并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲能技術(shù)選型研究

馬 麗 龐秀嵐 付少杰 李曉峰

（國家電投集團青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，青海 西寧 810000）

0 引言

近年來，“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念逐步深入人心，大力發(fā)展可再生能源、加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展已成為全球共識，而風(fēng)電、光伏等新能源本身的波動性和間歇性決定了靈活性，將是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)必不可少的組成部分。儲能作為靈活性調(diào)節(jié)資源在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是新能源成為主體電源后系統(tǒng)調(diào)節(jié)的必然選擇。本文主要對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲能技術(shù)選型進行淺析。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能應(yīng)用場景

儲能技術(shù)在新能源電站中的應(yīng)用場景主要有削峰填谷、能量搬移、跟蹤計劃出力、平抑波動、調(diào)峰、調(diào)頻、電壓支撐、儲能新技術(shù)戶外實證、混合儲能等，此外，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（GB 38755—2019）要求電源在電力系統(tǒng)中需為系統(tǒng)提供必要的慣量[1]。

2 儲能設(shè)備選型

根據(jù)能量儲存形態(tài)的不同，儲能技術(shù)可分為機械類儲能、電磁類儲能、儲熱類儲能、化學(xué)類儲能、電化學(xué)類儲能。

2.1 機械類儲能

2.1.1 抽水蓄能（PHS）

抽水蓄能利用水作為儲能介質(zhì)，通過電能與勢能相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電能的儲存和管理。其具有技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快等優(yōu)點；但由于選址困難，對地形地質(zhì)等條件要求較高，且需要水源等原因，不適合應(yīng)用于光伏電站。

2.1.2 壓縮空氣儲能（CAES）

CAES主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，形成高壓壓縮空氣將其儲藏在高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來，驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。其具有長時儲能、長壽命、具備轉(zhuǎn)動慣量等優(yōu)點，但其響應(yīng)速度慢、能量效率低，且存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題[2]。CAES適用于規(guī)模較大的儲能需求場景。

2.1.3 飛輪儲能

飛輪儲能通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，實現(xiàn)電能與高速運轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存[3]。飛輪在轉(zhuǎn)動時動能為，J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，大小與飛輪質(zhì)量和半徑有關(guān)；ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時，會受到極大的離心力作用，因此絕大多數(shù)飛輪采用埋地式安裝。飛輪儲能具有壽命長、功率密度高等優(yōu)點，但其能量密度低且自放電率高。在調(diào)頻應(yīng)用場景下，可適當(dāng)配置飛輪儲能為電站提供調(diào)頻功能進行電能質(zhì)量保障。另外，雖然飛輪儲能電機具備轉(zhuǎn)動慣量，但飛輪儲能系統(tǒng)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)仍需要通過飛輪電機變流器（AC/DC）及儲能變流器（PCS）等電力電子設(shè)備，因此在該種接入方式下飛輪儲能仍然不能為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量。

2.1.4 重力儲能

重力儲能以重力造成的位能來儲存能源，當(dāng)電力多余時驅(qū)動馬達將重物吊至高處，需要電力時再利用重物下降的力量來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。新型重力儲能主要有水介質(zhì)型、基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井重力儲能系統(tǒng)[4]。重力儲能具有壽命長、原理簡單等優(yōu)點，但對選址要求較高、能量密度低，在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)內(nèi)易造成光伏組件陰影遮擋，影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量，根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀暫不適用于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

2.1.5 新型抽水壓縮空氣儲能

西安交通大學(xué)提出了新型抽水壓縮空氣儲能（PHCA），PHCA集成了抽水蓄能（PHS）和壓縮空氣儲能（CAES）的特點。與PHS相比，PHCA不需要建造大型水壩；與CAES相比，PHCA利用效率較高的水泵替代傳統(tǒng)壓縮機儲能，利用效率較高的水輪機替代傳統(tǒng)氣體透平釋能，且運行過程中趨于等溫壓縮和等溫膨脹。儲能開始前，由壓縮機或高壓氣瓶向水氣共容腔體充氣至某預(yù)定壓力；儲能時，高壓水泵克服水氣共容腔體內(nèi)外壓差，向共容腔注水，使水位升高從而對儲能容器內(nèi)高壓氣體壓縮做功，實現(xiàn)抽水儲能；發(fā)電時高壓氣體借助水推動水輪發(fā)電機組發(fā)電[5]。PHCA具有壽命長、無須加熱、具備轉(zhuǎn)動慣量等優(yōu)點，但儲能空間的選取可能會受到限制，且其能量效率和技術(shù)成熟度較低。

2.1.6 小結(jié)

綜上所述，根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場景，若地理條件等因素滿足，可適當(dāng)配置壓縮空氣儲能為系統(tǒng)提供慣量支撐；在調(diào)頻應(yīng)用場景下，可適當(dāng)配置飛輪儲能技術(shù)為系統(tǒng)提供頻率、電壓支撐。

2.2 電磁類儲能

2.2.1 超級電容器

2.2.1.1 雙電層電容器

通過正、負離子在固體電極和電解液之間的表面上分別吸附，造成兩固體電極之間的電勢差，實現(xiàn)能量的存儲[6]。其具有壽命長、功率密度高等優(yōu)點；但其能量密度較低、自放電率高，應(yīng)用在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)時受制于PCS電壓范圍，無法深度充放電。

2.2.1.2 法拉第贗電容器

在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電極活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。其具有高比電容、高比容量、高能量密度的優(yōu)點，但其可逆性和循環(huán)性能相對較差，且技術(shù)成熟度較低。

2.2.1.3 混合型超級電容器

一極采用傳統(tǒng)的電池電極并通過電化學(xué)反應(yīng)來儲存和轉(zhuǎn)化能量，另一極則通過雙電層來儲存能量的一種超級電容器，具有雙電層電容器和電池的雙重特征，但功率密度低，產(chǎn)業(yè)化正在推進中。

2.2.2 超導(dǎo)磁儲能（SMES）

SMES利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能回饋電網(wǎng)或其他負載，并對電網(wǎng)的電壓凹陷、諧波等進行靈活治理，或提供瞬態(tài)大功率有功支撐的一種電力設(shè)施。其具有響應(yīng)速度快、效率高、有功和無功輸出可靈活控制等優(yōu)點，但過高的成本使其可靠性和經(jīng)濟性受到制約，還未能大規(guī)模進入市場[7]。

2.2.3 小結(jié)

對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，遇到混合儲能及調(diào)頻場景時，可適當(dāng)采用雙電層電容器及混合型超級電容器為系統(tǒng)提供頻率支撐及平抑波動功能。

2.3 儲熱類儲能

2.3.1 顯熱儲熱

將提取的毒腺、毒管、肌肉組織的DNA樣品，分別取2 μL至1.5 mL離心管中用ddH2O稀釋50倍，使用核酸蛋白分析儀對稀釋后樣品進行測定波長260 nm和280 nm的光吸收值。計算A260/A280的比值，根據(jù)比值判斷芋螺DNA樣品的純度，依據(jù)A260值計算DNA的濃度。

利用儲熱材料的熱容與溫度變化，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.2 潛熱儲熱（相變儲熱）

利用儲熱材料相態(tài)變化的相變潛熱，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.3 熱化學(xué)儲熱

利用熱化學(xué)對（可逆反應(yīng)、吸附/解吸）的吸/放熱，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.4 小結(jié)

儲熱類儲能可應(yīng)用于光熱利用場景，在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)暫無可用場景。

2.4 化學(xué)類儲能

化學(xué)類儲能主要有電力燃氣電廠、動力液系統(tǒng)、電力化工廠、氫能等。其中，電力燃氣電廠、動力液系統(tǒng)、電力化工廠不適用于新能源發(fā)電側(cè)應(yīng)用場景。氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包含制氫、儲氫、輸氫、用氫等過程，儲能時利用光伏發(fā)電電解水制氫將富余電能轉(zhuǎn)化為氫氣儲存，釋能時通過氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能。

2.5 電化學(xué)類儲能

2.5.1 鉛酸電池

鉛酸電池主要有普通非密封富液鉛蓄電池、閥控密封鉛酸電池、鉛炭電池等，其技術(shù)雖已成熟，但壽命短、易產(chǎn)生環(huán)境污染，目前已逐漸被淘汰。

2.5.2 鋰離子電池

2.5.2.1 磷酸鐵鋰

鋰離子通過隔膜在正負極之間移動產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。其具有技術(shù)成熟度高、效率高、可深度充放等優(yōu)點，但其低溫性能較差、電池一致性較三元鋰略差，安全性又優(yōu)于三元鋰。

2.5.2.2 三元鋰

三元鋰包括NCM和NCA兩種體系，NCM正極材料由鎳鈷錳組合而成，NCA正極材料由鎳鈷鋁組合而成，負極材料均采用石墨。其具有效率高、可深度充放等優(yōu)點，但其安全性及經(jīng)濟性較磷酸鐵鋰稍差。

2.5.2.3 鈦酸鋰

鈦酸鋰（Li4Ti5O12）是一種金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復(fù)合氧化物，正極活性物質(zhì)為三元鋰，負極為鈦酸鋰，電解液是六氟磷酸鋰有機溶液。其具有壽命長、工作溫度范圍寬、安全性高等優(yōu)點，但其能量密度較低，成本較磷酸鐵鋰略高。

2.5.2.4 固態(tài)鋰電池

固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升了鋰電池的能量密度。目前可量產(chǎn)的均為固液混合電解質(zhì)電池，全固態(tài)電解質(zhì)電池尚不能量產(chǎn)。

2.5.3 液流電池

2.5.3.1 全釩體系（VRB）

VRB是通過釩離子的價態(tài)變化實現(xiàn)化學(xué)能到電能的往復(fù)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能存儲與釋放。

2.5.3.2 鐵鉻體系（Fe-Cr）

Fe-Cr是通過正負極電解質(zhì)溶液中的活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化[8]。其具有環(huán)境適應(yīng)性強、壽命長等優(yōu)點，但其能量密度低、成本較VRB略高。

2.5.3.3 鋅溴體系（Zn/Br2）

Zn/Br2在循環(huán)泵的作用下，電解液在儲液罐和電池正負極構(gòu)成的閉合回路中流動，發(fā)生氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電池的充放電。其具有壽命長等優(yōu)點，但存在漏液風(fēng)險且成本偏高。

2.5.3.4 多硫化鈉/溴體系（PSB）

電池充放電時由Na+通過離子交換膜在正負極電解液間的遷移形成通路。多硫化鈉的高溫合成法以及硫化氫合成法工藝復(fù)雜，成本高。2.5.4鈉系電池

2.5.4.1 鈉硫電池

鈉硫電池需要在300℃的環(huán)境溫度中運行，考慮到電池技術(shù)可能存在的高危險性，一般只應(yīng)用于固定場合。

2.5.4.2 鈉離子電池

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池完全相同，組成結(jié)構(gòu)與鋰離子也完全相同，主要都包括正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和集流體等，通過氧化還原反應(yīng)進行充放電。相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優(yōu)勢在于原材料資源豐富，安全性能好等，但能量密度略低于鋰離子電池且發(fā)展尚不成熟。

2.5.5 金屬空氣電池

金屬空氣電池中鋅空氣、鋁空氣、鎂空氣電池等以氧為正極、金屬為負極，鋰空氣電池以鋰為正極、氧為負極，通過氧化還原反應(yīng)進行充放電。金屬空氣電池目前均處于研究階段，未大規(guī)模投入使用。

2.5.6 新型電池

隨著儲能技術(shù)日新月異的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出了一些新型電池儲能技術(shù)，如斯坦福大學(xué)崔屹教授開發(fā)的新型鎳氫氣電池，其具有壽命長、高低溫運行性能好、成本低等優(yōu)勢，目前處于商業(yè)化階段。

2.5.7 小結(jié)

鋰離子電池、液流電池可應(yīng)用于能量搬移、調(diào)峰、跟蹤計劃出力、平抑波動、調(diào)頻、電壓支撐等場景；尚未規(guī)?；l(fā)展的，如固態(tài)鋰電、鈉離子、新型電池等可應(yīng)用于新技術(shù)戶外實證場景。值得注意的是，2022年6月，國家能源局綜合司發(fā)布了《關(guān)于征求〈防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）〉意見的函》，其中提到“中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池”[9]。

3 結(jié)語

在電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)電網(wǎng)向新型電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的過程中，儲能技術(shù)將扮演重要角色。本文主要開展了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲能技術(shù)選型研究，根據(jù)各類型儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，可應(yīng)用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術(shù)選型如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能技術(shù)初步選型

綜上所述，儲能技術(shù)的選型需在滿足相關(guān)國家規(guī)范要求的前提下，主要考慮儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀、儲能在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用場景、技術(shù)成熟度、運行可靠性以及儲能制造商的生產(chǎn)規(guī)模、行內(nèi)業(yè)績、制造水平等因素。