基于能源互联网背景刍议电力储能技术发展问题

叶书雄

厦门海索科技有限公司，福建厦门，361000

0 引言

随着现代科学技术的发展，储能技术作为重要产物，是电力网络系统建设和升级的关键内容。在能源互联网建设环境中，储能研究与技术应用都具有非常重要的意义。在能源互联网背景下，中国的电力储能技术依然存在一些问题，技术水平相对落后，不能满足实际的发展需要。因此，有必要对电能存储技术进一步深入研究。

1 能源互联网环境下电力储能技术发展的具体情况

1.1 现存电力储能技术类别

1.1.1 机械类储能

从机械式蓄能的应用形式来看，主要包括三种，即抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮蓄能。其中的抽水蓄能，是在电网运行处于低谷状态的时候，多余的水注入液体能源媒体，从低海拔到高海拔水库。当电网处于高峰负荷状态的时候，高海拔的水库流回到储层低驱动涡轮发电机进行发电。

该种储能技术所发挥的功能为大规模集中储能，技术已经成熟，在电网能源管理中以及调峰的过程中可以使用。其储能效率可以达到65%至75%，甚至能够达到80%至85%。其负荷响应的速度非常快，10%的负荷变化时间仅仅需要10秒，从全停机到满负荷发电约就需要持续大约5分钟的时间，从全停机到满负荷抽水约需要持续1分钟的时间。

1.1.2 飞轮储能

在飞轮储能系统中，电能用于真空外壳中的加速转子可以达到每分钟转几万转的速度，从而将电能储存为动能，即将大车轮储存的惯性能量充分利用起来。该储能技术所具备的优势在于，寿命可以达到15年至30年，储能效率非常高，能够达到90%，维护少，有很好的稳定性，为高功率密度，能够快速响应，达到毫秒级。技术的应用中也存在不足，即能量密度不是很高，只持续几秒至几分钟的时间。由于轴承磨损和空气阻力作用，会存在自放电性。

1.1.3 压缩空气能源储备

在应用压缩空气能源储备技术的过程中，要发挥空气的载体作用以传输能量。大型压缩空气储能利用多余的电能使得空气被压缩，并储存在地下结构中。当需要能量的时候，压缩空气混合到天然气当中，燃烧过程中释放热量，出现膨胀现象，就能驱动燃气轮机发电。这种储能技术所具备的优势在于，发挥调峰功能，大型风场比较适合应用该技术。由于风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，不需要中间转化，由此提高了效率。该储能技术也存在缺点，就是需要大型洞穴来储存压缩空气，与地理环境密切相关，合适的地点非常有限。储能的时候需要燃气轮机，并有一定数量的燃气作为燃料，能源管理、负荷均衡和削峰的时候比较适用。人们曾经开发了一种非绝热压缩空气储能技术，当空气处于压缩状态的时候，所释放的热量不是储存起来的，而是通过冷却的方法散失，压缩空气在进入涡轮之间则需要再一次加热。因此，整个工艺效率不是很高，通常在50%以下。

1.1.4 超级储能

根据电化学双电层理论的发展，超级储能也被称为双电层电容器，两个电荷层之间的距离非常小，通常不足0.5毫米，使用特殊的电极结构，这样电极的表面积增加10000倍，从而产生巨大的能力。该储能技术的寿命长，循环次数比较多。充放电时间快，响应速度快，效率高，维修少，没有旋转部件[1]。工作温度范围比较宽，具有环保价值。该储能技术存在缺点，即超级电容器的介电电阻很低，一般制成的电容器的电压电阻仅仅为几伏，储能水平户籍受电压电阻的限制，所以储能很少。其为低能量密度，投入的资金量大，有一定的自放电速率。

1.1.5 超导储能

The plastic data of the bumper is shown in Figure 5.

超导储能系统的构成上来看，主要为线圈、PCS和低温系统，低温系统由超导材料制成，放在低温容器中。当直流电处于超导线圈中循环的时候，能量在磁场中存储。由于电能是在磁场中直接存储的，没有实现转换，无论是充电，还是放电，速度都非常快，大约为几毫秒至几十毫秒，功率密度很高。响应速度非常快，可以提高配电网的电能质量。该储能技术所存在的缺点是，超导材料价格高，维持低温制冷运行需要大量的能源。能量密度低，所持续的时间仅仅为几秒钟。虽然已经有商用低温和高温超导储能产品，但成本非常高，技术维护复杂，在电网中几乎不会使用，而是停留在实验层面。

1.1.6 锂离子电池

锂离子电池中嵌入有化合物，其正极和负极是不同的锂离子。在进行充电时的过程中，Li+从正极流出，发挥电解液的传输作用，进入到负极。如果负极是富锂状态，正极处于贫锂状态。锂离子电池有很高的效率，能够超过95%，放电的过程需要比较长时间，为几个小时，循环次数甚至可以达到5000次以上，能够快速响应，锂离子电池是比能最高的实用电池，有多种材料可用于其正极和负极。但是，锂离子电池价格高，有时过充会导致发热、燃烧等安全问题，所以需要采用过充保护的方式。

1.1.7 热储能

在热能储存系统中，热能储存在一个绝热容器的介质当中，可以在以后需要时转换回电能，也可以直接使用而不需要转换回电能。蓄热技术有很多种，在显热蓄热模式下，蓄热介质可以为液态水。热水可直接使用，也可以用于房间供热。运行的过程中，热水的温度是可变的。该储能技术存在不足，需要多种高温化学热工介质，导致其应用受到限制。由于蓄热能能够储存大量的热量，在利用的过程中，在可再生能源发电中会起到一定的作用。熔盐是热太阳能电站常用的相变材料。此外，还有许多其他种类的蓄热技术正在开发当中，都可以发挥不同的作用。

1.1.8 化学类储能

氢气是由废弃的风能产生的，通过电解将水分解成氢和氧得到的。氢气可以直接作为能量的载体，然后氢气与二氧化碳经过化学反应之后就可以生成合成天然气(甲烷)，生成合成天然气作为另一种二次能量载体。使用这两种材料作为能量载体的优点是能量存储非常大，能够达到太赫兹级，其可以保存很长时间，甚至几个月。除了发电之外，氢和合成天然气还可以用于其他方面，比如交通运输。该储能技术也存在不足，即全循环效率不是很高，制氢效率仅为70%左右，而合成天然气的生产效率为60%至65%，从发电到用电的全循环效率不是很高，仅仅为30%至40%。

1.2 基于能源互联网背景的电力储能技术类别

1.2.1 广域能源网络应用

骨干网运行的过程中应用大规模储能技术，可以做到能源生产集中化，用于管理广域能源，如果能源生产的规模比较大，而且有大量的能源传输，可以确保能量处于缓冲状态，如此可以支持广域能源的调度工作，保证系统的供应与需求持有平衡状态。储能容量非常大的运营商可以在能源市场直接交易，随着能源市场中不断变化的价格，能源买卖也更加灵活，还可以提供高附加值的调整服务。

1.2.2 局部能源网络有效应用

在局域能源网络运行的时候，储能的过程中还要配合能量转换装置，确保系统的运行效率高，而且保证经济性。当局域能源网管理系统运行的时候，需要考虑到存储能源的状态，还要明确供应与需求预测信息，充分考虑到能源的价格，针对局域网络运行过程中的能源生产以及消费将决策制定出来，买卖能源的时候还可以在能源市场中实现。应用网络技术建立虚拟能源站，由于生产者存在分散性，对其行为难以预测，要有效管理分布式电源以及电动汽车，难度是非常大的。通过发挥储能的作用，能源生产者虽然比较分散，但是供应能源的能力更强，还可以进入到能源市场进行交易。

2 能源互联网环境背景下的电力储能技术发展问题

2.1 技术发展存在多样的限制

在技术发展会存在多样的限制，主要体现为大容量储能规划不能与可再生能源发电协同调度，储能的能量流量大，能量调度技术不能很好地发挥作用。蓄能转换装置不能一体化设计，也不能协调配置。对于能源交易以及储能定价机制都不能充分考虑，导致储能技术的优势不能充分发挥[2]。

2.2 战略规划尚不足

在战略规划中，较高比例的可再生能源电网不能得到支持，多能源系统运行的过程中缺乏灵活性和可靠性，多能源系统的能量管理以及路径不能得到优化，能源交易缺乏一定的自由度。

3 基于能源互联网背景的电力储能技术发展思考

3.1 探索技术发展的方向

其一，大容量储能规划协同可再生能源发电调度的相关技术。储能的规模比较大与可再生能源发电之间要有更好的协同性，即需要将相关规划制定出来，电网级储能应用要得以实现，其是需要解决的关键问题，调度工作也是需要重点关注的。在研究储能规划以及调度方法方面，相关的研究依然处于起步阶段。在这项工作中存在很多的难点，主要是四个方面：第一个方面，针对新能源发电所存在的不确定性构建的模型、控制能源储备成本的模型、评估系统风险的模型、优化问题并予以解决的模型。关于其他的方面，诸如应用新能源供应热量制氢，大规模电动汽车充电、放电条件的灵活性，电力系统与其他能源系统之间的耦合等等，还要充分考虑到高效利用新能源的问题。

其二，关于能源储备方面，优化能量流以及调度能量方面依然存在不足。地方能源互联网需要重点解决的问题是优化能量耦合结构，优化能量流优化，还要管理能量调度。如果当系统中涵盖储能的时候，需要在特定的时期内将多个潮流段联合起来并不断优化。通过运行能量优化调度模型，对于能源储备、能量释放以及空闲状态都要合理调配。

其三，针对蓄能转换装置实施一体化设计，还要协调好各种配置。通过发挥储能的作用将能源的耦合关系建立起来，对储能容量合理分配，这是应用能源互联网的过程中需要直接面对的技术问题。现在针对这方面的研究不是很多，储能会在一定程度上影响系统能量传输以及转换的经济性，还会影响效率，对于可靠性以及动态特性都会有不同程度的影响，对于此都需要作出评价。

3.2 战略规划策略

其一，支持较高比例的可再生能源电网运行。储能需求主要包括两种类型，一种类型是电力服务，另一种类型是能源服务。当开展电力服务工作中，对于大容量储能技术需要快速响应，从能源服务的角度而言，要实现双向储能，对于储能容量需要有长时间尺度要求、循环效率比较高，且不会消耗更多的成本，在进行再生能源发电的时候，就会转移时间维度。如果大规模储能技术是单向的，比如进行氢以及热量的存储，就可以进行新能源转化，使其以其他能源形式存在[3]。

其二，多能源系统要有较高的灵活性和可靠性。在互联网上，多种能量流实现耦合，而且相互之间产生作用，使得多种能量系统的运行更加灵活，有较高的可靠性，而且还需要多种能量存储，使得能量与紧密耦合之间存在紧密相关性。

其三，支持多能源系统的能量管理，同时优化路径。多能源系统运行决策过程中，主要的对象是能量存储以及释放，系统在运行的过程中要充分考虑到储能状态，明确其动态变化情况，对于储能功率的方向以及大小加以确定，使得系统的供应和需求保持平衡状态。系统潮流的分布必然会对系统的运行产生一定的影响，不能保证其经济性，也无法提高效率。系统潮流优化的过程中，有两个非常重要的控制变量，一个是潮流方向，另一个是蓄能量，可以对潮流路径优化。

4 结语

通过上面的研究可以明确，随着社会经济的不断发展，对能源技术的需求也越来越高。特别是储能技术、电动汽车、电化学储能技术等方面对电能储能技术提出了很大的要求。电力储能技术的转型升级对我国国民经济有着巨大的影响。因此，有必要加快能源互联网背景下的电能存储技术的研发，以促进我国能源产业的持续发展。