储能技术在新能源电力系统中的应用

2023-11-10广东省能源集团贵州有限公司

电力设备管理 2023年20期

广东省能源集团贵州有限公司李强

随着储能技术的日渐成熟，其在电力系统中的应用优势彰显出来，具体可体现为以下几点：为大规模新能源发电创造有利条件。太阳能、风能新能源所具备的优势是传统化石能源达不到的，可维护电网运行安全。储能技术的应用，有利于实现大规模并网发电；可以改变能源供应结构。新能源符合可持续发展要求，随着人类对能源需求的加大，有必要充分利用新能源，转变能源供应结构，通过储能技术能实现电力系统独立运行或并网运行，促进新能源电力系统的优化改造[1]。

1 某厂储能技术在新能源电力系统中的应用类型

某厂新能源电力系统运行期间，新能源配建储能基于一体化和自调度模式参与电力系统的发展，目前已累计增加新能源消纳0.9亿kWh。晚高峰时间，应急集中调用全网储能资源顶峰保供17次，累积放电量300万kWh。内蒙古电网新型储能放电电力高达117万kW，晚高峰时段的放电量可以达到175万kWh，可以发挥储能技术对保障电力系统稳定性的重要作用。

1.1 物理储能技术

1.1.1 压缩空气储能技术

压缩空气储能系统在储能过程中，风电机组会输出较大功率，此时富余的风电会被注入压缩空气储能电站内，利用电动机驱动压缩机，完成对空气压缩与降温处理，随后再将空气存储在专门的储气室中。如图1所示，压缩机与膨胀机被安装于一根轴中，压缩机所消耗的能量由膨胀机负责提供，在提高压缩机工质压力的同时，也方便膨胀机做功。当二者不处于同一个轴时，压缩过程与膨胀过程就会被分开，从而形成压缩空气储能技术的基本雏形。在储能环节，系统依靠风/光电或者低谷电能来带动压缩机运转，使电能被成功转化成空气压力能，然后高压空气会被集中密封存储在已经报废的岩洞或矿井中，或者直接被存储于人造储气罐。释能环节放出高压空气，对膨胀机产生推动作用，使存储的空气压力转为机械能与电能[2]。

图1 液态压缩空气储能系统示意图

某厂关于压缩空气储能技术的有效应用，刚好是在我国成功自主研发出10MW先进压缩空气储能系统的时代背景下，历经4000h采集试验数据，为某厂引进新储能装置带来了明确方向。购进该装置后发电量逐渐达到了4万kWh，其供电范围增加到3000户，并且在此设备储能服务至上，投资的储能成本得以缩减，综合效益比往年有所增长。为促使某厂系统高效利用新能源，还对此装置进行了升级改造，从100kW调整为500kW，整体储能量呈递增趋势。

压缩空气能存储多少能量，可依据热力学区别环境压力与环境空气的做功能力，单位质量下做功能力（可以转换的功）如下：e=u-u0-T0（s-s0），式中：u指的是内能；T为温度；s为墒；0代表的是环境条件。由此可见，温度越高，内能u就越大，同时s也会越大；压力越大，墒s越小，但是内能基本不变，所以温度与压力的升高都会让单位质量空气做功能力增加。压缩空气压力是100倍大气压，温度上环境温度时，1m³空气内部的能量可以转化为12.9kWh。压缩空气压力增加到200倍大气压时，此时1m³空气内部可以储存电能28.3kWh，将空气加热到300℃，可释放54.4kWh。

笔者在对压缩空气储能技术的研究中，以储能技术为基础，了解一种液态压缩空气储能系统，该系统主要通过对空气降温液化技术的应用，让空气以液态形式得以储存，储能环节经过压缩机的高压空气会进入回热器进行降温降压处理，从而空气被液化为常压低温液态空气，这些液态空气被储存在储液罐中。释能环节液态空气通过低温泵进行升压，再通过回热器进行升温，随后来到燃烧室，与燃料一同混合燃烧，在膨胀机中膨胀做功。

1.1.2 飞轮储能技术

飞轮储能技术主要是依靠旋转中的风轮形成动能，再借助动能转化的方法完成对电能的高效存储。飞轮储能技术应用期间，一般可通过电机驱动飞轮达到预期速度，然后使电能转为飞轮的动能，当用电量增加的时候，可利用飞轮动能带动电机实现发电。正常情况下，飞轮系统需在类似于真空的状态下运行，从而降低摩擦或风阻带来的动能损失，保持系统运行的稳定性，延长其使用寿命[3]。

某厂在飞轮储能技术的应用方面，主要是购进了盾石磁能自主研发的“兆瓦级飞轮储能系统”，因该系统运行时转速不受空气阻碍而呈现高速飞转状态，其转速可达到3.6万r/min，致使某厂每年至少能够节约110万kWh电能，进一步贴合省本要求。而且还从青岛地铁三号线1MW/15MJ节能储能系统实际安装过程中汲取经验，安装后为某厂同其他电力企业的竞争抢占了优势。

1.1.3 抽水储能技术

该技术通过低谷阶段的电价完成对能量储存，无需较高成本，但水资源容易蒸发，系统泵水时也会产生较高功率，所以系统能量转换效率只能达到70%。抽水储能系统用到的储能介质是海水、地下水以及江河大坝等，过去系统须在上下游位置设蓄水池，而海水中也会在下游设蓄水池。但储能期间会通过相应举措避免装置受海水腐蚀。并且抽水储能技术在新能源电力系统中可进行调频、调峰处理，并配合电力系统完成多项动态作业[4]。

某厂在应用抽水储能技术期间，主要考虑此项技术下能够获得1.5左右的水头变幅。为提高对新能源的利用率，专门新建混合式抽水蓄能电站，安装了4台可逆式水轮发电机组（35万kW），并且基于690m的水库落差有序分布机组，促使蓄能电站建设后，为某厂带来了可靠的高效储能和优质发电服务。

1.2 化学储能技术

化学储能技术通过对化学电池储能系统的应用，凭借电池正负极间的氧化反应完成充电与放电，实现化学能与电能转化储存。系统可进行快速功率吞吐处理，常见的化学电池有多种，具体如下。

钠硫储能电池。这种电池正极为多硫化钠与硫，负极是熔融金属钠，电解质与隔膜为Na-beta-氧化铝。钠硫储能电池在储能的能量密度上更高，充放电效率理想，运行费用较低，但电池需要在300℃的环境下运行，电池放电深度还有提升的空间；锂电池。其能源转化效率很高，能量密度较大，以锂电池为主的化学储能系统中包含储能电池管理系统、充放电系统以及电池装置，系统储能效率可以超过85%，电池能量密度高，系统可经过串并联的方式得到高容量与高压，适宜被用在新能源电力系统运行中的应急供电和旋转备用等方面；液流储能电池。其输出功率与电池组面积和储能系统内单电池数量有关，为提高电池储能容量，应提升电解液浓度与容积，电池放电时不需要加以保护，适合用在电能存储与电力系统应急供电。

某厂曾在早期建设了移动式磷酸铁锂电池电化学储能电站（10MW/20MWh），专供35kV新能源电力系统获取储能服务。其中，所用变压器为10.5±2×2.5%/0.4kV，且搭配20台干式变压器。在储能优化设计部分，应用4辆移动储能车（0.25MW/0.5MWh），并具有1台储能变流器（25kW）。而且为确保某厂人员便捷化通往电站，还设有5m宽的道路，用于实现对相关设备的有效检修。

1.3 相变储能技术

与其他储能技术相比，相变储能技术步进系统组成简单，且能量密度更大，常见的有冰蓄冷储能、电储热与熔融盐储热技术等。其中，冰蓄冷储能技术凭借系统内蓄冷介质完成结冰与融冰，再存储与释放冷量，该技术可提升制冷机组运行效率，降低制冷设备在用电高峰阶段的负荷。电储热技术以水和金属资料为储能介质，将金属进行固态液态转化，可对热能加以存储与释放，从而实现高温储热，发挥金属导热性能良好的优势。熔融盐储热技术就是对固态无机盐加热，使其达到熔融状态。

为满足某厂周边电能用户用电需求，专为周边学校采取“光伏+箱变储能”联合储能方式，配备光伏板（2500kW）和热池（175台）。同时以高温热池形式节能电能，基本上在1080万kWh发电量基础上可以节省4300t传统标准煤，且二氧化碳排放量减少1.08万t，验证以此项技术进行优化改造，可以助力某厂达成节能目标。

2 某厂储能技术在新能源电力系统中的应用分析

2.1 储能技术在风能电力系统中应用

风力发电厂中加强对储能装置的应用，有利于提高系统功率，实现对系统有用功与无用功的调控。在系统调峰电能配置环节，储能技术可以优化电网接纳水平。电厂出口并网处母线位置安装储能系统，凭借系统放电与储能功能，对风电系统进行功率控制，谨防电网受到风电场的供电波动干扰，系统内风机装置会安装蓄电池，以达到电能后备存储的目的。风力发电场应具有削峰填谷的功能，利用储能技术，要求储能系统额定功率值达到风电系统的45%，为实现风机设备离网发电目标，系统应配置更大额定功率值动态储能系统。

某厂在储能技术合理应用阶段，借鉴了乌兰察布储能项目与兴和县500MW+150MW/300MWh（储能）风电项目，一定程度提高了新能源发电调节能力。

2.2 储能技术在光伏电力系统中应用

一直以来，光伏发电都是新能源发电系统的主要发电方式，光伏发电是依靠太阳能的电池原理，形成电势差，完成太阳能向电能的高效转化，使电能成为直流电。在该环节应用储能技术，其作用类似于风力发电场，当光伏发电系统中电池输出功率产生波动时，此时储能系统发挥作用，为光伏发电带来瞬时功率，促进系统稳定发电。为促使某厂逐渐扩大多样储能技术的应用范围，参照了阿拉善盟地区光伏电力系统储能经验。

2.3 储能技术在光热发电系统中应用

光热发电与光伏发电不同，其区别在于光热发现先对太阳能进行转化，使其转为热能，随后通过系统热力循环完成热能转换。光热发电系统最终会转为交流电，将该发电系统和传统发电模式充分结合，可以有效适应现阶段电网运行模式，可以并网使用。光伏发电期间完成电能转化后，系统内过剩电能会被储存在系统蓄电池内，光伏发电站产生的能量并不是光能，而是热能，所以储存的能量形式和光伏发电并不一样，发电时需要借助储能设备完成对电能的高效储存。主要有“塔式光热发电”“蝶式光热发电”“槽式光热发电”几种技术类型。通过热能的储存完成全天24h不间断持续供电。

在某厂现有基础上，预计通过搭建高温熔盐罐、中央集热塔（四棱柱钢结构）等装置构建完整的储热系统，借此提高热能与电能的转换率，该系统运行后基本上可以达到2h左右的储热时长，其储热发电功率在150kW左右，此时更易为某厂后续对太阳能的热能的有效利用给予保障。