多重應(yīng)用場景下的新能源電力系統(tǒng)儲能技術(shù)研究

南京南瑞繼保電氣有限公司、南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 朱 濤

1 引言

傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)中，由于儲能類型單一，沒有其他儲能方式，電化學(xué)儲能變成主要的儲能方式，但是儲能技術(shù)不斷在發(fā)展，在電力系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)通過不同類型儲能系統(tǒng)，一起接入電力系統(tǒng)中。當(dāng)前，有兩種能源可一起大規(guī)模接入電力系統(tǒng)中，分別是新能源與可再生能源，在儲能技術(shù)中，技術(shù)路線并不具備多元化，主要路線比較單一，沒有將儲能技術(shù)應(yīng)用在多重場景中，針對新的電力系統(tǒng)儲能需求，當(dāng)前的技術(shù)路線已經(jīng)無法滿足。為此，本文將根據(jù)多重不同儲能技術(shù)的優(yōu)勢，為新能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供出相應(yīng)技術(shù)，以適應(yīng)未來發(fā)展的趨勢。

2 儲能技術(shù)的重要意義

2.1 符合新的電力能源結(jié)構(gòu)變革

“雙碳”主要指碳達(dá)峰與碳中和，“雙碳”目標(biāo)給我國能源結(jié)構(gòu)帶來了新的變化。為了達(dá)到“雙碳”的目標(biāo)，當(dāng)前電力能源結(jié)構(gòu)主要以化石能源為體系，這種體系將會被發(fā)展快速的新一代能源取代，例如風(fēng)力、光電、潮汐能和地?zé)崮艿?。新能源具有兩個特點(diǎn)，分別是隨機(jī)性和波動性，在其固有的實時供需平衡特性之間形成了自然的矛盾，從而導(dǎo)致未來以新能源為主要裝機(jī)類型的供電系統(tǒng)，在確保系統(tǒng)的順利運(yùn)行必然會遇到前所未有的挑戰(zhàn)[1]。在這方面，儲能作為調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的具有彈性的資源，需要考慮新能源接入電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定問題，但儲能作為彈性資源可以解決一些重要的問題，比如出現(xiàn)大規(guī)模的新能源系統(tǒng)，導(dǎo)致穩(wěn)定性出現(xiàn)一些問題，對于電力系統(tǒng)來說，這也是提高新能源吸納容量的主要方式。

2.2 電力系統(tǒng)容量資源的進(jìn)一步限制

隨著電力負(fù)荷的增加，電力系統(tǒng)面臨著巨大的擴(kuò)展需求，這是由于輸電、變電和配電各個環(huán)節(jié)的負(fù)荷增加所致。同時，由于土地資源有限，征收越來越困難，對環(huán)境要求提高，出現(xiàn)了許多矛盾，比如傳統(tǒng)電力系統(tǒng)依賴于新建線路、變電站、配電系統(tǒng)和電容擴(kuò)大，矛盾不斷增加，使差距逐漸增大[2]。儲能系統(tǒng)作為一種可調(diào)、靈活的資源，有利于改善負(fù)荷峰谷特性，緩解峰值負(fù)荷與電網(wǎng)容量的矛盾，增加電網(wǎng)向等效輸電容量輸送的電能。因此，儲能是提高電力系統(tǒng)負(fù)荷性能、提高其利用效率的重要手段。

2.3 能夠滿足更高的用電質(zhì)量需求

此外，國家發(fā)展和改革委員會以及國家能源總局針對優(yōu)化用電環(huán)境，還明確了電力用戶對供電可靠性和質(zhì)量的要求。精密制造業(yè)一直以來不斷發(fā)展，與此同時帶動了電力消費(fèi)者對側(cè)電能替代的不斷推進(jìn)，電力消費(fèi)者對電能質(zhì)量與以往相比，提出越來越高的用電質(zhì)量要求，儲備能源的引入將提高用戶側(cè)配電電源的可用性，并提高其供電可靠性、用電效率、電能質(zhì)量以及預(yù)防災(zāi)害的能力。

3 儲能技術(shù)的方式

3.1 飛輪儲能方式

飛輪儲能實現(xiàn)儲能的前提是將旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)動能做一定的處理，直接轉(zhuǎn)化為儲能，飛輪儲能釋放電能需要通過動能轉(zhuǎn)換為實際動能，并將動能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過這一過程才能釋放電能，但前提需要以電極的驅(qū)動使飛輪獲得一定的速度[3]。真空環(huán)境不僅對風(fēng)的阻力有一定的阻擋能力，同時也有效降低了動能損耗，保證了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速度以及系統(tǒng)使用壽命。此外，還可以減少環(huán)境對系統(tǒng)的影響，但在使用過程中也有一定的缺陷，為維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的安全，需要投入大量資金。

3.2 抽水儲能方式

當(dāng)前，抽水儲能發(fā)展非常迅速，與其他儲能技術(shù)相比，抽水儲能技術(shù)是比較成熟的一種儲能方式，有效實現(xiàn)抽水儲能，我國一些地方都已經(jīng)使用了此技術(shù)，具體見表1。需要在堤壩上游建設(shè)一個水庫，還要協(xié)調(diào)下游的水庫。在電力負(fù)荷較低的情況下，用抽水裝置進(jìn)行抽水，將來自下游水庫的水直接抽到在上游水庫中，以此實現(xiàn)抽水儲能。相反，當(dāng)電力負(fù)荷較高的情況下，只能依靠上游水庫實現(xiàn)發(fā)電，但是這種方式的能量轉(zhuǎn)換率不高，一般只能達(dá)到75%，而且會面臨較多困難。針對建設(shè)水庫的位置，選址比較嚴(yán)苛，并且不能在短時間內(nèi)修建，動態(tài)調(diào)整難度比較大，想要進(jìn)行大規(guī)模推廣與應(yīng)用比較困難[4]。由于目前進(jìn)行的水力儲能建設(shè)，水泵站的全球容量占全球電站裝機(jī)總?cè)萘康?%。由于抽水儲能選址和輸送電力的環(huán)境要求很高，地形環(huán)境往往使其遠(yuǎn)離所使用的地區(qū)，儲存和輸送能源也會大量耗竭。

表1 我國部分抽水蓄能電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.3 壓縮空氣儲能方式

壓縮空氣儲能技術(shù)與其他儲能技術(shù)相比，應(yīng)用前景較好，并且可以大規(guī)模進(jìn)行推廣與使用，具體如圖1所示。壓縮空氣儲能方式可以將多余的電能實現(xiàn)儲能，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低的情況下，壓縮空氣儲能技術(shù)可以將空氣實施壓縮操作，相反，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加的情況下，從原有儲存的壓縮空氣完全釋放，促進(jìn)汽輪機(jī)實現(xiàn)發(fā)電，保證供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。壓縮空氣儲存方式具有多種特點(diǎn)，不僅響應(yīng)快，而且使用壽命長，儲能效率高，其轉(zhuǎn)化效率一般情況下能夠達(dá)到70%以上，在未來，這種方式有著較大的發(fā)展前景，然而這種儲能方式主要用于系統(tǒng)冗余和電力峰值調(diào)節(jié)等領(lǐng)域，也有選址結(jié)構(gòu)與地形環(huán)境要求。

圖1 壓縮空氣儲能技術(shù)

3.4 電化學(xué)儲能方式

電化學(xué)儲能主要是通過化學(xué)方法實現(xiàn)儲能，實現(xiàn)儲能一般會用到許多不同類型的電池，比如鈉硫電池、液體電池以及鉛酸電池等。其中，鉛酸電池是最常見的電池，液流電池與其他電池相比有一定的優(yōu)勢，但是使用最廣泛的是鉛酸電池，儲能類型綜合比較見表2。電化學(xué)儲能電池提高電池容量，可以通過串并聯(lián)形成電池組這種方式，但是電化學(xué)儲能電池有一個缺點(diǎn)，使用壽命較短，一旦使用完畢，可能還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[5]。目前，涉及電化學(xué)儲能的研究越來越多，特別是近年來涉及能量分布和廣泛分布的電化學(xué)儲能逐漸出現(xiàn)體積小、易于調(diào)配、可靈活搭配等優(yōu)點(diǎn)，在分布式能源開發(fā)應(yīng)用的同時，消納能力不斷提高，這可以有效降低負(fù)荷峰谷。

表2 儲能類型綜合比較

4 儲能技術(shù)定位

在電力系統(tǒng)中，將儲能技術(shù)引入可以作為一種轉(zhuǎn)換電能與儲備的設(shè)備，不僅可以有效解決新能源中的兩個特性，也能在電力系統(tǒng)功率中將供需進(jìn)行實時平衡，這兩種特性分別是隨機(jī)性與波動性，儲能系統(tǒng)可以是一種具有靈活性的資源調(diào)節(jié)，可以針對功率尺度對供需實時矛盾進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對電力系統(tǒng)的不同時間尺度的供需能夠滿足，儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的主要作用見表3。因此，各種儲能技術(shù)的主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)可分為功率、續(xù)航時間、反應(yīng)速度等領(lǐng)域，儲能系統(tǒng)對電力的需求可分為多個應(yīng)用場景，具體有以下幾個應(yīng)用場景。

表3 儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的作用分析

一是典型的儲能工藝路線包括飛輪和超電容儲能器的能量，一般要求儲能器具備快速反應(yīng)能力，以提供系統(tǒng)阻尼和額外的調(diào)頻。

二是在應(yīng)用場景中，為了平滑新能源的功率波動，提高配電設(shè)備的使用效率，必須使存儲器能夠快速響應(yīng)，同時適應(yīng)頻繁的電荷和放電轉(zhuǎn)換，具有代表性的技術(shù)路線是典型的鋰電池電化學(xué)后備能源。

三是對于大型電網(wǎng)充氣峰值、負(fù)荷調(diào)節(jié)等，需要大功率、大容量、長存儲時間來支持應(yīng)用場景，需要儲能系統(tǒng)具有較高的吞吐量、良好的使用壽命以及良好的資源環(huán)境特點(diǎn)，因此結(jié)合現(xiàn)有的儲能技術(shù)路線，提出電化學(xué)儲能和超容量相結(jié)合的組合儲能的應(yīng)用方案，滿足大功率、大功率需求是必要的。

5 多重應(yīng)用場景下新能源電力系統(tǒng)的儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲存能源在建設(shè)新型電力系統(tǒng)與“雙碳”的背景之下，是適應(yīng)未來大規(guī)模獲得可再生能源、加強(qiáng)能源系統(tǒng)監(jiān)管能力的必要而靈活的資源。儲能技術(shù)路線多種多樣，未來多型電力系統(tǒng)的聯(lián)合連接將是常態(tài)。因此，電池的部署也將從一種到多種類型。而鋰電池與超電容電池是不同的電池類型，但是可以互相結(jié)合，成為一種混合儲能技術(shù)，該技術(shù)可以將鋰電池的能量與超電容相結(jié)合，同時提供更大的功率和更高的能量輸出。由于未來儲能系統(tǒng)的接入將與分布式電源和負(fù)載深度集成，新能源電力系統(tǒng)儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這個單元的主要部件是提供分布式儲能的超電容器和鋰電池。進(jìn)入儲能器配電單元的超電容器在新電力系統(tǒng)的直流母線上直接耦合，通過逆變器單元與超電容器連接，可以使儲能器之間不會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

圖2 多重應(yīng)用場景下新能源電力系統(tǒng)儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語

總之，新能源電力系統(tǒng)儲能技術(shù)還不能滿足當(dāng)前需求，因此要不斷更新技術(shù)，對新能源技術(shù)進(jìn)行分析，在多重應(yīng)用場景中，需要不斷完善能源電力系統(tǒng)組件，推動新能源市場不斷發(fā)展。