張中寬，孫慧麗

國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，河南濮陽 457000

淺談儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

張中寬，孫慧麗

國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，河南濮陽 457000

本文主要分析了電力系統(tǒng)中發(fā)展儲能技術(shù)的意義和作用，儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀以及新出現(xiàn)的儲能技術(shù)，對各種類型的儲能技術(shù)的原理、技術(shù)特點、優(yōu)缺點等進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。在此基礎(chǔ)上，研究探討實際應(yīng)用中應(yīng)考慮的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。

電能存儲；電力系統(tǒng)；電化學(xué)儲能

過去，電力系統(tǒng)中，發(fā)電和用電同時發(fā)生，在用電高峰承受著巨大的發(fā)電壓力，再用電低谷又存在著大量閑置電力無用，造成了大量的電力資源浪費(fèi)。而儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個生產(chǎn)調(diào)度過程，用電高峰時段的發(fā)電壓力可以得到顯著緩解，讓已有的電力設(shè)備的利用率得到有效提高；減少電網(wǎng)設(shè)備供電壓力的同時，減少電網(wǎng)發(fā)生故障的情況，維護(hù)整體電網(wǎng)的發(fā)用電安全，從而滿足社會對穩(wěn)定電力的要求；顯著減少電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的資金投入，逐漸將現(xiàn)有的外延擴(kuò)張性的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)涵增效型。

1 儲能技術(shù)的意義和作用

傳統(tǒng)化石能源的日漸匱乏以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化，極大地促進(jìn)了新能源技術(shù)的發(fā)展，氣發(fā)電規(guī)模日益增長，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著越來越重要的角色。以火電這樣的傳統(tǒng)發(fā)電模式為例，通常是按照電網(wǎng)用電的需求進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和用電的調(diào)度和調(diào)整；而以風(fēng)能、太陽能等為基礎(chǔ)的新能源技術(shù)發(fā)電更加依賴于自然資源條件。由于風(fēng)能和太陽能具有波動性和間歇性，對此進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的難度更大，對并網(wǎng)后的電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來更大的不利影響。但由于儲能技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上解決新能源發(fā)電與生俱來的波動性和間歇性，使電網(wǎng)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，同時提高了能源利用的效率，讓新能源發(fā)電成為具有經(jīng)濟(jì)和安全雙重優(yōu)勢的能源形式。

傳統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)電和電網(wǎng)的負(fù)荷時刻處于動態(tài)的平衡，也即通常所說的“即發(fā)即用”，不存在儲能的問題。但是產(chǎn)生的電力即時發(fā)出，供電用電保持時刻平衡，這種供電模式和思路已經(jīng)越來越不適合新型的社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對今后的電網(wǎng)的日常維護(hù)調(diào)度管理的提出的更大的挑戰(zhàn)。而且傳統(tǒng)輸配電運(yùn)營中為滿足輸配電設(shè)備在電網(wǎng)負(fù)荷最高峰的正常運(yùn)營，需要投入大量資金用于輸配電設(shè)備的購買，導(dǎo)致電力系統(tǒng)整體的負(fù)荷率偏低，電力設(shè)備的總體利用率較低。

在引入新型的儲能技術(shù)后，電力成為了可儲存的商品，顛覆了過去遵循發(fā)電、輸電、配電、用電同時進(jìn)行的局面，供電和用電不再同時發(fā)生，電力的供需之間的實時平衡也不再那么重要，新的發(fā)電理念將促進(jìn)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計、輸配電調(diào)度等發(fā)生根本性的發(fā)展變革。

2 儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1儲能技術(shù)的分類

按照不同儲能技術(shù)的能量類型，可以將儲能技術(shù)分為基礎(chǔ)燃料的存儲、電能的存儲、后消費(fèi)能量的存儲。其中電能存儲技術(shù)是本文重點分析探討的部分。另外按照能量存儲形式的差別，可將儲能技術(shù)分為物理儲能和化學(xué)儲能，其中物理儲能進(jìn)一步劃分為機(jī)械儲能和電磁場儲能。

從國家層面來說，儲能技術(shù)對于國家的能源安全至關(guān)重要，因此國內(nèi)外的許多國家對儲能技術(shù)的研究發(fā)展給以很大的關(guān)注和重視。例如日本在2009年對儲能技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的發(fā)展規(guī)劃，并將著重研究鋰離子電池、鈉硫電池和其他新型電池；美國也于2010年進(jìn)行了新型電池發(fā)展的情況進(jìn)行了技術(shù)報告，在未來將重點關(guān)注超級鉛酸電池、鋰離子電池、硫基電池、液流電池等新型儲能技術(shù)的研究發(fā)展。

2.2目前常見的幾種儲能技術(shù)

2.2.1抽水儲能

抽水儲能是指在電力負(fù)荷低谷時段，利用電網(wǎng)中多余的電力將低水位的水抽到高處，將電能轉(zhuǎn)化成水的勢能。在負(fù)荷高峰的時段，可以將高水位的水釋放到低處進(jìn)行再次發(fā)電。

目前該種電力儲能技術(shù)應(yīng)用最廣，抽水蓄能的技術(shù)也相對成熟，一般整套的抽蓄水設(shè)備使用壽命可達(dá)三四十年，只要水庫的庫容足夠大，這樣的儲能容量是非?？捎^的，通?？蛇_(dá)到100MW～2 000MW之間。抽水蓄能可以在電力系統(tǒng)起到多種多樣的作用，如調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急情況備用、黑啟動、為體統(tǒng)提供備用容量等。但抽水蓄能的應(yīng)用也有它的局限性，由于受到地理條件的限制，并不是所有發(fā)電廠周邊都具有建造上下水庫的地質(zhì)條件。此外及時能夠建造上下水庫還需要考慮到水庫的建造難度和水庫建造的合理性和必要性。

2.2.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能指的是在電網(wǎng)用電低谷時，利用電網(wǎng)中多余的電力驅(qū)動空氣壓縮機(jī)，將空氣壓縮機(jī)中的空氣進(jìn)行壓縮以高壓空氣的形式儲存起來，將電能轉(zhuǎn)化成空氣能；待電網(wǎng)用電壓力較大時，重新將空氣壓縮機(jī)中的壓縮空氣釋放，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，使得空氣能重新轉(zhuǎn)化為電能。

1949年，國外首先提出壓縮空氣的概念，之后大批的學(xué)者專家多壓縮空氣在儲能中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究探索，并進(jìn)行了卓有成效的實踐。目前仍在運(yùn)營的兩大壓縮空氣儲能電站分別位于美國和德國，投入實際的商業(yè)運(yùn)營，為壓縮空氣的實際實踐提供了有益的探索。

壓縮空氣儲能方面的研究和開發(fā)在近幾年來得到了較為有效的進(jìn)步，并且壓縮空氣系統(tǒng)在形式上也更為多樣化。考慮到應(yīng)用規(guī)模以及人員配置等方面的差異。

近些年，對于壓縮空氣儲能的研究開發(fā)十分活躍，先后出現(xiàn)了多種形式的壓縮空氣系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中人員和應(yīng)用規(guī)模的不同，可細(xì)分為：1）傳統(tǒng)使用天然氣和地下洞穴的空氣壓縮儲能電站，通常情況下單機(jī)組規(guī)模在100MW以上。2）不使用天然氣和低下洞穴的新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，通常情況下單機(jī)組規(guī)模在10MW以下。

總的來說，使用傳統(tǒng)的天然氣和地下洞穴壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展的較為成熟，系統(tǒng)的運(yùn)行效率通?？梢赃_(dá)到70%，但還是避免不了對地理環(huán)境和化石燃料的依賴。另外幾種新型的空氣壓縮儲能技術(shù)目前仍在研究、試驗階段，目前存在需要重點攻關(guān)的技術(shù)是儲能效果的提升和能量密度的提高，在壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲熱設(shè)備、儲氣設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)上仍然存在技術(shù)難題需要解決。

2.2.3電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行能量存儲的技術(shù)。在電化學(xué)儲能中，電池是能量轉(zhuǎn)換的主要載體。電池發(fā)展至今，其種類眾多，內(nèi)部材料和工作原理千差萬別，但內(nèi)部的核心結(jié)構(gòu)卻是大體相同，都是由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)組成。電勢較高的一極為正極，電勢較低的一極為負(fù)極。在電池充電的過程中，正極發(fā)生氧化，失去電子；負(fù)極發(fā)生還原，得到電子。在電池內(nèi)部形成負(fù)極向正極的電流，在電池外部電路形成正極向負(fù)極的電流。

電化學(xué)儲能作為目前廣泛關(guān)注的一種儲能形式，其特點在于能夠根據(jù)不同應(yīng)用需求自由靈活的配置，一般不受地理因素的限制，適合大規(guī)模用于實際的電能存儲中。電化學(xué)儲能的缺點在于電池的使用壽命較短、使用成本較高，也是實際應(yīng)用中亟待解決的問題。

目前著重發(fā)展研究的是鋰離子電池、全釩液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鈉氯化鎳電池、鋰硫電池等。針對大規(guī)模儲能而開發(fā)的鈉硫電池和全釩液流電池有了進(jìn)一步的發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用于電動汽車中的鋰離子電池（如鋰硫電池和鋰空氣電池）也有望在未來大規(guī)模應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)中。近期有麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊提出了液態(tài)金屬電池這一新型化學(xué)儲能技術(shù)，該電池具有成本低、壽命長、效率高、儲能密度大等諸多優(yōu)點，得到了國際上的廣泛關(guān)注，也有望應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能中。

2.3電磁場儲能

2.3.1超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的意義是通過超導(dǎo)線、變流器等設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化成電磁能進(jìn)行儲存，在電網(wǎng)需要時再次將電磁能轉(zhuǎn)化為電能。這樣一個儲能系統(tǒng)包括了超導(dǎo)儲能磁體、低溫系統(tǒng)、電子電力變流系統(tǒng)和監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等。該儲能技術(shù)有著區(qū)別于其他技術(shù)的顯著優(yōu)點：有著更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度、更有效的能量轉(zhuǎn)化效率，通?？蛇_(dá)到95%以上，以及更大的能量存儲密度，較適合應(yīng)用于實際的電網(wǎng)儲能的需要。

超導(dǎo)磁儲能主要的問題在于：1）超導(dǎo)材料成本相對較高，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用；2）產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)低溫條件的冷卻裝置等核心設(shè)備還需要國外進(jìn)口，國內(nèi)仍未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化；3）部分關(guān)鍵技術(shù)仍需要時間來重點攻關(guān)處理。

2.3.2超級電容器儲能

超級電容器儲能目前主要存在的問題時能量密度低、成本較高。該種儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用仍需時日。超級電容器擁有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)使用壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點。

2.3.3熔融鹽蓄熱儲能

熔融鹽蓄熱儲能是一種利用熔融鹽物化性質(zhì)，傳熱換熱的過程將熱量儲存起來，必要時重新將熱能重新轉(zhuǎn)化成電能。

受限于自然因素的影響，西部地區(qū)在夜間低溫不能與該項儲能技術(shù)的發(fā)展使用，所以目前仍需時日進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)克服。

3 儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時應(yīng)注意的問題

3.1技術(shù)水平

一項儲能技術(shù)的技術(shù)水平是否過關(guān)是能否得到應(yīng)用推廣的關(guān)鍵問題，需要從系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備使用壽命兩個角度進(jìn)行綜合評價。此外還需要考慮實際應(yīng)用中的儲能設(shè)備的質(zhì)量和體積。能否在盡可能少的占用土地的情況下滿足實際的儲能需要，也是衡量儲能技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2經(jīng)濟(jì)成本

以風(fēng)力發(fā)電為例，其配套的儲能設(shè)備需要成本幾乎和風(fēng)電的整體投資成本相當(dāng)。而且，大規(guī)模的儲能設(shè)備需要專業(yè)技術(shù)進(jìn)行長期的設(shè)備維護(hù)。因此儲能設(shè)備的大規(guī)模推廣必須要考慮到經(jīng)濟(jì)性，能否具備降低成本的空間，能否具有長期的顯性經(jīng)濟(jì)利益，否則很難推廣普及。

4 結(jié)論

綜合來看，考慮到儲能技術(shù)的規(guī)模等級、設(shè)備形態(tài)、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本以及實際需求，電化學(xué)電池儲能和壓縮空氣儲能具有較大的應(yīng)用前景，值得重點研究發(fā)展。

[1]國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)新技術(shù)前景研究”項目咨詢組，王松岑,來小康,程時杰.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013（1）：3-30.

[2]葉季蕾，薛金花，王偉，等.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].中國電力，2014（3）：1-5.

[3]張雪莉，劉其輝，李建寧，等.儲能技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2012（12）：50-57.

TM91

A

1674-6708（2016）171-0209-02

張中寬，高級工程師，國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。孫慧麗，工程師，國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，從事電力系統(tǒng)通信工作。