電氣工程中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用及展望

王濤

（中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

0 引言

伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行各業(yè)發(fā)展速度不斷增加，作為電氣領(lǐng)域發(fā)展中能源儲(chǔ)備的一項(xiàng)核心技術(shù)，儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電氣工程領(lǐng)域，在推進(jìn)我國(guó)電氣行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的同時(shí)，使以往電能儲(chǔ)存與消耗問題得到有效解決。目前，抽水儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能、空氣壓縮儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能是比較常見的儲(chǔ)能技術(shù)，在電氣工程中的應(yīng)用比較廣泛，為電能源生產(chǎn)與傳輸帶來了諸多便利，初步實(shí)現(xiàn)了能源消耗的降低，儼然成為當(dāng)下電氣行業(yè)的核心發(fā)展技術(shù)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的類型

1.1 抽水儲(chǔ)能技術(shù)

抽水蓄能被公認(rèn)為是最成熟，且規(guī)模較大的儲(chǔ)能方式，主要指在上下游分別建設(shè)兩個(gè)水庫(kù)，這樣在負(fù)荷相對(duì)較低的情況下，在電動(dòng)機(jī)作用下抽水儲(chǔ)能設(shè)備開始工作，從下游水庫(kù)中抽水保存到上游水庫(kù)中；而在負(fù)荷高峰時(shí)段，借助發(fā)電機(jī)力量開始工作，合理利用上游水庫(kù)中所儲(chǔ)存的水來發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到70%～75%。但就目前來看，抽水儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，建設(shè)周期普遍較長(zhǎng)，對(duì)于選址要求比較嚴(yán)格，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下很難快速響應(yīng)，這對(duì)抽水儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與推廣造成一定限制，目前國(guó)際中抽水蓄能電站的總裝機(jī)容量達(dá)到9×108kW，約占據(jù)全球發(fā)電裝機(jī)容量的3%。

1.2 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)最早在英國(guó)普及應(yīng)用，主要指在太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、可再生能源蓄電設(shè)備的輔助應(yīng)用下，對(duì)電能源進(jìn)行有效儲(chǔ)存與排放，后被廣泛應(yīng)用在各國(guó)的電力工程中[1]。以英國(guó)蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用為例：PSB 是目前該國(guó)家正在使用的儲(chǔ)能技術(shù)，在蓄電池儲(chǔ)能原理下，修建一座15/120MW·h 的儲(chǔ)能電站，整體運(yùn)行效率將高達(dá)75%；而另一種NaS 蓄電池，整體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯，能夠輸出脈沖功率。也正因?yàn)檫@樣的獨(dú)特之處，使得PSB 蓄電池、NaS 電磁成為電氣工程的常見技術(shù)手段，在電能負(fù)荷調(diào)峰、電能質(zhì)量條件等工作中得到全面應(yīng)用，有助于電氣設(shè)備實(shí)用性能的提升。

1.3 空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)

空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)是一種新型蓄能蓄電技術(shù)，最早起源于1978 年，主要借助電網(wǎng)負(fù)荷低谷內(nèi)所剩余的電力壓縮空氣，在75MPa 壓力的高壓密封設(shè)施中儲(chǔ)存，然后在用電高峰時(shí)期釋放，以此來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，也是當(dāng)下工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)方式。在電網(wǎng)低谷負(fù)荷期應(yīng)用該技術(shù)，合理運(yùn)用剩余電能，對(duì)空氣壓縮機(jī)起到重要的驅(qū)動(dòng)作用，通過對(duì)山洞、報(bào)廢礦井、過期油氣井等高壓密封空氣的存儲(chǔ)，在用電高峰中釋放壓縮空氣，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，通常適用在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備中。相比于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)，空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)在電力輸出相同的前提下，所產(chǎn)生的資源消耗將有效減少40%，并且通過對(duì)空氣進(jìn)行一定時(shí)間的壓縮，最終結(jié)合實(shí)際需求一并完成燃?xì)馀c能量的輸出，具有效率高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，能源轉(zhuǎn)化效率將高達(dá)75%，有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.4 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能主要在電動(dòng)機(jī)作用下，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，是根據(jù)用電需求利用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的儲(chǔ)能方式[2]。通常情況下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中有著圓柱形的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊，在磁懸浮軸承的配合下，支撐系統(tǒng)運(yùn)行。通過高質(zhì)量應(yīng)用磁懸浮軸承，有效控制系統(tǒng)運(yùn)行期間的能源摩擦損耗問題，進(jìn)一步提高儲(chǔ)能效率，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，減少真空環(huán)境下飛輪系統(tǒng)的風(fēng)阻損耗產(chǎn)生。并且，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展背景下，飛輪系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步拓展，通過與電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的深度銜接，介于高質(zhì)量電子裝置，合理調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速，促進(jìn)了電網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置之間的功率交換，使電網(wǎng)運(yùn)行得到強(qiáng)有力的支撐。值得注意的是，將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在電力工程領(lǐng)域，整體設(shè)備的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，可以進(jìn)行安全維護(hù)，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響，整體優(yōu)勢(shì)比較顯著。

2 電氣工程中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

2.1 脈沖功率系統(tǒng)的應(yīng)用

脈沖系統(tǒng)是電氣工程中的重要構(gòu)成，關(guān)系到電網(wǎng)整體運(yùn)行效率與供配電質(zhì)量，對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用比較典型，具體應(yīng)用期間有關(guān)部門及人員要給予高度重視。在脈沖功率系統(tǒng)中，涵蓋了負(fù)載、開關(guān)、儲(chǔ)能單元、波形調(diào)制、低功率能源等單元，其中開關(guān)、波形調(diào)制、儲(chǔ)能單元等，均屬于脈沖功率源。從脈沖功率源的發(fā)展趨勢(shì)來看，具體可以分為：高輸出功率、高功率密度、高儲(chǔ)能密度、高可靠性、高重復(fù)頻率，這在儲(chǔ)能器件的重量與體積減少，輸出功率提高中，在脈沖功率系統(tǒng)運(yùn)行中有著重大的意義。在脈沖功率系統(tǒng)的具體運(yùn)行期間，為加快小型化高功率儲(chǔ)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我們需要強(qiáng)化對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)與方式的研究，與傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件進(jìn)行對(duì)比分析，通過對(duì)超級(jí)電容器、電池、傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件、高儲(chǔ)能密度器件等不同儲(chǔ)能方式的相互結(jié)合，結(jié)合當(dāng)下正在使用的儲(chǔ)能器的靜電、電感、慣性等特征，為脈沖功率系統(tǒng)運(yùn)行提供有力保障。

2.2 共享儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

共享儲(chǔ)能是以電網(wǎng)為載體，對(duì)電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、用戶側(cè)三大獨(dú)立分散的儲(chǔ)能電站資源進(jìn)行優(yōu)化配置的新型技術(shù)，通過電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以此來全面釋放出源網(wǎng)荷各段儲(chǔ)能的能力，有助于電能源的有效節(jié)約[3]。近年來，隨著《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》的出臺(tái)，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局明確提出，預(yù)計(jì)到2025 年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能在現(xiàn)有商業(yè)化初期的基礎(chǔ)上，努力向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將高達(dá)3000 萬kW。正是在這種情況下，共享儲(chǔ)能成為當(dāng)下儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的重要方向，發(fā)揮著削峰填谷、虛擬同步、準(zhǔn)確控制等作用。以國(guó)網(wǎng)青海電力為例：基于共享儲(chǔ)能的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，對(duì)以往實(shí)施的“固定晚高峰”充放電模式進(jìn)行了調(diào)整，逐步向“按斷面負(fù)載率”方向的轉(zhuǎn)變，在原有放電模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)啬茉葱枨笈c新能源送出通道的負(fù)載情況，在通道滿載時(shí)儲(chǔ)能電站開始充電，當(dāng)負(fù)載率≤80%時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開始放電，充放電模式不再以“一充一放”式為主，而是強(qiáng)調(diào)“多充多放，淺充淺放”，促進(jìn)了儲(chǔ)能電站運(yùn)行效率的大幅提升。

2.3 綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用

在電力產(chǎn)供銷模式升級(jí)發(fā)展背景下，為深入推進(jìn)綜合能源系統(tǒng)，強(qiáng)化電力系統(tǒng)的能源配置能力，儲(chǔ)能技術(shù)扮演著重要的角色，同時(shí)也是未來綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠在保證可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，促進(jìn)電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置，妥善處理電力系統(tǒng)故障問題，將更穩(wěn)定的電源輸送至廣大客戶群體。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能技術(shù)的形式種類居多，從本質(zhì)層面來看就是通過對(duì)電能資源的轉(zhuǎn)變，形成其他類型的能源然后進(jìn)行存儲(chǔ)，在需要時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M(jìn)行輸送與使用。而將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在綜合能源系統(tǒng)中，可衍生為一種多種能源輸入、輸出的儲(chǔ)能方式，通過多種形式能源的集中輸入，經(jīng)過專業(yè)處理后輸出為終端消費(fèi)的所需能量，該操作方式比較簡(jiǎn)便，無須多高成本的投入，轉(zhuǎn)化速度要明顯高于傳統(tǒng)的輸配電方式，能夠?yàn)榇蠊β试O(shè)備提供可靠的能源支撐。在具體應(yīng)用過程中，以儲(chǔ)能設(shè)備為載體，促進(jìn)能量輸入、能量轉(zhuǎn)換、能量輸出等裝置的有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)完整的儲(chǔ)能系統(tǒng)，按照應(yīng)用場(chǎng)景來看具體可分為電—熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)、電—?dú)饴?lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)、電力—交通聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)三大類，為能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、能效分析、用能預(yù)警等提供便利。

2.4 光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

伴隨著“雙碳”目標(biāo)的落地，“光伏發(fā)電”等綠色低碳技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用愈發(fā)成熟，儼然成為當(dāng)下越來越受歡迎的能源選擇，在儲(chǔ)能技術(shù)原理基礎(chǔ)上，深度結(jié)合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行全過程的有效控制，為光伏儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用邁出了關(guān)鍵的一步。就儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，主要體現(xiàn)在電力調(diào)峰、負(fù)荷響應(yīng)、電能質(zhì)量、微電網(wǎng)等方面。

（1）電力調(diào)峰。電力調(diào)峰是以滿足峰電時(shí)段大功率、集中性等電能需求為出發(fā)點(diǎn)，最大限度控制電網(wǎng)負(fù)荷，此時(shí)儲(chǔ)能裝置結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，在負(fù)荷偏低的節(jié)點(diǎn)中，儲(chǔ)存光伏系統(tǒng)內(nèi)電能，然后在高峰期釋放能源，使電網(wǎng)功率峰值輸出得到很好的保障。

（2）負(fù)荷響應(yīng)。借助儲(chǔ)能技術(shù)，自動(dòng)化調(diào)整電網(wǎng)一些大功率負(fù)荷，這樣即便電網(wǎng)負(fù)荷處于較高的狀態(tài)下，部分電網(wǎng)系統(tǒng)依然能夠交替運(yùn)行[4]。在此期間，有關(guān)部門要高度關(guān)注電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能電站的連接問題，保證至少有一條通信線路得以正常運(yùn)行，這樣既能規(guī)避高功率設(shè)備，又能使負(fù)荷響應(yīng)需求得到更好滿足。

（3）電能質(zhì)量。在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行期間，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)保證光伏電源使用的穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)產(chǎn)生的能源質(zhì)量得到有效保障，發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能技術(shù)配合下對(duì)有源濾波進(jìn)行調(diào)整，在保證電壓穩(wěn)定性的前提下，將相角控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到電能供應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（4）微電網(wǎng)。一般情況下，微電網(wǎng)與電力系統(tǒng)二者屬于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，以光伏發(fā)電系統(tǒng)為載體構(gòu)成微電網(wǎng)，有助于其自身作用的發(fā)揮，為光伏發(fā)電提供安全保障。

3 電氣工程中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用展望

3.1 低成本儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)

就現(xiàn)階段的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用情況來看，應(yīng)用成本高是限制儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用范圍拓寬的主要因素之一，因此如何控制并降低儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用成本，提高儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行效率，順利實(shí)現(xiàn)“低成本，高效率”發(fā)展目標(biāo)，是目前電氣行業(yè)從業(yè)者重點(diǎn)關(guān)注的特點(diǎn)話題。并且，作為電氣工程中的常見技術(shù)手段，儲(chǔ)能技術(shù)的重要性不可忽視，適當(dāng)提高儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用力度，發(fā)揮其技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有助于電力系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的提升，因此，儲(chǔ)能設(shè)備能量轉(zhuǎn)換效率的提高，也是當(dāng)下儲(chǔ)能技術(shù)研究中迫切需要解決的關(guān)鍵話題。

3.2 強(qiáng)化儲(chǔ)能技術(shù)管理

儲(chǔ)能技術(shù)是我國(guó)電力行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向，主要分為觸電與儲(chǔ)熱兩大模塊，往往存在于真實(shí)的市場(chǎng)環(huán)境中，涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在電力工程建設(shè)及電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮著不可忽視的作用。這就需要在市場(chǎng)環(huán)境持續(xù)發(fā)展與變化的同時(shí)，加大儲(chǔ)能技術(shù)管理力度，在市場(chǎng)調(diào)節(jié)作用下，促進(jìn)電力工程對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的合理利用，高效管理能量，更好發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 輸電工作中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)

輸電與配電是電力工程的重要組成，因此在輸電、配電領(lǐng)域加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，在電氣工程中占據(jù)重要地位。在實(shí)務(wù)中，有關(guān)部門要綜合考慮電網(wǎng)工程實(shí)際情況，根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)的類別與特征，對(duì)儲(chǔ)能電源進(jìn)行合理規(guī)劃，促進(jìn)儲(chǔ)能機(jī)組與電網(wǎng)的有效連接，提高電網(wǎng)控制與調(diào)節(jié)技術(shù)水平，在保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，為社會(huì)民眾提供更優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)。

3.4 構(gòu)建可再生能源利用系統(tǒng)

伴隨著世界人口的快速增長(zhǎng)，能源日趨緊張，傳統(tǒng)能源面臨著嚴(yán)重的枯竭問題，對(duì)社會(huì)各行業(yè)帶來巨大影響，針對(duì)即將面臨巨大危機(jī)，想要促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，新能源發(fā)展早已成為當(dāng)下能源危機(jī)問題的有效解決途徑。因此可以說，在電力系統(tǒng)中適當(dāng)引入儲(chǔ)能技術(shù)，通過對(duì)可再生資源與能源的合理利用，能夠進(jìn)一步控制傳統(tǒng)能源枯竭問題，減少能源危機(jī)帶來的幅面影響。然而，目前部分電力企業(yè)所應(yīng)有的供電方式較為陳舊，滯后性明顯，這導(dǎo)致事故與災(zāi)難發(fā)生時(shí)很難及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)，誘發(fā)更加嚴(yán)重的危害與損失。在這種情況下，電力企業(yè)需要提高對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的重視程度，靈活選擇機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能三大儲(chǔ)能方式，科學(xué)構(gòu)建可再生資源與能源利用系統(tǒng)，積極創(chuàng)新并優(yōu)化傳統(tǒng)的供電方式，大力推進(jìn)分布式供電，改善當(dāng)下電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行期間的不足之處。如此一來，電網(wǎng)系統(tǒng)未來可逐步形成區(qū)域管理模式，供配電過程將更加地具有靈活性、安全及穩(wěn)定性，借助儲(chǔ)能技術(shù)完善供電方式，推進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，儲(chǔ)能技術(shù)是未來能源系統(tǒng)革新發(fā)展的前提基礎(chǔ)，也是智能電網(wǎng)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)，在我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位。在新時(shí)代背景下，各地區(qū)電網(wǎng)企業(yè)要給予儲(chǔ)能技術(shù)高度重視，準(zhǔn)確掌握新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與具體類型，找準(zhǔn)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，靈活應(yīng)用在電力工程的各個(gè)領(lǐng)域中，充分發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，加大低成本儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)力度，強(qiáng)化儲(chǔ)能技術(shù)管理，構(gòu)建可再生能源應(yīng)用系統(tǒng)，為我國(guó)電力行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供有力保障。