淺談電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)用戶側(cè)的應(yīng)用

凌震宇

上海電力綠色能源有限公司 上海 200126

引言

自20世紀(jì)90年代起，我國(guó)已經(jīng)逐漸針對(duì)電力需求側(cè)管理技術(shù)進(jìn)行大力推廣，而電力需求側(cè)在管理工作中主要是針對(duì)企業(yè)或者是終端用戶實(shí)現(xiàn)的精細(xì)化管理以及對(duì)企業(yè)用電進(jìn)行全方位管理。在當(dāng)前電力系統(tǒng)節(jié)能服務(wù)工作中，企業(yè)越來(lái)越重視用戶側(cè)的節(jié)能手段，在該過(guò)程中逐漸產(chǎn)生可觀的收益。并且作為以節(jié)能服務(wù)為主的相關(guān)企業(yè)，以用戶側(cè)作為節(jié)能工作的重心逐漸成為當(dāng)前新興行業(yè)的重要節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)用戶當(dāng)前節(jié)能狀況，以及用戶潛在的節(jié)能潛力，提出更加高效的節(jié)能減排方案。過(guò)去在電力系統(tǒng)中，發(fā)電、用電可以同時(shí)進(jìn)行，如此導(dǎo)致在用電高峰的時(shí)候所造成的發(fā)電壓力是非常大的，但是在用電低谷的時(shí)候往往又出現(xiàn)大量的電力被閑置，導(dǎo)致大量電力資源被浪費(fèi)。電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以幫助電力系統(tǒng)中生產(chǎn)調(diào)動(dòng)更加順利，可以有效地提高電力設(shè)備利用率，降低電網(wǎng)壓力，在電力系統(tǒng)應(yīng)用中更好的保證用電安全，降低故障發(fā)生的概率，如此不僅可以降低電網(wǎng)建設(shè)以及電網(wǎng)維護(hù)的資金投入，并且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的外延擴(kuò)張性的發(fā)展模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)涵增效型，在電力系統(tǒng)用戶側(cè)的應(yīng)用更加廣泛、高效。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的意義與作用

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)能源供應(yīng)中主要以煤炭能源為主，但是目前世界上煤炭能源逐漸匱乏，并且生態(tài)環(huán)境也在不斷的惡化之中，所以新能源技術(shù)的研究與發(fā)展是必然趨勢(shì)，新能源發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模正在不斷的擴(kuò)大，在當(dāng)前電力應(yīng)用中所發(fā)揮的角色越來(lái)越重要。在傳統(tǒng)的發(fā)電模式中，比如火力發(fā)電，一般根據(jù)電網(wǎng)的用電需求整個(gè)過(guò)程需要進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電以及用電等幾個(gè)步驟進(jìn)行電力的調(diào)度和調(diào)整；而新能源，例如風(fēng)能、太陽(yáng)能等為基礎(chǔ)的新能源技術(shù)更多的是依賴自然資源，所以受自然環(huán)境的影響比較大，整個(gè)發(fā)電過(guò)程的波動(dòng)性和間歇性比較明顯，因此在發(fā)電過(guò)程中想要進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)控制比較困難，并且將此類(lèi)電力發(fā)電并網(wǎng)之后所帶來(lái)的不利影響也是巨大的。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于新能源發(fā)電的波動(dòng)性以及間歇性可以起到很好的緩解作用，從而使得電網(wǎng)的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，尤其是在用戶側(cè)應(yīng)用中更加穩(wěn)定，大大提高用電效率，降低自然環(huán)境對(duì)新能源發(fā)電的影響，讓其優(yōu)勢(shì)更加突出。

在傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電中，電網(wǎng)負(fù)荷始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，也不會(huì)發(fā)生儲(chǔ)能問(wèn)題，但是電力的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)所帶來(lái)的問(wèn)題是用電高峰會(huì)面臨巨大的用電壓力，而在用電低谷會(huì)造成大量的電力資源被浪費(fèi)，所以這種供電模式已經(jīng)逐漸不適用于當(dāng)前新興社會(huì)發(fā)展模式，尤其是對(duì)于之后的電力調(diào)度管理以及安全維護(hù)等工作帶來(lái)了更多的不便之處。同時(shí)伴隨著電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越重要，想要維持用電高峰期的用電穩(wěn)定性，必然需要投入大量的資金用于輸電設(shè)備購(gòu)置，導(dǎo)致電力設(shè)備的總利用降低，提高用電成本。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的引入，不僅有效的提高電力應(yīng)用率，供電用電不會(huì)在同一時(shí)段產(chǎn)生波峰，因此對(duì)維持電力平衡狀態(tài)有著極為重要的意義。在這種新的儲(chǔ)能理念的推動(dòng)之下電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、輸配電調(diào)度等也將發(fā)生根本性的變革。

2 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

所謂的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)際上就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換，借此進(jìn)行能量存儲(chǔ)。電池是在電化學(xué)儲(chǔ)能中最常用的載體之一。而電池發(fā)展至今種類(lèi)眾多，并且其內(nèi)部材料以及工作原理都存在非常大的區(qū)別，但是其內(nèi)部核心大同小異，基本都是由正極、負(fù)極、隔膜以及電解質(zhì)組成。其儲(chǔ)能的過(guò)程為化學(xué)反應(yīng)正極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是當(dāng)前一種被廣泛關(guān)注的儲(chǔ)能形式，使用該儲(chǔ)能方法的優(yōu)勢(shì)是根據(jù)不同的應(yīng)用需求自由的進(jìn)行配置，受地理因素的限制非常小，在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用中非常適合，但是使用電化學(xué)儲(chǔ)能的缺點(diǎn)是使用壽命比較短，并且成本比較高，這是目前電池在實(shí)際應(yīng)用中的最大阻礙。目前鋰離子電池、鉛酸電池等相關(guān)研究逐漸趨于成熟，而大規(guī)模儲(chǔ)能電池如鈉硫電池、全釩液流電池等也取得了一定的研究成果。

3 用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用

3.1 充電站

目前在用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用中比較常用場(chǎng)景為光儲(chǔ)充一體化應(yīng)用，使用該體系的主要優(yōu)勢(shì)為不僅可以有效緩解在充電高峰期充電樁在大量應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的大電流充電區(qū)域?qū)τ陔娋W(wǎng)所造成的沖擊，另一方面可以通過(guò)電力應(yīng)用峰谷差價(jià)為充電站的應(yīng)用帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益，目前充電站已經(jīng)在各大區(qū)域試點(diǎn)建設(shè)。

3.2 用戶側(cè)儲(chǔ)能電池的選擇

目前在用戶側(cè)儲(chǔ)能電池選擇中因?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟并且適用范圍比較廣，因此應(yīng)用也相對(duì)比較廣泛。綜合電池各方面的指標(biāo)以及用戶側(cè)使用的基本情況統(tǒng)計(jì)分析，不同電池的應(yīng)用性能對(duì)比如下：首先全釩電池具有非常高的循環(huán)次數(shù)，但是全釩電池的能量密度低，需要維護(hù)的成本比較高，而鋅鎳電池其本身的性質(zhì)存在問(wèn)題，所以在實(shí)際應(yīng)用中很難進(jìn)行推廣。而鉛炭電池在初期使用中由于其成本相對(duì)較低，并且可以回收利用被廣泛應(yīng)用，通常鉛炭電池的折舊回收率大約為30%，其成本優(yōu)勢(shì)還是十分明顯的，但是在實(shí)際應(yīng)用中鉛炭電池的充放電倍率較低，每天僅能完成充放電一次，而且鉛炭電池的占地面積比較大，造成的環(huán)境壓力比較大。目前比較流行并且應(yīng)用比較廣泛的電池為鋰電池，鋰電池的優(yōu)勢(shì)為能量較高，尤其是近年來(lái)鋰電池汽車(chē)的發(fā)展，使得鋰電池的研究正在如火如荼的進(jìn)行當(dāng)中，在未來(lái)其成本的下降空間還是很大的，但是和磷酸鐵鋰電池相比較來(lái)說(shuō)三元鋰電池在應(yīng)用中引發(fā)火災(zāi)的可能性較大，所以在大規(guī)模調(diào)峰儲(chǔ)能電站中并不適用。

4 電化學(xué)儲(chǔ)能效益分析

4.1 儲(chǔ)能削峰填谷以及發(fā)電容量效應(yīng)

理論上電力系統(tǒng)的最大裝機(jī)量的判定標(biāo)準(zhǔn)是最大發(fā)電負(fù)荷進(jìn)行，如果說(shuō)負(fù)荷曲線的頂端尖峰部分負(fù)荷維持的時(shí)間比較短，也就是說(shuō)可以通過(guò)削峰填谷的方式降低發(fā)電裝機(jī)容量，以此來(lái)降低建設(shè)成本，通過(guò)該方法不僅可以有效提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)也可以降低檢修費(fèi)用，提高使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 提高緊急事故備用

伴隨著用電需求的增加，超高壓直流電大規(guī)模介入，而受端電網(wǎng)基本使用直流電取代大量常規(guī)機(jī)組，使得系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降，電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)在于可以快速啟動(dòng)，從空載到滿載的時(shí)間可以控制在秒級(jí)，因此作為緊急事故備用再合適不過(guò)，可以有效防止電力系統(tǒng)崩潰。

4.3 提高新能源的發(fā)電滲透率

伴隨著我國(guó)能源需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)發(fā)電模式受各種原因影響逐漸被新能源發(fā)電取代，但是光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電受自然因素影響較大，間歇性和隨機(jī)性是自身固有屬性，無(wú)法向傳統(tǒng)發(fā)電模式一樣制定準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃，如此在電網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候其壓力可想而知。而電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用可以有效彌補(bǔ)其間歇性和隨機(jī)性，有助于平衡負(fù)荷波動(dòng)，降低新能源在并網(wǎng)的時(shí)候?qū)﹄娋W(wǎng)正常運(yùn)行的影響，提高其發(fā)電滲透率。

5 實(shí)施案例

以國(guó)內(nèi)某小鎮(zhèn)為例：化學(xué)儲(chǔ)能容量為1MW/6MWh，每250kW/1500kWh為一個(gè)單元，共計(jì)4個(gè)單元。每個(gè)單元電池分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)1臺(tái)250kW變流器與微網(wǎng)直流配電系統(tǒng)換能柜相連，變流器可實(shí)現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換：在充電狀態(tài)時(shí)，變流器將電能從交流整流為直流儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中；在放電狀態(tài)時(shí)，變流器將儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的電能逆變?yōu)榻涣魉瓦M(jìn)配電網(wǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲(chǔ)能雙向變流裝置（PCS）、儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)等組成。在外部電源失電的情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)還能作為后備電源為整個(gè)小鎮(zhèn)的電網(wǎng)系統(tǒng)的重要負(fù)荷不間斷電，同時(shí)在離網(wǎng)狀態(tài)下，提供微電網(wǎng)電壓電流支撐。通過(guò)本項(xiàng)目的建設(shè)可以探索儲(chǔ)能電站交叉使用的模式，實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)電網(wǎng)及用戶互利共贏局面。

6 總結(jié)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造過(guò)程中儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的重要性在智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要性愈發(fā)凸顯，目前相對(duì)比較成熟的是抽水儲(chǔ)能，但是發(fā)展前景最為廣闊的便是電化學(xué)儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)穩(wěn)定性的維持和微網(wǎng)可再生發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于電力用戶來(lái)說(shuō)，化學(xué)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可以在電網(wǎng)常規(guī)電源故障情況下提供快速及時(shí)的電力響應(yīng)，保障用戶的用電可靠性?；瘜W(xué)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)對(duì)園區(qū)電力缺口具有重要貢獻(xiàn)意義，可以減少增加裝機(jī)容量。在作為用戶側(cè)儲(chǔ)能投入使用，同時(shí)還可起到兼顧電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能調(diào)峰作用。

目前在電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用中最為廣泛的就是鋰離子電池，但是在實(shí)際應(yīng)用中電池的使用安全性需要進(jìn)一步提高，而成本需要進(jìn)一步降低。在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中比較具有發(fā)展前景的是鉛炭電池，但是其制作工藝和負(fù)極析氫問(wèn)題還需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源是息息相關(guān)的，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源供應(yīng)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展能源需求，能源行業(yè)也在面臨著行業(yè)改革，電力行業(yè)的發(fā)展速度直接影響其他行業(yè)的發(fā)展，在社會(huì)新形勢(shì)發(fā)展背景之下電力行業(yè)想要得到長(zhǎng)足發(fā)展，不需做到不斷加強(qiáng)用戶側(cè)的服務(wù)，提高電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在用戶側(cè)的應(yīng)用，提高能源利用率，降低能耗成本，全面提高企業(yè)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和用戶雙贏。