储能技术在新能源电力系统中的运用探讨

2022-03-13蒲杨

科技创新导报 2022年19期

蒲杨

（贵州乌江能源集团有限责任公司贵州贵阳 550081）

目前，我国居民的用电需求日益增加，要应对这一压力，就要有效提高新能源发电时的利用效率。在利用新能源进行发电的过程中，储能技术是其中一个重要的部分。储能技术的合理应用有利于保证整个电力系统的稳定使用，提高电能质量，保证电力需求，同时促进新能源电力系统的有效发展。

1 储能技术在新能源电力系统中的应用价值

目前，我国在新能源开发与应用方面，使用较多的是自然能源，利用设备进行能源转化，使自然界的能源可以保证电力系统有效运转。在环境方面，这样的方式较传统的发电方式更为清洁，但缺点在于新能源的发电方式较为依赖环境的影响。例如：在利用太阳能进行发电时，会受到天气及昼夜的制约，使得整个发电系统的稳定性难以保障；在利用风力进行发电时，会受到风力的制约，整个电网中风电装机较小时，受到的影响小一些，但在风电装机较大的情况下，环境影响格外明显，发电量的波动较大，电网的运转不稳定，甚至可能影响居民的用电水平。而储能技术则是通过储电或储热等不同的方式，将多余的能量暂时存储起来，并在发电受到制约时进行释放与应用，可以有效降低新能源发电过程中不稳定因素的影响，有效提高发电质量。此外，储能技术在新能源电力系统的应用还可以有效促使依据居民需求进行发电与供应，在居民供电上更加灵活与环保。

2 新能源电力系统中常用储能技术介绍

2.1 电化学储能技术

电化学储能技术在目前的新能源电力系统中较为广泛，可以有效实现电力系统在运行过程中的储能需要［1］。电化学储能技术利用电池进行反应，使得电能和化学能之间相互转化，有效满足电力系统的储能与发电需求，提高新能源发电系统的应用效率，促使电网系统的稳定运行。在利用电化学进行储能的过程中，电池的选择至关重要，不同种类的电池往往会产生不同的效果，因此，在实际工作中，需要根据不同的需求进行电池的选择。目前较为流行的电池有3 种，分别为铅酸电池、液流电池和锂电池。铅酸电池密封性较好，较为安全，便于维护，也是目前技术最为成熟的电池，但使用寿命较短，循环次数少，且容易造成污染；液流电池设计较为灵活，使用寿命长，安全性较，高操作也简单方便，但缺陷在于占地面积较大，成本较高；锂电池在使用时有较高的转化效率，循环性能较好，使用寿命长，缺点在于成本较高，且有一定的安全隐患。因此，在具体的应用中，要依据电力系统的需要，结合各电池的特点，合理进行选择。

2.2 物理储能技术

物理储能技术是目前常见的新能源电力系统储能手段，主要分为抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能3种方式。其中，抽水储能方式在3种方式中应用较为广泛。

抽水储能技术是利用水的势能进行储能，在建造时，需要在水流的上、下游建立2 个水库，或者利用其他的方式使水流形成高度差，在需要发电时，利用水下落的能量进行发电，在发电量充裕时，利用电力及抽水设备将水从下游运到上游，从而实现势能和电能的相互转化。这项技术在我国已经较为成熟，原料获取方便。但缺点在于对于地理环境的要求较高，能量损耗较大，且建设时的资金和时间成本较高。

压缩空气储能是利用空气的压缩与膨胀实现电能的存储与发电循环，这一技术方式需要的投资较少，不需要较高的维护费用，使用时较为灵活，没有太大的污染。但对地形与地质的要求较高，且效率较低。

飞轮储能技术是利用飞轮的高速与减速旋转来实现能量的存储与利用。储能时，将电能转化为机械能；发电时，将机械能转化为电能。在应用过程中，由于飞轮储能技术在真空的环境下进行，所以，损耗极小，寿命较长，没有污染，充放电的速度快，应用范围广泛。但在安全方面需要付出较高的费用。

2.3 电磁储能技术

电磁储能技术主要包括超导电磁储能和超级电容储能等方式。（1）在使用超导电磁储能技术时，是利用超导体电阻为零的特点，使超导线圈产生强力的磁场，直接将电磁能进行存储，在有需要时送回［2］。这种储能方式结构简单，使用过程中损耗较小，使用寿命长，响应速度快。但由于超导磁储能系统需要的超导材料价格昂贵，难以进行大规模的推广。（2）超级电容器储能技术分为双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器和混合型超级电容器，其中，双电层型超级电容器在目前的市场上应用较为广泛。超级电容器储能技术使用寿命长，能量密度高，适用的温度条件较为广泛，安全可靠，在目前有较为广泛的用途。

2.4 相变储能技术

相变储能技术的原理是利用相变材料对于热量进行吸收和释放，进而达到能量的存储与释放的效果［3］，主要分为电储热技术、熔融盐储热技术和冰蓄冷技术。（1）电储热技术按照介质的使用不同，分为水储热技术和金属储热技术。水储热技术以水为介质，取材容易，成本较低。金属储热技术以金属为介质，具备导热系数高等优点。（2）熔融盐储热技术成本价低，适用范围广，但利用率低。（3）冰蓄冷技术可以有效提高制冷效率，满足制冷设备需要。

3 储能技术在新能源电力系统中的应用方法

3.1 光热发电系统

光热发电是目前太阳能发电系统的一大方面。太阳能是目前最常使用的新型能源，其强大的可再生能力为发电提供了良好的保障。这种发电系统会将来自太阳的能量转化为热能，然后结合传统的发电工艺，通过制冷或供热的控制，使热能做功，最后转化为电能。目前的光热发电系统有槽式系统、塔式系统和碟式系统。由于光热发电中有将太阳能转化为热能的步骤，所以，在进行能量存储时，可以广泛采用相变储能技术和其他储电技术。不同形式发电系统可以采用不同蓄热储能媒介，例如：塔式光热发电站可以采用熔盐蓄热储能载体，美国110MW新月形沙丘塔式光热电站就采用该储能方案；槽式光热电站可以导热油为蓄热储能载体，美国280MW的Solana槽式光热电站就是良好应用实例。从理论上来说，通过光热发电过程中的储能技术进行控制，在有限发电条件下，将多余的能量储存，在没有发电能力时，利用储存的能量输送电力，可以达到不间断供电的效果。另外，储能设备在光热发电系统电力调峰、稳定电网方面具有一定的优势［4］。

3.2 风能发电系统

风能是目前最普遍也最典型的新型能源，在能量的储备资源上来说，风能储备极其的丰富。风力发电主要是利用风力带动叶片的转动，驱使发电机进行发电，将风能转化为机械能再转化为电能。目前，利用风能进行发电已经有了较为广泛的应用。在利用风力进行发电时，储能装置也是重要的一部分，储能装置可以有效稳定发电厂的发电效果，提升发电质量。在用电高峰期，发电厂可以利用储能装置进行调峰，满足居民的用电需求；储能装备还可以安置在电源侧，电网电力的输送与调节可以更加灵活可靠、经济有效，满足用户多样化需求。

风电场功率波动是目前影响风电质量的原因之一。风速本身并不稳定，而这样产生的电能的功率也就有很大的不确定性，如果波动较大，则会对电力系统的运转产生不利影响［5］。而要平息或抑制风电厂的功率波动，可以安装储能设备，利用储能设备在功率过大时进行储能，在功率不足时进行放电，有效提高风力发电的稳定性。同时，为了进一步提高风电功率的稳定程度，还可以考虑在风机上安装蓄电池。

此外，风电场闪变是风力发电质量不佳的主要原因之一。一般情况下，风速的快速变动、塔影效应、偏航误差、风剪切等因素都有可能造成风电场的闪变，单台风机发生该情况尚且不会造成较大的影响，但数量上增加就有可能对风力发电的质量有较大的影响。而要减小风电场闪变的影响，解决这个问题，可以考虑在风力发电设施中安装储能装置。由于对于调节能力的要求较高，在实际应用中，一般以电磁储能技术为主要应用方案，由于超导电磁储能技术材料较为高昂，故超级电容储能技术较为广泛使用。通过储能装置的调控作用，可以有效遏制风力环境影响对发电质量的影响，提升发电质量。

在新能源综合应用方面，“风光水火储一体化”项目在我国多地进行规划与建设。由于“风光水火储一体化”存在多种表现形式，在使用时，可依据我国不同地区的不同资源特点进行灵活调节。在我国风资源、光资源与水资源较好的地区，普遍采用“风光水储一体化”模式，使水、光、风能源互补稳定电力，目前，在我国西南较适合应用。“风光储一体化”在应用方面较为广泛，不需要考虑水资源及火电站等要求，而风光互补与储能技术结合也让该项目有更广阔的应用空间与体验。在风光火储方面，由于火电限制，很难大规模实施，但有一定火电项目基础的地区会为该项目发展提供良好前期基础［6］。

另外，风光储氢技术也是近年来清洁能源电力应用的重要方面。在这一领域，国外起步较早并有良好应用。这项技术是利用风电或光电将水电解，再将产生的氢气储存与发电应用，使产生电力更平稳。在制氢装置中，存在3 种不同方式：碱性电解水制氢；高温固体氧化物电解水制氢；固体聚合物电解水制氢。其中，碱性电解水制氢制备工艺简单，造作容易，但在成本和能耗方面较高；高温固体氧化物电解水制氢由于在高温中进行，能耗较低，整个系统及制氢效率较高；而固体聚合物电解水制氢获得氢气纯度较高，效率好，无污染且更安全，逐渐应用广泛。此外，风电储氢技术中多余的热量可用于供暖，多出来的氢气也可投入到天然气中，方便居民使用。我国目前已经启动风光储氢示范项目，鼓励与推动该项目发展，促进清洁能源发电过程中储能技术应用。

3.3 光伏发电系统

光伏发电系统同样是利用太阳能进行发电，但与光热发电系统不同，该发电系统在进行运转过程中不需要进行热能转化，而是与太阳能电池的原理相类似，直接在光子的影响下使电子移动，产生电势差，完成电能转化。与光热发电装置不同的是，这样的发电方式产生的电为直流电，并且，由于该种发电方式没有其他能量的参与，因此，在选择储能设备时，选择面比较小。在具体应用中，主要采用蓄电池储能、超级电容器储能、飞轮储能和超导电磁储能4种方式。光伏发电有效抑制光照和环境温度波动而导致光伏发电系统向电网输出电力的波动，在电能稳定方面起到重要作用，也可作为断电保护装置对电子设备进行保护。另外，储能技术可以有效增加太阳能消纳能力。由于我国光伏发电系统普遍集中在地广人稀的西北地带，电能需要远小于其他地区，导致弃光效应显著，将储能技术应用在电力系统中，可以在发电侧进行有效应用，提高能源利用率。

3.4 电动汽车入网

目前，电动汽车入网技术在我国并没有广泛的研究与应用。电动汽车入网技术的核心思想在于电动汽车与电网之间的互动，将电动汽车作为储能设备，电动汽车作为储备能源能够成为电网和可再生能源的缓冲，使其起到调和的作用。当电网的电量需求较高、负载过大时，有电动汽车向电网输送电力，当电力需求较小且有过剩的发电量时，由电动汽车进行充电活动，避免电量浪费。这样通过合理调度，可有效利用电动汽车充、放电对电网进行调节，实现电力系统的稳定运转。国外某研究团队对该项方式进行了实验，结果表明，电动汽车入网技术对于电网确实有调节作用，但由于电动汽车不能进行统一的调动，其充电时间和地点具有较强的随机性，因此，调控效果无法得到有效保障，另外，大量电动汽车的介入对于电网的稳定性与安全性造成了冲击，目前没有较好的解决方案。但该项研究依然有其进步的意义，在能够解决电动汽车充电时间、地点上的控制、合理的电网调度、高品质电动汽车电池等方面的问题后，将电动汽车入网，可以有效抵消新能源电力系统的不确定性，促进电网的稳定运转。

3.5 其他不同的供电场所

目前，在电力系统的工作中，往往会有不同供电场所，其需求也各不相同，因此，其储能系统的应用也应根据供电场所的不同进行调整。在电力调频调压系统方面，由于局部电压在短时间内的大幅波动，因此，在储能设备的选用时，要注意短时间内电能调节的功率范围，可以采用超级电容储能技术或者其他电池进行储能。在针对新能源发电时选用的储能技术，要依据其间歇性、波动性特点进行选择，在发电和用电的高峰、低谷时尽力控制其稳定性。在针对企业、工厂等商用电力系统选择储能设备时，需要按照可以稳定电网并能保证短时间内的应急供电的实际要求来进行选择。除此之外，一些储能设备是可以进行混合使用的，将不同的储能设备有效结合，可以使电能的质量有效提高，实现不间断供电的目标。