淺談新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

張怡雪

（國網(wǎng)（青海）綜合能源服務(wù)有限公司，青海 西寧 810000）

新能源發(fā)電系統(tǒng)在具體運行時，要想確保各個環(huán)節(jié)持續(xù)性優(yōu)化與改進，滿足當(dāng)前居民用電需求，使用電壓力得到有效緩解，就要重視儲能技術(shù)的合理使用。通過借助儲能系統(tǒng)對新能源發(fā)電系統(tǒng)資源進行科學(xué)合理且有效的利用，在不斷調(diào)節(jié)過程中促進系統(tǒng)本身運行效率的提升，運行更加穩(wěn)定、更加安全，一方面，可以將電力系統(tǒng)傳輸功率有效控制，調(diào)節(jié)用電峰值，電能質(zhì)量得到保證；另一方面，安裝儲能系統(tǒng)裝置，可結(jié)合實際情況吸收、釋放功率，電網(wǎng)消耗降低，電能利用率提升?；诖耍疚闹攸c對新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用進行了分析，旨在將各儲能系統(tǒng)及技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮，了解其工作原理，確保新能源發(fā)電系統(tǒng)資源的合理利用，經(jīng)濟效益大幅度提高。

1 儲能技術(shù)及系統(tǒng)概述

1.1 儲能技術(shù)作用分析

儲能技術(shù)在具體運用環(huán)節(jié)能量儲存主要通過外部介質(zhì)，當(dāng)前常用到的儲存技術(shù)有太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、光伏等儲能技術(shù)。雖然也會使用電池儲能的方法，但是只能對短期應(yīng)急用電需求滿足，而且高成本、大體積缺點較為突出。以上提及的儲能技術(shù)可以有效緩解此問題，屬于新型儲能系統(tǒng)。通過將以上儲能技術(shù)運用到新能源發(fā)電系統(tǒng)中，作用及優(yōu)勢非常明顯，具體從以下3方面進行詳細闡述。

（1）有利于電性能質(zhì)量的提高，新能源并網(wǎng)運行可以使電能質(zhì)量要求得到滿足，傳統(tǒng)孤島形式運行的新能源系統(tǒng)電能質(zhì)量極易受到外部環(huán)境影響，例如惡劣的天氣等，電能波動較為強烈。通過儲能裝置安裝可以使潮流更加穩(wěn)定，母線電壓平穩(wěn)性得到維持，同時還具備了調(diào)頻功能。

（2）可以削峰填谷，當(dāng)前能源生產(chǎn)以及消耗及時性特點突出，電網(wǎng)負荷波動性較強，特別是在用電高峰，發(fā)電機組處于長時間運行狀態(tài)下，而到了用電低峰，降低了發(fā)電機組運行效率，所以導(dǎo)致發(fā)電機組整體利用率低，資源浪費嚴重。例如火電機組調(diào)峰，主要借助降出力方法，但是降出力以后，降低了燃料利用率，這樣會導(dǎo)致發(fā)電時長不但不會被降低，反而導(dǎo)致設(shè)備超負荷運行，增加了燃料費用。儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可解決此問題，將用電低峰期多余電能儲存，待高峰期將電能釋放，調(diào)峰效果更加理想。

（3）滿足短期電力供應(yīng)需求，若運行時突出斷網(wǎng)，發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)孤島運行，儲能系統(tǒng)可將電壓、頻率偏差進行修正，并網(wǎng)模式與孤島運行間靈活轉(zhuǎn)換。當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模停電時，對于生產(chǎn)、生活造成較大影響，再加之受外界天氣影響，發(fā)電系統(tǒng)極易出現(xiàn)不穩(wěn)定運行，此時儲能系統(tǒng)可給予其支持，確保用電負荷的同時，維持系統(tǒng)正常運行。

1.2 儲能系統(tǒng)分類與工作原理

（1）機械儲能。當(dāng)前在新能源發(fā)電系統(tǒng)中常用到的機械儲能系統(tǒng)有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，抽水蓄能應(yīng)用較為廣泛，通過低處水向高處引入，電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡恿?，進而達到充電目的，放電和水電站發(fā)電方法一樣，在選址時更靠近水源位置。壓縮空氣儲能系統(tǒng)借助壓縮機對空氣進行壓縮，并且高壓保持在10MPa以上，將電能存儲于儲氣裝置中，充電過程完成，放電時在高壓氣體經(jīng)過膨脹機時將發(fā)電機組帶動起來完成發(fā)電。壓縮空氣儲能充電與放電主要是借助電能、空氣、儲熱介質(zhì)內(nèi)能間互相轉(zhuǎn)換。飛輪儲能充電與放電借助的是飛輪和電能間動能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。前兩種機械儲能系統(tǒng)規(guī)模較大，多應(yīng)用于調(diào)峰、平滑出力、黑啟動等環(huán)節(jié)，而飛輪儲能常應(yīng)用于連續(xù)性供電及調(diào)頻環(huán)節(jié)。

（2）電化學(xué)儲能。此儲能系統(tǒng)借助電極、電解液產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，進而達到充電與放電的全過程，工作原理和常規(guī)充電電池是一樣的。最初電化學(xué)儲能多使用的電池是鉛酸，當(dāng)前磷酸鐵鋰電池和到了廣泛應(yīng)用，除此之外還有鋰、釩液流、鈉硫等電池，以上提及的電池均歸納為電化學(xué)儲能的類型中。

（3）其他儲能。當(dāng)前在新能源發(fā)電系統(tǒng)中使用的儲能系統(tǒng)涉及到的種類較多，例如超導(dǎo)以及超級電容等均屬于電磁儲能的一種類型，除此之外還有化學(xué)儲能，例如儲氫、合成燃料等，同時也有儲熱形式儲能系統(tǒng)，例如，熔鹽及固體儲熱等。

2 不同儲能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能是新能源發(fā)電系統(tǒng)中常見的，電力能源來源于太陽能，滿足電力使用需求。和其他能源對比，太陽自身有著較強可再生功能，能源穩(wěn)定性強且不會枯竭。通過設(shè)備能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化成電能，比如，太陽能池板可借助設(shè)備將太陽能收集、存儲，經(jīng)過處理以后，便會有集熱效應(yīng)產(chǎn)生。但和其他新能源對比時會發(fā)現(xiàn)，太陽能電能相對會低一些，功率無法滿足電力設(shè)備運行需求。所以，太陽能適用于一些小型設(shè)備或系統(tǒng)中，確保新能源高效使用。這就需要在太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用時不斷加大研發(fā)力度，促進利用率的提高。

2.2 地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)

此技術(shù)能源獲取主要依賴的是地?zé)崮埽厍騼?nèi)會產(chǎn)生大量熱量，此熱量可用作能源。雖然現(xiàn)代技術(shù)運用中地?zé)崮芎茈y實現(xiàn)直接使用，但應(yīng)用散發(fā)出來的熱量。熱能轉(zhuǎn)化為電能，在電力以及供暖中使用。此能源多用在了發(fā)電系統(tǒng)中，儲能操作也極其簡單，實用性較強。

2.3 風(fēng)能電力系統(tǒng)

新能源發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能也是最為普通的一類。通過運用儲能技術(shù)，可優(yōu)化風(fēng)能電力系統(tǒng)功率，確保風(fēng)能有效轉(zhuǎn)化為電能，為電力系統(tǒng)正常運行提供保障。具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，風(fēng)能儲能技術(shù)運用的是超導(dǎo)能，通過此技術(shù)的使用，可有效處理電壓問題，確保風(fēng)能使用時短路、風(fēng)速降低問題得到有效緩解。如果站在資源儲備量視角下分析，風(fēng)能資源儲備量較高，是水資源的10倍。風(fēng)力轉(zhuǎn)化為機械力，再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能，進而實現(xiàn)發(fā)電目的。

如果站在技術(shù)視角下分析，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)在具體應(yīng)用時涉及到的重點有3方面：一是風(fēng)機類型，根據(jù)裝機容量指標(biāo)，風(fēng)機劃分為大、中、小等多個類型，一般情況下風(fēng)機容量較大時，結(jié)構(gòu)槳葉越長。運行時，結(jié)合風(fēng)機容量又劃分成不同設(shè)備，例如恒速與變速等。二是設(shè)備組成及功能性，風(fēng)輪結(jié)構(gòu)中葉片形狀同風(fēng)能吸收處于正比例關(guān)系。運行時，風(fēng)機風(fēng)速要比切出風(fēng)速高，制動時主要運用葉尖；但葉片如果正在運行，極易出現(xiàn)覆冰、腐蝕現(xiàn)象，要做好葉片定期保護，確保正常運行。三是風(fēng)機控制技術(shù)運用，采用的發(fā)電機是并網(wǎng)的，控制發(fā)電機變速，新并網(wǎng)技術(shù)運用時，為確保電機風(fēng)速在合理范圍內(nèi)，可通過模糊技術(shù)對葉片控制，預(yù)測風(fēng)輪氣動特點。風(fēng)電場并網(wǎng)時，吸收無功功率，提高運行效率。通過增設(shè)SVC、補償裝置，可優(yōu)化以及調(diào)節(jié)電網(wǎng)運行情況。

2.4 光伏發(fā)電技術(shù)

站在地球能量釋放視角下分析光伏發(fā)電技術(shù)，其能源來源于太陽，進而生成大量能量。（1）光電效應(yīng)，物質(zhì)在電磁波照射以后，內(nèi)部電子通過照射被激活，進而產(chǎn)生電子，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過蓄電池和控制器構(gòu)成了發(fā)電設(shè)備；（2）電池組，通過太陽能制作成不同類型電池，例如晶硅電池便是常用的，劃分為單晶、多晶，硅基薄膜光伏電池功能性不足，化合物薄膜污染嚴重，聚光光伏電池要有其他散熱器裝置支持，成本太高；（3）光伏陣列，光伏組件主要依賴于單軸給予支持，而固定的組件可促進工作率提各；雙軸跟蹤組件的應(yīng)用可提升30%效率，同時還要嚴控安裝環(huán)節(jié)；（4）逆變器，組串逆變器有較多MPPT路數(shù)，成本高，維護點多，在山地地區(qū)比較適用，這就需要根據(jù)實際情況，選擇最佳的逆變器；（5）光伏電站SVG調(diào)壓技術(shù)，因為極易受電壓影響，所以在調(diào)節(jié)時可使用SVC，通過恒功率、恒電壓實現(xiàn)有效調(diào)控。一般情況下，電壓調(diào)節(jié)時，恒功率能夠控制日常運行情況。結(jié)合動態(tài)化的變化，完成無功調(diào)整。若系統(tǒng)電壓比定額電壓高時，恒功率無法對電壓調(diào)整需求滿足，此時要使用恒電壓模式進行控制。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)具體應(yīng)用

3.1 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)

當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)中安全穩(wěn)定運行方面問題較多，主要是由于系統(tǒng)內(nèi)部快速存取電能器件缺乏，對于機組慣性儲能、繼電保護、其他自動控制裝置過于依賴，處于被動致穩(wěn)狀態(tài)下。而超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可主動參與系統(tǒng)動態(tài)行為中，屬于靈活性較強的調(diào)控有功功率源，不僅可對系統(tǒng)阻尼力矩調(diào)節(jié)，而且還能夠?qū)ν搅卣{(diào)節(jié)，在系統(tǒng)滑行、振蕩失步方面作用較為明顯。此系統(tǒng)能夠解決風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題，為發(fā)電系統(tǒng)提供備用容量，尤其針對特殊重要負荷，系統(tǒng)可將應(yīng)急備用電力進行有效儲存，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)裝置簡單，不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械部件、動密封問題，使用壽命長；儲能密度較高，為108J/m3，功率也較大；響應(yīng)的速度較快，極易快速調(diào)節(jié)電壓、頻率；無污染無噪音，維護也較為簡單。

此系統(tǒng)會采用電磁能形式將電能存儲于超導(dǎo)體內(nèi)，當(dāng)前很多國家在此系統(tǒng)應(yīng)用方面都有較多的實例，例如日本與美國當(dāng)前已經(jīng)涉及到了100MW機組，并且組裝完成，國內(nèi)多應(yīng)用的是仿真或者是小容量樣機。當(dāng)前100MW超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，逐漸向著商業(yè)化方向發(fā)展。日本針對超導(dǎo)儲能系統(tǒng)進行了更深層次的研究，通過對比抽水蓄能、低溫超導(dǎo)儲能，如果從功率成本來看，超蓄要遠遠高出抽蓄50%左右，具備較好的商業(yè)化價值。

3.2 超級電容器系統(tǒng)

超級電容器系統(tǒng)主要運用的是電極與電解質(zhì)間構(gòu)建的界面雙電層來實現(xiàn)能量儲存的目的。工作原理中主要借助傳統(tǒng)靜電電容器，正負電荷通過兩電級板快速累積，進而形成兩極板電勢差，產(chǎn)生了強烈的電場，此時電能便可以在電場中有效的存儲，如果兩極板和外電路出現(xiàn)回路情況，正負電荷會轉(zhuǎn)移，并且將電能釋放。靜電電容器電容量與電極距離、表面積關(guān)系密切，而超級電容量工作原理和靜電電容器原理非常相似，區(qū)別是超級電容器電極表面積較大，所以電容量也會更大一些。

隨著超級電容儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，并且朝著商業(yè)化發(fā)展，當(dāng)前商業(yè)化超極電容涉及到的是雙電層電容，屬于靜電儲能的一種類型。一般情況下采用的是化學(xué)氣相沉積法，雙電層形成于電容電極周圍，此儲能材料不管是在功率密度，還是轉(zhuǎn)換效率或者污染方面，性能良好。由于其具備了較大容量、充電無限循環(huán)特征，所以可通過超級容量、功率器件構(gòu)成電路，并且與發(fā)電陣列和負載間進行有效連接，借助補償電壓將光伏電池輸出改變，達到功率點跟蹤的目的。

3.3 飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)也被稱之為飛輪電池，主要由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動機、發(fā)電機、電力電子裝置、真空室等組合而成，飛輪轉(zhuǎn)子是其中的重要部件，采用高強度小密度材料制成，主要劃分為圓輪、圓盤、圓柱剛體等；軸承屬于軸系支承部件，特別是磁懸浮支承軸承、組合式軸承的應(yīng)用，可將摩擦損耗降低，系統(tǒng)效率提高；電機屬于集成部件，可在電動、發(fā)電間互相切換，機械能、電能實現(xiàn)了有效轉(zhuǎn)換；電力電子裝置負責(zé)電能輸入輸出；真空室可通過真空環(huán)境的提供使飛輪調(diào)整運轉(zhuǎn)時風(fēng)阻損耗降低，確保設(shè)備及人員安全。在充電環(huán)節(jié)，電動機將飛輪驅(qū)動，電能與機械能轉(zhuǎn)換；能量儲存時，飛輪處于真空環(huán)境下高速運轉(zhuǎn)；放電過程中急速轉(zhuǎn)動的飛輪將發(fā)電機驅(qū)動，機械能轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電、供電。此系統(tǒng)經(jīng)濟實惠且環(huán)保，多應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在并網(wǎng)點電能質(zhì)量調(diào)節(jié)方面作用明顯。

4 結(jié)語

隨著社會的快速發(fā)展，我國經(jīng)濟不斷增長，新能源在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍越來越廣，通過設(shè)備、系統(tǒng)能夠?qū)⒛茉磳崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)化，確保電力系統(tǒng)電能得到合理利用的同時，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)問題得到有效改善，降低了資源不必要的浪費。而新能源發(fā)電系統(tǒng)中，要想使各項能源資源利用率進一步提升，就要將科學(xué)合理的儲能系統(tǒng)及技術(shù)引進，在不斷優(yōu)化與改進中，推進電力行業(yè)向著綠色環(huán)保方向發(fā)展，更好的滿足社會用電需求。