不同電壓等級配電網(wǎng)中電力儲能技術(shù)的應(yīng)用

徐 曼

（南京國聯(lián)電力工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 配電網(wǎng)與電力儲能技術(shù)概述

1.1 配電網(wǎng)的定義

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能分配給終端用戶，它包括了高、中、低壓電網(wǎng)，以及相應(yīng)的變電站和配電設(shè)備[1]。配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包括供電側(cè)和用電側(cè)，在現(xiàn)代能源體系中配電網(wǎng)扮演著連接各類能源與終端用戶的關(guān)鍵角色，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用。

1.2 電力儲能技術(shù)的定義

電力儲能技術(shù)是一種能夠在電網(wǎng)中存儲電能，并在需要時(shí)釋放的關(guān)鍵技術(shù)，其作用類似于電池，可以在能源充裕時(shí)將多余的電能存儲起來，然后在能源短缺或高峰期時(shí)釋放出來以滿足需求，電力儲能技術(shù)的種類繁多，包括了化學(xué)儲能、機(jī)械儲能、熱能儲能等多個(gè)方面[2]。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)和新能源技術(shù)的快速發(fā)展，電力儲能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

2 低壓配電網(wǎng)中電力儲能技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 低壓配電網(wǎng)特點(diǎn)

低壓配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中最接近終端用戶的一級配電網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)在于其承載著直接為居民、商業(yè)建筑和小型工業(yè)提供電能的任務(wù)。低壓配電網(wǎng)的容量特點(diǎn)值得關(guān)注，相對于高壓和中壓配電網(wǎng)，低壓配電網(wǎng)的電壓級別相對較低，通常在220V 或者380V[3]。這決定了其承載能力相對有限，適用于小功率的終端用戶，這也意味著在低壓配電網(wǎng)中，更需要借助電力儲能技術(shù)來平衡供需之間的差異，確保電能的穩(wěn)定供應(yīng)。低壓配電網(wǎng)的穩(wěn)定性特點(diǎn)是值得重視的方面，由于低壓配電網(wǎng)接近終端用戶，其受到的電能負(fù)荷波動更為顯著，尤其在高峰時(shí)段會出現(xiàn)明顯的負(fù)荷增加。

2.2 常見儲能技術(shù)

2.2.1 鋰離子電池系統(tǒng)

鋰離子電池系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛且成熟的儲能技術(shù)之一，其核心部件是鋰離子電池，正負(fù)極的鋰離子在充放電過程中的相互轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放，相較于傳統(tǒng)的鉛酸電池，鋰離子電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命和較低的自放電率等優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)勢在于快速響應(yīng)能力強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)能有效緩解電網(wǎng)高峰期的電力需求壓力，同時(shí)也存在如高成本、安全性考量以及對稀缺資源的依賴等問題。

2.2.2 鈉硫電池系統(tǒng)

鈉硫電池系統(tǒng)是一種高溫儲能技術(shù)，通過在高溫下使鈉和硫在正負(fù)極之間進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。在低壓配電網(wǎng)中，鈉硫電池系統(tǒng)可以通過控制溫度來實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，滿足電網(wǎng)高峰時(shí)段的需求，相較于鋰離子電池，鈉硫電池具有相對較低的材料成本。

2.2.3 壓縮空氣儲能技術(shù)

壓縮空氣儲能技術(shù)是一種機(jī)械儲能技術(shù)，通過將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣，存儲在儲氣罐中，當(dāng)需要釋放能量時(shí)，再將壓縮空氣釋放，通過渦輪機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。在低壓配電網(wǎng)中，壓縮空氣儲能技術(shù)可以靈活地調(diào)節(jié)放電速率以滿足電力需求的變化，尤其適用于短時(shí)高功率放電場景。

2.3 局限性

2.3.1 初始投資高

儲能技術(shù)的廣泛應(yīng)用面臨著初始投資高的挑戰(zhàn)，不論是鋰離子電池系統(tǒng)、鈉硫電池系統(tǒng)還是壓縮空氣儲能技術(shù)，都需要大量資金用于設(shè)備的采購、系統(tǒng)的建設(shè)以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，特別是在低壓配電網(wǎng)中，由于需要大量儲能設(shè)備來保障電力的穩(wěn)定供應(yīng)，投資規(guī)模更為龐大。初始投資高也意味著投資回報(bào)周期相對較長，這需要相關(guān)利益方具備較強(qiáng)的資金實(shí)力和耐心，在實(shí)際項(xiàng)目中需要通過充分的前期規(guī)劃和資金籌備，以確保儲能技術(shù)的應(yīng)用能夠取得長期的收益和效益。

2.3.2 儲能效率有限

在能量的轉(zhuǎn)化過程中，總會存在一定的能量損耗，從而導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的效率降低，鋰離子電池在充放電過程中會有一定的能量損失，鈉硫電池也會受到高溫環(huán)境的影響，從而影響了其能量轉(zhuǎn)換效率。特別是在低壓配電網(wǎng)中需要確保儲能設(shè)備能夠在電力需求變化較大的情況下，快速響應(yīng)并保持高效的能量轉(zhuǎn)換。

2.3.3 環(huán)境影響處理

儲能技術(shù)的應(yīng)用也會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，這包括了資源利用、廢棄物處理等方面，鋰離子電池系統(tǒng)的生產(chǎn)和回收過程涉及大量的稀有金屬資源，而鈉硫電池系統(tǒng)的高溫環(huán)境要求也可能會導(dǎo)致環(huán)境污染問題。在應(yīng)用儲能技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮環(huán)境影響，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行環(huán)境保護(hù)與治理，以確保儲能技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用。

3 中壓配電網(wǎng)中電力儲能技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 中壓配電網(wǎng)特點(diǎn)

中壓配電網(wǎng)的電壓級別通常在10kV 至35kV 之間，相對于低壓配電網(wǎng)，其承載能力更強(qiáng)，能夠覆蓋相對較大范圍的終端用戶，這也決定了其在電力儲能方面具備一定的優(yōu)勢，可以更靈活地應(yīng)對復(fù)雜多變的電力供需情況。中壓配電網(wǎng)承載的負(fù)荷相對較大，尤其在工業(yè)區(qū)等地區(qū)，電力需求波動幅度較大[4]。

3.2 常見儲能技術(shù)

在中壓配電網(wǎng)中，有多種儲能技術(shù)可以應(yīng)用于不同的場景，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

3.2.1 納米氣泡儲能技術(shù)

納米氣泡儲能技術(shù)是一種新型的高效能儲能技術(shù)，其核心概念是利用納米材料吸附和釋放氣體分子，實(shí)現(xiàn)電能的儲存和釋放，適用于中壓配電網(wǎng)中對高能量密度和快速響應(yīng)能力有較高要求的場景。

3.2.2 壓力蓄能技術(shù)

壓力蓄能技術(shù)是一種機(jī)械儲能技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣，存儲在儲氣罐中，當(dāng)需要釋放能量時(shí)，再將壓縮空氣釋放，通過渦輪機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。這種技術(shù)具有良好的響應(yīng)速度和較高的效率。

3.2.3 鉀離子電池系統(tǒng)

鉀離子電池系統(tǒng)是一種新興的化學(xué)儲能技術(shù)，其原理是通過鉀離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放，相對于傳統(tǒng)的鋰離子電池，鉀離子電池具有更豐富的資源和更低的成本，同時(shí)具備較高的安全性和循環(huán)壽命。

3.3 局限性

盡管中壓配電網(wǎng)中的電力儲能技術(shù)在提升電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性方面有著顯著的優(yōu)勢，但同時(shí)也面臨著一些局限性，這些局限性需要在實(shí)際應(yīng)用中予以認(rèn)真考慮和解決。

3.3.1 初始投資高

儲能技術(shù)的初始投資是一個(gè)不可忽視的因素，中壓配電網(wǎng)中引入納米氣泡儲能技術(shù)、壓力蓄能技術(shù)或鉀離子電池系統(tǒng)，都需要大量的資金用于設(shè)備的采購、系統(tǒng)的建設(shè)以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

3.3.2 儲能效率有限

儲能技術(shù)在能量的轉(zhuǎn)化和儲存過程中，納米氣泡儲能技術(shù)、壓力蓄能技術(shù)和鉀離子電池系統(tǒng)都存在一定的能量損耗，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的效率有限，盡管它們在儲能密度和響應(yīng)速度方面具備優(yōu)勢，但也需要在儲能效率方面進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)。

3.3.3 環(huán)境影響處理

儲能技術(shù)的應(yīng)用也會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，包括了資源利用、廢棄物處理等方面，特別是在納米氣泡儲能技術(shù)、壓力蓄能技術(shù)等涉及新型材料和工藝時(shí)，需要注意其對環(huán)境的潛在影響。需要綜合考慮環(huán)境影響，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行環(huán)境保護(hù)與治理，以確保儲能技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用。

4 高壓配電網(wǎng)中電力儲能技術(shù)的應(yīng)用分析

4.1 高壓配電網(wǎng)特點(diǎn)

高壓配電網(wǎng)的電壓級別相對較高，通常在110kV以上，這決定了其能夠承載大容量的電能傳輸任務(wù)，涵蓋了廣泛的終端用戶多個(gè)領(lǐng)域。相對于低壓和中壓配電網(wǎng)，高壓配電網(wǎng)的電力負(fù)荷波動相對較小，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強(qiáng)，這使得儲能技術(shù)在高壓配電網(wǎng)中可以更靈活地應(yīng)對突發(fā)情況，保障電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠[5]。

4.2 常見儲能技術(shù)

在高壓配電網(wǎng)中，有多種儲能技術(shù)可以應(yīng)用于不同的場景，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

4.2.1 氫燃料電池儲能系統(tǒng)

氫燃料電池儲能系統(tǒng)是一種基于氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)來釋放電能的技術(shù)。其優(yōu)勢在于高能量密度、零排放、可再生等特點(diǎn)。在高壓配電網(wǎng)中氫燃料電池儲能系統(tǒng)可以通過將電能轉(zhuǎn)化為氫氣來儲存能量，當(dāng)需要釋放時(shí)，將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能。

4.2.2 釩液流電池儲能系統(tǒng)

釩液流電池儲能系統(tǒng)采用釩電解液作為儲能介質(zhì)，通過電解液在正負(fù)極間的流動來實(shí)現(xiàn)電能的儲存和釋放，相比于傳統(tǒng)的電池技術(shù)，釩液流電池具有較高的循環(huán)壽命和較低的成本。在高壓配電網(wǎng)中，其穩(wěn)定性和可靠性使得其成為一種受歡迎的儲能解決方案。

4.2.3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來存儲電能，通過調(diào)整飛輪的轉(zhuǎn)速來控制釋放電能的速率，其優(yōu)勢在于響應(yīng)速度快、壽命長等特點(diǎn)，特別適用于需要快速響應(yīng)和短時(shí)高功率放電的場景。

4.3 局限性

4.3.1 初始投資高

儲能技術(shù)的初始投資是一個(gè)不可忽視的因素，在高壓配電網(wǎng)中引入氫燃料電池儲能系統(tǒng)、釩液流電池儲能系統(tǒng)或飛輪儲能技術(shù)，都需要大量的資金用于設(shè)備的采購、系統(tǒng)的建設(shè)以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

4.3.2 技術(shù)成熟度不一

氫燃料電池儲能技術(shù)已經(jīng)相對成熟，得到了廣泛的研究和應(yīng)用，釩液流電池技術(shù)在一些特定領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，但在某些方面仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。飛輪儲能技術(shù)相對較新，需要在實(shí)際應(yīng)用中積累更多的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

4.3.3 安全環(huán)境問題

高壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)涉及高能量的電力傳輸和儲存，因此安全性是一個(gè)需要高度重視的問題，特別是在氫燃料電池技術(shù)中，涉及氫氣的儲存和使用，需要采取一系列的安全措施來保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 不同電壓等級配電網(wǎng)中電力儲能技術(shù)的比較

5.1 技術(shù)與性能比較

不同電壓等級配電網(wǎng)中的電力儲能技術(shù)在性能方面存在著一些顯著的差異。從能量密度角度來看，高壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)通常具有較高的能量密度，能夠在單位體積或質(zhì)量下儲存更多的電能，適合于長時(shí)間的儲能需求。相比之下，低壓和中壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)能量密度相對較低，更適合于短時(shí)間高功率的儲能和放電。響應(yīng)速度是另一個(gè)重要的性能指標(biāo)。在高壓配電網(wǎng)中由于電力傳輸距離相對較遠(yuǎn)，對儲能技術(shù)的響應(yīng)速度要求相對較低，而在低壓和中壓配電網(wǎng)中，快速響應(yīng)的能力更為關(guān)鍵，特別是在應(yīng)對突發(fā)電力需求變化時(shí)。循環(huán)壽命方面，高壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)往往需要具備更長的循環(huán)壽命，以確保長期穩(wěn)定運(yùn)行，而低壓和中壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)對循環(huán)壽命的要求相對較低，更注重于快速響應(yīng)和高效能的特點(diǎn)。

5.2 環(huán)境影響與可持續(xù)性比較

儲能技術(shù)在不同電壓等級配電網(wǎng)中的應(yīng)用也會產(chǎn)生不同的環(huán)境影響。在高壓配電網(wǎng)中，儲能技術(shù)往往能夠充分利用電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高壓輸電的優(yōu)勢，在低壓和中壓配電網(wǎng)中，儲能技術(shù)的應(yīng)用相對更為靈活，通常能夠更好地適應(yīng)局部電力需求的變化，但也需要考慮到其對環(huán)境的影響，如儲能設(shè)備的生產(chǎn)、回收和廢棄物處理等。從可持續(xù)性角度來看，不同儲能技術(shù)的可再生性和資源利用情況也存在一定差異，這直接關(guān)系到儲能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保性。

5.3 經(jīng)濟(jì)性與實(shí)施可行性比較

在經(jīng)濟(jì)性方面，不同電壓等級配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)具有不同的投資回報(bào)周期和成本效益。高壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)通常需要較高的投資，但其在長期穩(wěn)定運(yùn)行和大容量儲能方面具備優(yōu)勢。而低壓和中壓配電網(wǎng)中的儲能技術(shù)相對投資規(guī)模較小，但也需要考慮到其相對較低的儲能密度和循環(huán)壽命。實(shí)施可行性也需要考慮到技術(shù)成熟度、安全性等方面的因素，以確保儲能技術(shù)能夠在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

6 結(jié)論

電力儲能技術(shù)在不同電壓等級配電網(wǎng)中的應(yīng)用，為提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和可持續(xù)性發(fā)揮了積極的作用。在未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，電力儲能技術(shù)將在配電網(wǎng)中發(fā)揮更加重要的作用，為能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。