多重应用场景下的新能源电力系统储能技术

2021-03-26杨海森

光源与照明 2021年7期

杨海森

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州 510000

0 引言

传统储能系统以电化学储能为主，储能类型较为单一。随着储能技术的发展，可实现多类型储能系统共同接入电力系统。

目前，新能源大规模可再生能源接入的电力系统，在储能技术的应用上通常采用单一的技术路线，没有考虑多重应用场景，在储能的选取过程中往往只能满足高充放电功率或大存储容量两种需求中的其中一种。采用单一技术路线的储能系统已经无法满足新能源电力系统储能需求。为此，文章提出多重应用场景下的新能源电力系统储能技术，兼顾多种储能技术之间的优势，以更好地适应未来多类型储能系统共同接入电力系统的趋势。

1 储能技术的需求背景

1.1 “碳达峰、碳中和”目标下的电力能源结构变革

“碳达峰、碳中和”目标催生了我国电力能源结构的新一轮变革。为了实现“碳达峰、碳中和”目标，现有的以化石能源为主的电力能源结构体系将面临风电、光伏、潮汐能、地热能等多种新能源的加速替代。新能源具有随机性和波动性，这与电力系统供需实时平衡的固有属性之间形成了天然的矛盾，这使得以新能源为主要装机类型的未来电力系统将无可避免地面临空前的系统稳定运行挑战。为此，储能作为一种电力系统调节的灵活资源，成为应对大规模新能源接入电力系统带来的稳定性问题，进一步提高电力系统对新能源消纳能力的重要手段。

1.2 电力系统容量资源的进一步限制

随着电力负荷的不断增长，电力系统在输电、变电、配电各个环节面临负荷增长带来的巨大扩容需求。与此同时，土地资源限制、征地难度的加大、生态环保要求的提高，与传统的依赖新建线路、变电站、配电系统的扩容方式之间的矛盾进一步加大。储能系统作为可调节的灵活资源，有助于改善负荷峰谷特性，缓解峰值负荷与电力系统输送容量之间的矛盾，使电力系统在同等输送容量下的输送电量得到提高。因此，储能是改善电力系统负荷特性，提高电力系统设备利用效率的重要手段。

1.3 电力用户更高的用电质量要求

国家发展和改革委员会、国家能源局提出《关于全面提升“获得电力”服务水平持续优化用电营商环境的意见》，进一步明确了电力用户供电可靠性、用电质量的要求。与此同时，随着精密制造业的不断发展及用户侧电能替代的不断推动，电力用户对用电质量的要求越来越高。储能的引入将提高用户侧分布式电源的接入能力，提高电力用户的供电可靠性、电能质量和防灾抗灾能力。

2 新能源电力系统中储能技术的类别

2.1 飞轮储能

飞轮储能主要是将旋转体旋转的动能转换成储存的电能，进而实现储能。飞轮储能的过程需要通过电机的驱动，在电机的驱动下使飞轮获得一定的速度后，通过动能转换实现动能向电能转换来获得或者释放电能。

飞轮系统运行的环境是真空的，在此环境下能够有效降低风阻，同时有效减少动能产生的损耗，保证转化率和系统运行的寿命。而且，真空环境运行能够减少环境对系统的影响，且基本不需要进行设备以及系统的维护[1]。但是，飞轮储能在使用过程中也存在一定的缺陷。一方面，这种方式储存的能量密度低；另一方面，由于真空环境及蓄电池系统的使用，对于空间的要求更加严格，要保证系统运行的安全性，需要投入大量的资金。

2.2 抽水储能

目前，抽水储能是发展迅速并且技术较为成熟的储能方式，但要实现抽水储能，不仅要在上游建设水库，同时要在下游匹配一个水库。在电负荷低时，要通过抽水设备进行抽水，将下游水库中的水抽到上游水库中来实现储能。当电负荷较高时，就需要将相关的设备转换成发电机状态，通过上游水库中储存的大量水来发电。

但是这种方式的能量转化率最高只能达到75%，而且地势选址要求严苛、建设周期较长、动态调整难度大等问题突出，难以实现大规模的推广和应用。就目前的抽水储能工程建设情况来看，全球的抽水电站的装机容量能够达到9×107kW，这在全球全部电站装机容量中仅仅占到了3%。同时。由于抽水储能在选址中对环境要求较高，地形环境致使其往往距离用电区域较远，在电能储存及输送过程中还会造成大量的能源损耗。

2.3 压缩空气储能

压缩空气储能方式是目前在发展和应用中前景较好、可以大规模推广和应用的储能方式。压缩空气储能的储能方式，能够有效实现过盛电能的储能。在电网低负荷时，通过压缩空气储能方式对空气进行压缩；在电网负荷较高时，再将储存的压缩空气释放出来，推动汽轮机进行发电，保证电网系统的正常运行。

压缩空气储能方式具有响应快、寿命长、效率高等优点，且具有较高的转化效率，平均能够达到70%以上，未来发展前景良好。不过该储能方式主要是在系统备用及电力调峰等方面应用，对地址结构和地形环境也有一定的要求。

2.4 电化学储能

电化学储能是利用化学方式进行储能的，常用的材料有钠硫电池、液流电池及较为常见的铅酸电池和锂电子电池等。其中，在大规模应用中，液流电池具有一定的优势，但是目前应用最为广泛的还是铅酸电池和锂电子电池。

电化学储能电池可以通过串并联形成电池组，以提高电池容量和充放电功率。电化学储能的成本相对较低，但是电化学储能电池的寿命较短，同时在其使用结束后也会带来较为严重的环境污染问题。当前，对电化学储能的相关研究越来越多，尤其是近年来分布式电源的相关研究和大量推广，电化学储能逐渐呈现出小体积、易部署、搭配灵活等优势，在分布式电源发展和应用的同时，消纳能力逐渐提高，是降低负荷峰谷差的主流技术手段。

2.5 超级电容储能

基于电化学双电层理论，超级电容储能得到了深入研究和发展，是一种新型储能方式。超级电容储能能够提供较强的脉冲功率，在充电过程中其电极表面是理想的极化状态，这时电荷会对电解质溶液中存在的异性离子进行吸引。这些异性电子将会附着在电极的表面，形成一种双层电容。在电力系统的应用中，超级电容储能通常用于短时、高峰值功率场景下的负载稳定及电压暂降、瞬态干扰的平抑等场景。

2.6 超导储能

借助超导体构成的线圈，能够通过相关磁场进行能力的储存，这就是常见的超导储能。超导储能在功率输送的过程中不需要对能源进行转化，其比容量较大，响应速度较快，而且在转换中效率较高，不仅能够实现大容量的能量交换，还能够实现及时的功率补偿。借助超导储能，能够实现对频率的调节和功率的补偿，从而提高功率输送能力，保证系统的稳定和正常运行。

3 储能技术定位

将储能技术引入电力系统，作为一种电能转换和存储的设备，有效解决了新能源的随机性和波动性与电力系统功率供需实时平衡之间的矛盾。储能系统作为一种灵活调节资源，既要在功率尺度上调和电力系统实时的供需矛盾，也要具备足够的电能存储能力，在能量尺度上满足电力系统不同时间尺度上的供需平衡。因此，不同储能技术的核心参数和技术指标主要可以分为功率、续航时间、响应速度等方面[2-3]。

电力系统对储能的需求，可以划分以下应用场景。（1）对于提供系统阻尼、辅助一次调频等应用场景，通常要求储能具备快速高输出功率和快速响应的能力，具有代表性的储能技术路线包括飞轮储能和的超级电容储能。（2）对于平滑新能源出力波动，提高输配电设备利用效率的应用场景，要求储能能够具备较快的响应能力，同时能够适应充放电频繁转换，代表性的技术路线为电化学储能，尤其以锂电池储能为典型。（3）对于大电网削峰填谷、调节负荷等，需要高功率、大容量、长时间尺度的储能支撑应用场景，需要储能系统具备较强的吞吐能力、良好的使用寿命和资源环境友好特性，代表性的技术路线包括抽水蓄能、压缩空气储能、熔融盐储能和氢储能等。

可见，面对电力系统不同应用场景，单一的储能技术已经无法适应多重场景下的新能源电力系统的运行需求。因此，需结合现有的储能技术路线，提出一种结合电化学储能与超级电容的混合储能方案，满足高功率与高容量需求的储能应用场景。

4 多重应用场景下新能源电力系统的储能拓扑结构

在“碳达峰、碳中和”和建设新型电力系统的大背景下，储能是适应未来可再生能源大规模接入、提高电力系统调节能力不可或缺的灵活性资源。储能的技术路线众多，未来多类型储能系统共同接入电力系统将成为一种常态。相应地，储能电池的部署也将从单一类型向多重类型发展。为此，文章设计了一种锂电池和超级电容相结合的混合储能技术，该技术可结合锂电池储能和超级电容储能的优势，同时提供大功率和高能量输出。由于未来储能系统的接入将与分布式电源和负荷深入融合，因此以多重应用场景下新能源电力系统储能部署方式为例，对文章提出的锂电池-超级电容混合储能进行阐述，具体结构形式如图1所示[4-5]。

如图1所示，超级电容器和锂电池是该单元的主要组成部分，实现分布式储能。分布式储能单元中的超级电容器直接耦合在新电源电力系统的直流母线上，然后经过逆变单元和超级电容器并联，这样能够有效保证储能器之间互不干扰。

以上拓扑结构中，逆变单元能够实现对超级电容器的管理和控制，并对锂电池的储能进行有效管理。在目前的新能源电力系统中，发电机均需要配置一个分布式储能单元，并通过并联的方式连接到独立发电机。在系统运行过程中，分布式储能单元通过PCS并联于新能源电力系统的直流母线侧，与发电机共同使用新能源电力系统中的DC/AC逆变单元。在实现新能源向电能转化的同时，经过发电机将最初的交流电通过全功率变流后直接接入分布式储能单元，实现分布式储能单元与新能源电力系统的连接[6-7]。