求得到滿足，同時也能夠提高系統(tǒng)性能，具有良好經(jīng)濟性。

3 超級電容—蓄電池混合儲能系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)階段，超級電容—蓄電池儲能系統(tǒng)包括兩種，無源式、有源式儲能系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)主要是對現(xiàn)階段的存儲系統(tǒng)進行組合，改造成為了一種新型儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)可以利用不同元件和功能進行互補，以此來減少儲能系統(tǒng)制造成本，提經(jīng)濟性。

3.1 無源式混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無源式混合儲能系統(tǒng)可以劃分為兩種，第一種為直接將超級電容與蓄電池進行并聯(lián)形成的混合系統(tǒng)，第二種為利用無源器件進行連接，如儲能系統(tǒng)和電感、二極管等組成的混合系統(tǒng)?；旌舷到y(tǒng)的特點是在充電和放電過程中不需對其進行控制，混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單[5]。

3.1.1 直接并聯(lián)式

并聯(lián)式混合系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)最為簡單的儲能系統(tǒng)，圖3所示?；旌舷到y(tǒng)具有的特點包括，無法對功率流動進行控制，電壓裝置需要與負載電壓相互匹配；混合儲能裝置電壓波動大，并聯(lián)方式會降低超級電容能量利用效率，且蓄電池壽命較短。

圖3 直接并聯(lián)式混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 電感并聯(lián)式

電感并聯(lián)混合系統(tǒng)，主要是在蓄電池與電感進行串聯(lián)，然后并聯(lián)到超級電容裝置上。圖4為并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。電感并聯(lián)混合系統(tǒng)具有的特點包括，可以有效抑制電感波動，蓄電池壽命長，工作效率高；但無法控制儲能系統(tǒng)充電和放電過程，超級電容能量利用效率較低。

圖4 電感并聯(lián)式混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 有源式混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為更好的控制儲能系統(tǒng)放電和充電過程，提高儲能系統(tǒng)容量利用率，有源式系統(tǒng)在母線結(jié)果位置額外增加了功率變換器，根據(jù)變換器數(shù)量以及位置的不同，有源式儲能系統(tǒng)主要分為三種，如圖5～7所示。

圖5中混合系統(tǒng)，主要利用變換器將蓄電池連接直流母線，并與超級電容進行并聯(lián)。該系統(tǒng)可以更好的控制蓄電池充電和放電過程，以此來達到保護蓄電池的目的，提高蓄電池使用壽命；在改造過程中儲能系統(tǒng)需要并聯(lián)多個超級電容，才能滿足直流母線電壓要求。

圖5 超級電容與直流母線直接連接

圖6混合系統(tǒng)與圖5系統(tǒng)相反，首先對功率變換器與超級電容進行連接，其次并聯(lián)蓄電池至直流母線中。該系統(tǒng)可以利用變換器對電容電壓進行改變，從而擴大系統(tǒng)可應(yīng)用性，提高容量利用率。

圖6 蓄電池與直流母線直接直接連接

圖7混合系統(tǒng)，首先利用功率變換器將超級電容與蓄電池進行連接，其次并聯(lián)至直流母線中，該系統(tǒng)中擁有的兩種存儲器件在容量利用率方面都有較好的性能，可以優(yōu)化充電和放電過程。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變換器和系統(tǒng)運行成本較高。

圖7 兩種儲能裝置通過功率變換器與直流母線連接

4 儲能系統(tǒng)在新能源項目中的應(yīng)用前景

4.1 儲能系統(tǒng)在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1.1 儲能系統(tǒng)在光伏電站中的應(yīng)用

（1）光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中儲能技術(shù)應(yīng)用較多，光伏系統(tǒng)包括蓄電池、控制器、光伏組件等重要部件。系統(tǒng)充電過程時，光伏組件會利用控制器將產(chǎn)生的直流電存儲于電池中，放電時，電池組件則會利用控制器和逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并接入負載中。傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)使用的蓄電池通常都為鉛酸膠體電池，例如光伏路燈、家庭光伏系統(tǒng)均采用鉛酸電池。（2）光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以小型商業(yè)戶和家庭應(yīng)用居多，微光系統(tǒng)相比于離網(wǎng)系統(tǒng)，前者具備并網(wǎng)功能，在電網(wǎng)停止運行后，發(fā)電系統(tǒng)會從并網(wǎng)狀態(tài)自動切換為孤島運行。（3）大型光伏發(fā)電站儲能系統(tǒng)。大型發(fā)電站中，電站交流側(cè)位置安裝儲能系統(tǒng)，可以起到調(diào)峰的作用。現(xiàn)階段，我國大部分城市發(fā)電站均配備了儲能系統(tǒng)，并且儲能裝置充電時長均不低于120分鐘。

4.1.2 風(fēng)光儲一體化發(fā)電

幾年來，我國對風(fēng)光儲發(fā)電等模式指明了發(fā)展方向。在光伏、風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中安裝儲能系統(tǒng)，構(gòu)建風(fēng)光儲發(fā)電項目，通過儲能發(fā)電完善風(fēng)光發(fā)電站，實現(xiàn)光、風(fēng)、儲三者之間互補，共同進行發(fā)電。儲能系統(tǒng)在用電低峰時期開始充電，以確保用電高峰時期發(fā)電系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。

4.2 不同儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

4.2.1 新能源項目中超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

超導(dǎo)儲能可以將電能轉(zhuǎn)化為電磁能并存儲于超導(dǎo)體中，擁有響應(yīng)快、功率密度高、環(huán)保、效率高等特點。在新能源項目中應(yīng)用，可以發(fā)揮出調(diào)頻和平滑出力的作用，能夠有效提高新能源發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量。在國際上，日本和美國均應(yīng)用超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，并且美國已經(jīng)構(gòu)建了100MW 機組，而我國對超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用主要以小容量樣機和仿真為主[6]?，F(xiàn)階段，各個國家掌握的超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，具備了商業(yè)可行性，對于超導(dǎo)技術(shù)機組的應(yīng)用研究正在穩(wěn)步向前。日本研究協(xié)會對低能超導(dǎo)和抽水蓄能進行了細致的對比研究，在功率成本上，超導(dǎo)儲能比抽水蓄能成本更低，在經(jīng)濟性上，超導(dǎo)儲能也具備良好的商業(yè)可行性。

4.2.2 新能源項目中超級電容器的應(yīng)用

超級電容主要利用電容器來存儲電能，超級電容通常為雙層電容，屬于靜電儲能。在經(jīng)過氣相沉淀工藝改造后，超級電容電極會在周邊形成雙電層，超級電容在環(huán)保性、轉(zhuǎn)換效率、功率密度等方面都擁有良好性能。部分研究人員通過超級電容具備的循環(huán)充電和大容量特點，將功率器件和超級電容量相結(jié)合，并連接到電路負載和發(fā)電列陣之間，利用補償電壓轉(zhuǎn)變電池的輸出，可以改變列陣輸出特性，到達功率點跟蹤的目的。

5 結(jié)語

綜上所述，儲能系統(tǒng)可以改變電能存儲方式，突破傳統(tǒng)即發(fā)即用的模式，解決了傳統(tǒng)發(fā)電存在的諸多問題。隨著社會發(fā)展速度不斷加快，在新能源項目中儲能系統(tǒng)有了更加廣泛的應(yīng)用，極大的促進了我國智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，使供電質(zhì)量得到了一定的提升。為此，我國應(yīng)當根據(jù)用電規(guī)劃、電力結(jié)構(gòu)等，加大對儲能系統(tǒng)的應(yīng)用力度，充分發(fā)揮出儲能系統(tǒng)的價值和作用。