储能技术及其在电力系统中的应用与发展

2020-12-22伍赛特

上海节能 2020年4期

关键词：规模化储能电能

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

目前，人类所使用的大部分能源都是以不同形式储存下来的太阳能。煤炭、石油、天然气等化石能源是太阳能在数十亿年时间里所累积的产物，而水能、风能等可再生能源则是太阳能以年为单位累积的产物。

自然界中的能源供给通常是不均衡的，由地理位置、季节气候等自然条件决定。能源的需求同样不均衡，且时常与能源的供给完全不匹配。因此，在能源供给和需求之间迫切需要一种装置，以实现能量在空间和时间上的转移，这就是储能。

1 储能技术

广义的储能是指通过某种介质和装置，把以电能、热能、机械能、化学能等为代表的某一种形式的能量转化为另一种形式的能量存储起来，在需要的时候再将其转化为特定形式的能量并释放出来的一系列的技术和措施，包括煤、石油、天然气等化石能源及电力、热能、氢能、成品油等二次能源的存储。

狭义的储能多指电能的存储。因为电能是目前应用最广泛的二次能源，所以储能的转换大多与电能的生产、利用和消耗相关。电能的存储是储能中最为重要的形式。

随着第一块电池——“伏特电堆”的出现，开始把储能与电紧紧地联系在一起。而铅酸电池的发明则逐渐揭开了工业储能的序幕。进入21 世纪以来，电力行业的高速发展、电子产品的快速普及以及可再生能源的大规模应用驱动着储能产业向前发展，各种新型储能技术不断涌现，储能向着大型化、高效率、低成本的方向发展。

2 储能技术的分类

按照不同的分类方法，储能技术可进行如下分类。

1）按照储能原理分类，储能可分为机械能储能、电化学储能、电气类储能、热储能以及化学类储能等。

其中，机械能储能主要包括抽水蓄能、压缩空气和飞轮储能。电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池等电池储能技术[3-8]。电气类储能包括超导储能和超级电容储能。热储能主要指通过利用水等相变材料将电能转变为热能的储能方式[9]。化学类储能主要是指利用氢（H2）或合成天然气（SNG）作为次级能量载体的储能方式。

2）按照储能时间长短分类，储能可分为：短时储能，通常放电时间为数秒到数分钟。中期储能，通常放电时间为数分钟到数小时。长期储能，通常放电时间为数小时到数天。

3）按照储能功能分类，储能可分为能量型储能和功率型储能。能量型储能特点是比能量高，放电相对较慢，主要用于较大能量输入和输出的场合；功率型储能特点是比功率高，以高放电率快速放电，主要用于瞬间高功率输入和输出的场合[1-2]。

3 储能技术在电力系统中的应用与发展

3.1 储能技术在电力系统中的应用

传统电力系统的运行必须时刻保持发电与负荷之间的动态平衡，也就是“即发即用”。因此，电力系统的规划、建设和运行保障等都遵循“供需平衡”的基本原则。随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提升，电力系统中的高峰负荷也在持续大幅增加。为了满足这些短时间的高峰负荷，发电企业和电网公司只能不断地增加投资发电、输电、配电等电力设备，这又导致电力系统整体负荷率偏低，电力资产综合利用率也较低[10]。

对电力系统应用而言，储能的作用主要体现在功率等级及其作用时间上。储能的作用时间是区别传统电力系统即发即用设备的最显著的标志[11-13]，先进、高效的大规模储能系统能为这些问题的解决和电力系统升级改造提供有效的手段。

传统化石能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，驱使以火力发电为代表的传统发电方式按照用电负荷进行调度。以风能、太阳能为代表的可再生能源的发电方式则取决于自然资源条件，具有天生的波动性和不确定性，调节控制难度较大。先进、高效的大规模储能可在很大程度上缓解可再生能源发电的不确定性和波动性，使间歇性、低能源密度的可再生能源得到更广泛的利用。

规模化储能技术的应用贯穿于电力系统的发电、输电、配电和用电各个环节可满足高峰负荷的供电需求，有效减少发电厂和电网不必要的重复建设，提高现有发电装机容量的利用率和电网运行效率，可有效应对电网故障，提升用电可靠性。实施削峰填谷、计划跟踪、平滑输出等策略，可有效降低可再生能源发电的波动性和不确定性，减少弃风、弃光造成的浪费，实现电动汽车规模化使用，并通过“梯次利用”等技术实现与电力系统的有效配合。总上所述，规模化储能技术能改变现有电力系统必须供需瞬时平衡的传统模式，在未来的能源革命中将发挥越来越重要的作用。

3.2 基于我国电力系统储能技术发展的研究

目前，我国电力系统广泛采用集中式供电方式，发电中心与负荷中心在空间上往往存在较长距离，电能需求曲线与供给曲线在时间上也不匹配，导致电力系统效率低下。

在可再生能源并网方面，以风电、光伏为代表的可再生能源发电普遍存在波动性和不确定性，大量并网将对电网的稳定运行产生冲击。储能系统可对可再生能源发电进行能量缓冲与调节，以便更好地被电网所接纳，从而提高可再生能源发电利用率。

从电网侧看，如果通过新增发电和输配电设备的方法来满足不断增加的高峰负荷，则需要增加昂贵的设备投资，同时扩容的容量利用率非常低。此外，传统的火力发电站、水力发电站及核电站对负荷的响应时间较长，因此，通过增加设备容量的方法难以做到对需求的快速响应。为此，建设包括抽水蓄能电站在内的各类大型储能电站进行电力调峰和电能质量优化，可以起到能量缓冲的作用。

从用户侧看，随着信息技术、网络技术和自动化技术的快速发展，一些重要的用电设备对电能质量提出了更高要求。储能系统可对电网电压波动、频率偏移、谐波、三相不平衡等电能质量问题进行优化，对断电、电涌等突发事故提供应急保护，有助于满足用户更高的用电要求。

考虑到规模化储能对我国能源发展和能源保障的重要意义，近年来国家频繁出台了针对储能的利好政策，极大地促进了我国储能的产业化发展。

强有力的政策驱动了储能技术的快速发展。目前，许多兆瓦级电池储能系统已进行了示范运行。继张北风光储输示范工程之后，陆续出现了一大批有代表性的大规模储能示范电站，如辽宁卧牛石5 MW 储能电站、甘肃酒泉兆瓦级储能电站、青海15 MW 储能电站、深圳宝清兆瓦级储能电站等。现阶段，规模化储能技术正逐步从试验示范迈向商业化应用，如何实现高能量转换效率、高安全性、低成本、长寿命等关键技术也在逐渐被突破，未来规模化储能技术应用具有非常光明的前景。

储能已成为能源结构转变的战略性支撑，在可再生能源、节能减排、分布式发电和微网、新能源汽车、能源互联网等领域都有着巨大的潜力。