儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

天津匯豐綜合能源規(guī)劃設(shè)計有限公司 趙 梅

在不可再生能源緊缺和環(huán)境污染問題越發(fā)嚴(yán)峻的情況下，電力行業(yè)在發(fā)展中需要加強對新能源電力系統(tǒng)的開發(fā)和利用力度，且配合科學(xué)儲能技術(shù)來滿足社會發(fā)展對能源的現(xiàn)實需求，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。所以，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)深入研究儲能技術(shù)，明確技術(shù)類型、技術(shù)優(yōu)勢等，進而根據(jù)新型能源電力系統(tǒng)運行實際情況及實際需求，將儲能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)能電力系統(tǒng)、光伏電力系統(tǒng)、機械發(fā)電系統(tǒng)等，以便提高電能質(zhì)量與效率，滿足實際用電需求，同時促進我國電力行業(yè)持續(xù)且良好發(fā)展。

1 新能源發(fā)電發(fā)展概況

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下我國提出了“雙碳”目標(biāo)，加大新能源發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用力度。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示，截至2022年12月我國風(fēng)電裝機總?cè)萘繛?.6544×108kW，同比增長率為11.2%；新增裝機容量為3.763×107kW，同比減少21%。2021年我國風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)達到6.526×1011kW，同比增長率為40.5%；2022年1～11月風(fēng)力發(fā)電量累積為6.1448×1011kW，累積增速12.2%（見表1）。

表1 風(fēng)力發(fā)電統(tǒng)計分析

當(dāng)前，在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，國民生活水平不斷提高，智能家居需求顯著提高，加之我國工業(yè)、服務(wù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，這使得國內(nèi)用電需求持續(xù)攀升。此種情況下，為能夠改變煤炭燃燒發(fā)電等傳統(tǒng)發(fā)電弊端，促進電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，新能源電力系統(tǒng)發(fā)電備受重視，且近些年發(fā)展態(tài)勢良好。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來講，在國家政策支持、用電需求不斷攀升等多方面影響下，未來新能源發(fā)電勢在必行，并且占比不斷擴大，以促進電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。

2 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 可有效抑制風(fēng)電并網(wǎng)的功率

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致其并網(wǎng)功率波動性較大，同時給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來一定的負(fù)面影響。儲能技術(shù)可通過將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的過剩電力存儲起來，從而緩解并網(wǎng)功率的波動。也就是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過當(dāng)前需求時，過剩電力可以被存儲在儲能設(shè)備中，而不是直接注入電力系統(tǒng)；當(dāng)電力需求超過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)能時，儲能設(shè)備可以釋放存儲的電力，以滿足系統(tǒng)的需求。

這種靈活性和可控性可降低風(fēng)力并網(wǎng)功率的波動性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，儲能技術(shù)還可提供靈活的電力調(diào)度能力。通過儲能設(shè)備的充放電控制，可以在電力需求高峰期存儲電力，并在低谷期釋放電力，以平衡電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求。這可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行效率，降低電力系統(tǒng)的運行成本。

2.2 穩(wěn)定電力系統(tǒng)的頻率

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電力的供應(yīng)和需求必須保持平衡，以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。然而，隨著新能源的大規(guī)模接入，其不可控性和間歇性導(dǎo)致了電力系統(tǒng)頻率的波動。這就需要一種手段來平衡供需之間的差異，以保持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。儲能技術(shù)可有效減少因新能源不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)頻率波動。其可以充當(dāng)電力系統(tǒng)的緩沖器，吸收或釋放電能，以維持系統(tǒng)的頻率在合理范圍內(nèi)。通過合理配置和管理儲能設(shè)備，可以實現(xiàn)快速響應(yīng)，保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。此外，儲能技術(shù)的有效應(yīng)用，還可作為備用電源，當(dāng)主要電源出現(xiàn)故障或供電不足時，及時提供電能，確保電力系統(tǒng)的正常運行[2]。

2.3 優(yōu)化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量

新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中會出現(xiàn)電壓降落或閃變等問題，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。而將儲能技術(shù)應(yīng)用于新能源電力系統(tǒng)之中，可以解決以上問題，提高電能質(zhì)量。因此，儲能技術(shù)可提供穩(wěn)定的電壓和頻率，減少電力系統(tǒng)中的電能波動和電壓波動。這有助于改善電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)中的諧波和電壓浪涌等問題，保證用戶用電質(zhì)量。

3 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)實踐應(yīng)用

3.1 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)類型

3.1.1 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)是一種高效的儲能技術(shù)，是利用旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能轉(zhuǎn)化為機械能進行儲存，然后在需要時將機械能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。將該項技術(shù)應(yīng)用于新能源電力系統(tǒng)之中可發(fā)揮諸多優(yōu)勢，即由于飛輪儲能系統(tǒng)沒有化學(xué)反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換過程，能量轉(zhuǎn)換效率高，通?？梢赃_到85%以上；由于旋轉(zhuǎn)的飛輪能夠迅速儲存和釋放能量，飛輪儲能系統(tǒng)的響應(yīng)時間短，可以在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，這使得飛輪儲能系統(tǒng)適用于瞬時能量需求大的應(yīng)用，將其應(yīng)用于新能源電力系統(tǒng)之中可調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率、均衡電力負(fù)荷等；由于飛輪的高速旋轉(zhuǎn)特性，飛輪儲能系統(tǒng)可以在單位體積內(nèi)儲存大量能量，并且能夠迅速釋放出來，滿足高功率的需求，這使得飛輪儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中可有效地平衡電力的供需關(guān)系。但在實際應(yīng)用飛輪儲能技術(shù)時，需要考慮成本、良好的機械支撐和旋轉(zhuǎn)平衡控制等方面要素。

3.1.2 相變儲能技術(shù)

相變儲能技術(shù)是新能源電力系統(tǒng)中的一種重要技術(shù)，可以解決新能源電力系統(tǒng)的供需不平衡、能源調(diào)度等問題。目前，所推出的相變儲能技術(shù)有多種，比如水泵蓄能技術(shù)、壓縮空氣儲能技術(shù)、燃料電池儲能技術(shù)等。不同相變儲能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢不盡相同，需要根據(jù)新能源電力系統(tǒng)運行需求，選擇適合的技術(shù)類型。比如，新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用水泵蓄能技術(shù)，主要是利用電力將水泵抬升至高處，并在需要能量時通過釋放水勢來產(chǎn)生電能；另外，新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用壓縮空氣儲能技術(shù)，可利用電力將空氣壓縮到儲氣罐中，當(dāng)需要能量時，釋放壓縮空氣驅(qū)動渦輪發(fā)電機產(chǎn)生電能[3]。

3.1.3 抽水儲能技術(shù)

抽水儲能技術(shù)是一種在新能源電力系統(tǒng)中廣泛使用的儲能方式。其利用電力供過于求時，將多余電力用于抽取水，并將之儲存在高海拔水庫中，當(dāng)需要電力時，通過釋放儲存的水能，將其轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)電網(wǎng)。將其應(yīng)用于新能源電力系統(tǒng)之中可發(fā)揮的優(yōu)勢有以下幾點。

一是高度的電能轉(zhuǎn)化效率。在抽水時，電能轉(zhuǎn)化為水能時損失較小，而釋放儲存的水能時，水能能夠高效轉(zhuǎn)化為電能。二是靈活地調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。當(dāng)電力供需不平衡時，可以通過控制抽水儲能系統(tǒng)的輸出來滿足需求。三是較長的儲能時間。水能的儲存時間可以根據(jù)需要進行調(diào)整，從幾小時到幾天不等。這可以平衡不穩(wěn)定的新能源發(fā)電量，彌補風(fēng)力和太陽能等可再生能源的波動性；可以提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少能源供應(yīng)中斷的風(fēng)險；還可以提供調(diào)頻、備用、削峰填谷等電網(wǎng)服務(wù)，增加電力系統(tǒng)的靈活性和可調(diào)度性。

3.1.4 化學(xué)儲能技術(shù)

化學(xué)儲能技術(shù)包括鋰電池、鈉硫電池以及液流電池等。首先是鋰電池。鋰電池在儲能效率上較高，可以達到85%，目前也是應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)。其優(yōu)點是具備儲放能更高效、能量密集程度大，且在使用過程中安全系數(shù)較高，而缺點則是前期成本投入高。其次是鈉硫電池。鈉硫電池在儲能效率上較低，但成本相對便宜。并且，鈉硫電池應(yīng)用過程卻有諸多限制，比如循環(huán)壽命也不高。

最后是液流電池。液流蓄電池是一種高性能蓄電池，通過增大電解液的濃度和體積的方式能提高液流電池的存儲容量，且具有靈活的電池配置和強大的放電過程安全性。但缺點是維護難度大，在一定程度上限制了液流電池的推廣和應(yīng)用。

3.2 新能源電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)實踐應(yīng)用

3.2.1 風(fēng)能電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用

隨著風(fēng)能發(fā)電的快速發(fā)展，儲能技術(shù)在風(fēng)能電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。儲能技術(shù)可解決風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性問題，使得風(fēng)能電力系統(tǒng)能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。為了能夠?qū)δ芗夹g(shù)的應(yīng)用價值充分發(fā)揮出來，應(yīng)根據(jù)風(fēng)能電力系統(tǒng)運行需求，應(yīng)用適合的技術(shù)類型，即電池儲能技術(shù)，以便在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行中，可以將多余的電力轉(zhuǎn)換成電能存儲起來，以備不時之需；當(dāng)風(fēng)力不足時儲能電池可以釋放儲存的電能，提供持續(xù)穩(wěn)定的電力輸出。

除此之外，也可將動力儲存技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)能電力系統(tǒng)之中，通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能來儲存能量。例如，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以將多余的電力用來帶動液壓發(fā)電機抽取水，把水儲存在高處的水庫中，當(dāng)需要輸出電力時，水可以從水庫中釋放，通過液壓機轉(zhuǎn)化為電能。相對而言，一些山區(qū)或者水資源豐富的地區(qū)風(fēng)能電力系統(tǒng)中更適合應(yīng)用動力儲能技術(shù)，可切實有效地解決能量存儲問題[4]。

3.2.2 光伏電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用

光伏電力系統(tǒng)主要是通過合理利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并且將電能轉(zhuǎn)化為直流電，從而滿足實際需求。將儲能技術(shù)應(yīng)用于光伏電力系統(tǒng)之中，主要是在該系統(tǒng)內(nèi)電池輸出功率產(chǎn)生波動時，通過運行儲能系統(tǒng)來為光伏電力系統(tǒng)提供瞬時功率，促使該系統(tǒng)保持平穩(wěn)的運行狀態(tài)。為了確保儲能系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用，相關(guān)工作人員在具體進行光伏電力系統(tǒng)安裝過程中應(yīng)當(dāng)采用化學(xué)儲能技術(shù)，也就是通過鉛酸電池或者鋰電池儲能方式來設(shè)置儲能系統(tǒng)，以便提高該系統(tǒng)的安全性、可靠性及規(guī)范性。

需要特別注意的是鉛酸電池儲能設(shè)置時，相關(guān)工作人員應(yīng)明確電池的正負(fù)極構(gòu)成，將負(fù)極視為酸性蓄電池、正極視為二氧化鉛蓄電。之后利用電磁流的運行路徑，將陰離子、陽離子分別放入負(fù)極、正極中，陰、陽離子經(jīng)過長時間的負(fù)載，精準(zhǔn)展現(xiàn)出對應(yīng)的點和流動方向，相應(yīng)地可大大提高強酸儲能的放電效果。

3.2.3 機械發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用

保障機械發(fā)電系統(tǒng)良好運行的關(guān)鍵點是合理地進行機械能與電能的轉(zhuǎn)換。無論是從機械能轉(zhuǎn)化為電能，還是電能轉(zhuǎn)化為機械能，要想提高能量循環(huán)質(zhì)量，在機械發(fā)電系統(tǒng)中需要科學(xué)合理地應(yīng)用物理儲能技術(shù)，也就是壓縮空氣儲能。為了保障壓縮空氣儲能效果良好，需要相關(guān)工作人員能夠熟練掌握各種設(shè)備的用途，包括電動機、壓縮機、發(fā)電機，等等。然后根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及實際情況，科學(xué)合理地進行各種設(shè)備的設(shè)置，從而提高整體運行效果。

3.3 儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理念指導(dǎo)下，未來我國將大力發(fā)展新能源電力系統(tǒng)，促進電力行業(yè)持續(xù)且良好發(fā)展。目前，就新能源電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢及儲能技術(shù)應(yīng)用實際情況來看，未來將開發(fā)具有高能量密度、高功率的多元化電力儲能系統(tǒng)，將超級電容與儲能電池相結(jié)合；還要重點解決協(xié)調(diào)控制問題、優(yōu)化配置問題等，以便新能源電力系統(tǒng)在電力儲能系統(tǒng)的輔助下高效且穩(wěn)定運行。

綜上所述，新時期我國電力行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，需要從傳統(tǒng)發(fā)電逐步向新能源發(fā)電轉(zhuǎn)變，以便促進該行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但從近些年我國新能源電力系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的實際情況來看，雖然已經(jīng)取得顯著成效，但依舊存在一些有待解決的問題，比如風(fēng)電并網(wǎng)的功率不穩(wěn)定，等等。對此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)新能源電力系統(tǒng)的實際需求，將儲能技術(shù)有效應(yīng)用于風(fēng)能電力系統(tǒng)、光伏電力系統(tǒng)或機械發(fā)電系統(tǒng)之中，良好地進行新能源發(fā)展，助力電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。