電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

■國網(wǎng)山東濱州供電公司俞馥佳

2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。同時(shí)根據(jù)規(guī)劃，到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12 億千瓦以上。這對(duì)可再生能源消納提出了新的要求。

電力儲(chǔ)能技術(shù)是針對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻和新能源消納的重要手段。根據(jù)能量形式的不同，目前電儲(chǔ)能主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能三類，如儲(chǔ)能技術(shù)分類表所示。

在多種儲(chǔ)能技術(shù)中，能量和功率密度高、占地面積小、對(duì)環(huán)境條件要求低的電化學(xué)儲(chǔ)能，近年來得到一定的發(fā)展。受益于近年來不斷擴(kuò)大的電動(dòng)汽車市場，以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能元件性能大幅改善且成本逐年下降，可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)的發(fā)輸配用任意一個(gè)環(huán)節(jié)。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場景

本文結(jié)合我國近年來的儲(chǔ)能發(fā)展情況，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場景按照電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和輔助服務(wù)領(lǐng)域四大類進(jìn)行詳盡梳理。

電源側(cè)。近年來由于火電機(jī)組建設(shè)速度大大放緩、建設(shè)成本大大提高，東部地區(qū)多個(gè)工業(yè)城鎮(zhèn)的峰時(shí)用電缺口問題顯著。電力儲(chǔ)能系統(tǒng)在電源側(cè)首先可以取代部分新建發(fā)電機(jī)組，有助于減少投資和節(jié)能減排。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以輔助火電機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行，能夠提高機(jī)組效率，并使備用容量更可控。對(duì)于近年來出現(xiàn)的分布式可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)問題，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)稍偕茉催M(jìn)行電能時(shí)移并平滑其出力波動(dòng)，解決可再生能源發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性和反調(diào)峰問題，進(jìn)行爬坡率控制，減少棄風(fēng)棄光，促進(jìn)并網(wǎng)消納。

電網(wǎng)側(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效緩解發(fā)電或負(fù)荷中心的線路阻塞問題，優(yōu)化電力系統(tǒng)潮流分布，提高供電質(zhì)量。同時(shí)，隨著用電規(guī)模不斷提高，使用相對(duì)少量儲(chǔ)能電站可以延緩或完全避免輸配電設(shè)施升級(jí)改造，減少建設(shè)投資，提高設(shè)備利用率。另一方面，我國發(fā)電資源與用電負(fù)荷的逆向分布，決定了大容量遠(yuǎn)距離電力輸送會(huì)長期存在，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)來提升特高壓交直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，如針對(duì)直流閉鎖等故障進(jìn)行緊急功率支援。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為變電站直流電源可以提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性。

用戶側(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠通過峰谷差價(jià)套利降低用電成本；適用兩部制電價(jià)的工業(yè)用戶還可以通過削峰填谷進(jìn)行容量或需量電費(fèi)管理。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)還能夠助力用戶參與需求側(cè)響應(yīng)，提供輔助服務(wù)來獲利。此外，配備儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提高用戶側(cè)電能質(zhì)量、作為備用電源保證供電可靠性。

輔助服務(wù)領(lǐng)域。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以被用來進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)頻，降低電源側(cè)火電機(jī)組調(diào)頻壓力并提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，保持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。其次，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供電壓支撐，在電源側(cè)可以降低火電機(jī)組提供無功補(bǔ)償?shù)膲毫Σ⑻岣呓?jīng)濟(jì)性，在電網(wǎng)側(cè)則可以保證電能質(zhì)量。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以進(jìn)行調(diào)峰，有利于降低電源側(cè)傳統(tǒng)火電調(diào)峰的成本。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種靈活可控的備用容量可以進(jìn)一步保證供電可靠性和電能質(zhì)量。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以在黑啟動(dòng)時(shí)為電力系統(tǒng)靈活地提供功率和能量，以激活輸配電線路并為發(fā)電廠啟動(dòng)提供電能。

儲(chǔ)能技術(shù)分類表

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)存在的問題

一方面，當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全依然無法得到很好的保障，事故頻發(fā)。據(jù)公開報(bào)道，截至2021 年5 月，韓國發(fā)生電化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)事故至少28起；2019 年4 月，4 名消防員在美國亞利桑那州鋰離子電池儲(chǔ)存設(shè)施的火災(zāi)和爆炸中受重傷。國內(nèi)方面，2018年8月初，江蘇一儲(chǔ)能項(xiàng)目中的磷酸鐵鋰電池集裝箱起火并燒毀；2021 年4 月16 日，在北京集美大紅門25 兆瓦時(shí)直流光儲(chǔ)充一體化電站項(xiàng)目事故中，一人遇難，兩名消防員犧牲，一名消防員受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失1660.81萬元。

另一方面，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)功能一般較為單一，例如用于調(diào)峰的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)調(diào)頻等問題。但是隨著應(yīng)用場景的多樣化和復(fù)雜化，同一電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)可能需要同時(shí)滿足調(diào)頻、調(diào)峰、平滑出力和輸電網(wǎng)支撐等不同時(shí)間尺度、不同出力精度的功能需求。

再一方面，在當(dāng)前的商用電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，對(duì)于電池長期運(yùn)行過程中的健康狀態(tài)衰減關(guān)注不足，難以為調(diào)度準(zhǔn)確提供最大可利用容量信息，容易出現(xiàn)電池達(dá)不到預(yù)設(shè)充放電容量的情況，導(dǎo)致需要增加投資進(jìn)行冗余配置。此外，電儲(chǔ)能系統(tǒng)固有的安全性問題和不一致問題帶來高維護(hù)成本，急需探尋新的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用展望

為進(jìn)一步推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)以下工作。

首先，必須對(duì)安全問題給予足夠重視。加快電化學(xué)儲(chǔ)能安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落地，構(gòu)建儲(chǔ)能建設(shè)、運(yùn)維的質(zhì)量管控體系，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求落實(shí)到儲(chǔ)能技術(shù)監(jiān)督的各個(gè)環(huán)節(jié)，保障接入電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備安全可靠。

其次，進(jìn)一步進(jìn)行功能集成，拓寬單套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的盈利手段，提升系統(tǒng)性價(jià)比。同時(shí)，在傳統(tǒng)電池荷電狀態(tài)均衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行著眼于長期穩(wěn)定運(yùn)行的健康狀態(tài)監(jiān)測與管理，進(jìn)行二者的耦合估計(jì)，為電力調(diào)度機(jī)構(gòu)時(shí)刻提供最為準(zhǔn)確的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)最大可利用容量信息。

再次，建設(shè)更加先進(jìn)的中壓直掛型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，提高系統(tǒng)整體效率；開展荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)多維度均衡，降低維護(hù)成本，保證儲(chǔ)能電池長期運(yùn)行的安全與穩(wěn)定；面向配電網(wǎng)的供電臨時(shí)性增容、不停電檢修、保供電等應(yīng)用場景，開發(fā)試點(diǎn)移動(dòng)式儲(chǔ)能車，最大程度地為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

最后，建設(shè)儲(chǔ)能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)省域電網(wǎng)范圍內(nèi)電源側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)管理監(jiān)測、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能運(yùn)營分析、用戶側(cè)儲(chǔ)能潛力發(fā)掘及移動(dòng)式儲(chǔ)能的靈活調(diào)控。綜合而言，開展“固定式為主+移動(dòng)式為輔，智慧協(xié)同、主輔互補(bǔ)”的儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)，助力電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?！?/p>