楊海森

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)以電化學(xué)儲(chǔ)能為主，儲(chǔ)能類型較為單一。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)。

目前，新能源大規(guī)?？稍偕茉唇尤氲碾娏ο到y(tǒng)，在儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用上通常采用單一的技術(shù)路線，沒有考慮多重應(yīng)用場(chǎng)景，在儲(chǔ)能的選取過程中往往只能滿足高充放電功率或大存儲(chǔ)容量?jī)煞N需求中的其中一種。采用單一技術(shù)路線的儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能需求。為此，文章提出多重應(yīng)用場(chǎng)景下的新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)，兼顧多種儲(chǔ)能技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)，以更好地適應(yīng)未來多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)的趨勢(shì)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的需求背景

1.1 “碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下的電力能源結(jié)構(gòu)變革

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)催生了我國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)的新一輪變革。為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，現(xiàn)有的以化石能源為主的電力能源結(jié)構(gòu)體系將面臨風(fēng)電、光伏、潮汐能、地?zé)崮艿榷喾N新能源的加速替代。新能源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，這與電力系統(tǒng)供需實(shí)時(shí)平衡的固有屬性之間形成了天然的矛盾，這使得以新能源為主要裝機(jī)類型的未來電力系統(tǒng)將無可避免地面臨空前的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行挑戰(zhàn)。為此，儲(chǔ)能作為一種電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活資源，成為應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性問題，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)對(duì)新能源消納能力的重要手段。

1.2 電力系統(tǒng)容量資源的進(jìn)一步限制

隨著電力負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)在輸電、變電、配電各個(gè)環(huán)節(jié)面臨負(fù)荷增長(zhǎng)帶來的巨大擴(kuò)容需求。與此同時(shí)，土地資源限制、征地難度的加大、生態(tài)環(huán)保要求的提高，與傳統(tǒng)的依賴新建線路、變電站、配電系統(tǒng)的擴(kuò)容方式之間的矛盾進(jìn)一步加大。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為可調(diào)節(jié)的靈活資源，有助于改善負(fù)荷峰谷特性，緩解峰值負(fù)荷與電力系統(tǒng)輸送容量之間的矛盾，使電力系統(tǒng)在同等輸送容量下的輸送電量得到提高。因此，儲(chǔ)能是改善電力系統(tǒng)負(fù)荷特性，提高電力系統(tǒng)設(shè)備利用效率的重要手段。

1.3 電力用戶更高的用電質(zhì)量要求

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局提出《關(guān)于全面提升“獲得電力”服務(wù)水平 持續(xù)優(yōu)化用電營(yíng)商環(huán)境的意見》，進(jìn)一步明確了電力用戶供電可靠性、用電質(zhì)量的要求。與此同時(shí)，隨著精密制造業(yè)的不斷發(fā)展及用戶側(cè)電能替代的不斷推動(dòng)，電力用戶對(duì)用電質(zhì)量的要求越來越高。儲(chǔ)能的引入將提高用戶側(cè)分布式電源的接入能力，提高電力用戶的供電可靠性、電能質(zhì)量和防災(zāi)抗災(zāi)能力。

2 新能源電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的類別

2.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能主要是將旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存的電能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能的過程需要通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使飛輪獲得一定的速度后，通過動(dòng)能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向電能轉(zhuǎn)換來獲得或者釋放電能。

飛輪系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境是真空的，在此環(huán)境下能夠有效降低風(fēng)阻，同時(shí)有效減少動(dòng)能產(chǎn)生的損耗，保證轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)運(yùn)行的壽命。而且，真空環(huán)境運(yùn)行能夠減少環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，且基本不需要進(jìn)行設(shè)備以及系統(tǒng)的維護(hù)[1]。但是，飛輪儲(chǔ)能在使用過程中也存在一定的缺陷。一方面，這種方式儲(chǔ)存的能量密度低；另一方面，由于真空環(huán)境及蓄電池系統(tǒng)的使用，對(duì)于空間的要求更加嚴(yán)格，要保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，需要投入大量的資金。

2.2 抽水儲(chǔ)能

目前，抽水儲(chǔ)能是發(fā)展迅速并且技術(shù)較為成熟的儲(chǔ)能方式，但要實(shí)現(xiàn)抽水儲(chǔ)能，不僅要在上游建設(shè)水庫，同時(shí)要在下游匹配一個(gè)水庫。在電負(fù)荷低時(shí)，要通過抽水設(shè)備進(jìn)行抽水，將下游水庫中的水抽到上游水庫中來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。當(dāng)電負(fù)荷較高時(shí)，就需要將相關(guān)的設(shè)備轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)狀態(tài)，通過上游水庫中儲(chǔ)存的大量水來發(fā)電。

但是這種方式的能量轉(zhuǎn)化率最高只能達(dá)到75%，而且地勢(shì)選址要求嚴(yán)苛、建設(shè)周期較長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)調(diào)整難度大等問題突出，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。就目前的抽水儲(chǔ)能工程建設(shè)情況來看，全球的抽水電站的裝機(jī)容量能夠達(dá)到9×107kW，這在全球全部電站裝機(jī)容量中僅僅占到了3%。同時(shí)。由于抽水儲(chǔ)能在選址中對(duì)環(huán)境要求較高，地形環(huán)境致使其往往距離用電區(qū)域較遠(yuǎn)，在電能儲(chǔ)存及輸送過程中還會(huì)造成大量的能源損耗。

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能方式是目前在發(fā)展和應(yīng)用中前景較好、可以大規(guī)模推廣和應(yīng)用的儲(chǔ)能方式。壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能方式，能夠有效實(shí)現(xiàn)過盛電能的儲(chǔ)能。在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)，通過壓縮空氣儲(chǔ)能方式對(duì)空氣進(jìn)行壓縮；在電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)，再將儲(chǔ)存的壓縮空氣釋放出來，推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

壓縮空氣儲(chǔ)能方式具有響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的轉(zhuǎn)化效率，平均能夠達(dá)到70%以上，未來發(fā)展前景良好。不過該儲(chǔ)能方式主要是在系統(tǒng)備用及電力調(diào)峰等方面應(yīng)用，對(duì)地址結(jié)構(gòu)和地形環(huán)境也有一定的要求。

2.4 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能是利用化學(xué)方式進(jìn)行儲(chǔ)能的，常用的材料有鈉硫電池、液流電池及較為常見的鉛酸電池和鋰電子電池等。其中，在大規(guī)模應(yīng)用中，液流電池具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是目前應(yīng)用最為廣泛的還是鉛酸電池和鋰電子電池。

電化學(xué)儲(chǔ)能電池可以通過串并聯(lián)形成電池組，以提高電池容量和充放電功率。電化學(xué)儲(chǔ)能的成本相對(duì)較低，但是電化學(xué)儲(chǔ)能電池的壽命較短，同時(shí)在其使用結(jié)束后也會(huì)帶來較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。當(dāng)前，對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的相關(guān)研究越來越多，尤其是近年來分布式電源的相關(guān)研究和大量推廣，電化學(xué)儲(chǔ)能逐漸呈現(xiàn)出小體積、易部署、搭配靈活等優(yōu)勢(shì)，在分布式電源發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，消納能力逐漸提高，是降低負(fù)荷峰谷差的主流技術(shù)手段。

2.5 超級(jí)電容儲(chǔ)能

基于電化學(xué)雙電層理論，超級(jí)電容儲(chǔ)能得到了深入研究和發(fā)展，是一種新型儲(chǔ)能方式。超級(jí)電容儲(chǔ)能能夠提供較強(qiáng)的脈沖功率，在充電過程中其電極表面是理想的極化狀態(tài)，這時(shí)電荷會(huì)對(duì)電解質(zhì)溶液中存在的異性離子進(jìn)行吸引。這些異性電子將會(huì)附著在電極的表面，形成一種雙層電容。在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，超級(jí)電容儲(chǔ)能通常用于短時(shí)、高峰值功率場(chǎng)景下的負(fù)載穩(wěn)定及電壓暫降、瞬態(tài)干擾的平抑等場(chǎng)景。

2.6 超導(dǎo)儲(chǔ)能

借助超導(dǎo)體構(gòu)成的線圈，能夠通過相關(guān)磁場(chǎng)進(jìn)行能力的儲(chǔ)存，這就是常見的超導(dǎo)儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能在功率輸送的過程中不需要對(duì)能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其比容量較大，響應(yīng)速度較快，而且在轉(zhuǎn)換中效率較高，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的能量交換，還能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的功率補(bǔ)償。借助超導(dǎo)儲(chǔ)能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)和功率的補(bǔ)償，從而提高功率輸送能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運(yùn)行。

3 儲(chǔ)能技術(shù)定位

將儲(chǔ)能技術(shù)引入電力系統(tǒng)，作為一種電能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的設(shè)備，有效解決了新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性與電力系統(tǒng)功率供需實(shí)時(shí)平衡之間的矛盾。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種靈活調(diào)節(jié)資源，既要在功率尺度上調(diào)和電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)的供需矛盾，也要具備足夠的電能存儲(chǔ)能力，在能量尺度上滿足電力系統(tǒng)不同時(shí)間尺度上的供需平衡。因此，不同儲(chǔ)能技術(shù)的核心參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)主要可以分為功率、續(xù)航時(shí)間、響應(yīng)速度等方面[2-3]。

電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求，可以劃分以下應(yīng)用場(chǎng)景。（1）對(duì)于提供系統(tǒng)阻尼、輔助一次調(diào)頻等應(yīng)用場(chǎng)景，通常要求儲(chǔ)能具備快速高輸出功率和快速響應(yīng)的能力，具有代表性的儲(chǔ)能技術(shù)路線包括飛輪儲(chǔ)能和的超級(jí)電容儲(chǔ)能。（2）對(duì)于平滑新能源出力波動(dòng)，提高輸配電設(shè)備利用效率的應(yīng)用場(chǎng)景，要求儲(chǔ)能能夠具備較快的響應(yīng)能力，同時(shí)能夠適應(yīng)充放電頻繁轉(zhuǎn)換，代表性的技術(shù)路線為電化學(xué)儲(chǔ)能，尤其以鋰電池儲(chǔ)能為典型。（3）對(duì)于大電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)節(jié)負(fù)荷等，需要高功率、大容量、長(zhǎng)時(shí)間尺度的儲(chǔ)能支撐應(yīng)用場(chǎng)景，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)具備較強(qiáng)的吞吐能力、良好的使用壽命和資源環(huán)境友好特性，代表性的技術(shù)路線包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熔融鹽儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能等。

可見，面對(duì)電力系統(tǒng)不同應(yīng)用場(chǎng)景，單一的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)多重場(chǎng)景下的新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。因此，需結(jié)合現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)路線，提出一種結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能與超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能方案，滿足高功率與高容量需求的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。

4 多重應(yīng)用場(chǎng)景下新能源電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在“碳達(dá)峰、碳中和”和建設(shè)新型電力系統(tǒng)的大背景下，儲(chǔ)能是適應(yīng)未來可再生能源大規(guī)模接入、提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不可或缺的靈活性資源。儲(chǔ)能的技術(shù)路線眾多，未來多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)共同接入電力系統(tǒng)將成為一種常態(tài)。相應(yīng)地，儲(chǔ)能電池的部署也將從單一類型向多重類型發(fā)展。為此，文章設(shè)計(jì)了一種鋰電池和超級(jí)電容相結(jié)合的混合儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)可結(jié)合鋰電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供大功率和高能量輸出。由于未來儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入將與分布式電源和負(fù)荷深入融合，因此以多重應(yīng)用場(chǎng)景下新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能部署方式為例，對(duì)文章提出的鋰電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能進(jìn)行闡述，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[4-5]。

如圖1所示，超級(jí)電容器和鋰電池是該單元的主要組成部分，實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能。分布式儲(chǔ)能單元中的超級(jí)電容器直接耦合在新電源電力系統(tǒng)的直流母線上，然后經(jīng)過逆變單元和超級(jí)電容器并聯(lián)，這樣能夠有效保證儲(chǔ)能器之間互不干擾。

以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，逆變單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器的管理和控制，并對(duì)鋰電池的儲(chǔ)能進(jìn)行有效管理。在目前的新能源電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)均需要配置一個(gè)分布式儲(chǔ)能單元，并通過并聯(lián)的方式連接到獨(dú)立發(fā)電機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，分布式儲(chǔ)能單元通過PCS并聯(lián)于新能源電力系統(tǒng)的直流母線側(cè)，與發(fā)電機(jī)共同使用新能源電力系統(tǒng)中的DC/AC逆變單元。在實(shí)現(xiàn)新能源向電能轉(zhuǎn)化的同時(shí)，經(jīng)過發(fā)電機(jī)將最初的交流電通過全功率變流后直接接入分布式儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能單元與新能源電力系統(tǒng)的連接[6-7]。

5 結(jié)論

綜上，文章分析新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，并以目前的新能源電力系統(tǒng)為例，對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行了革新和完善，提出了全新多重應(yīng)用場(chǎng)景下的新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。希望研究能夠?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)的儲(chǔ)能提供一定的理論依據(jù)和有效參考，推動(dòng)系能源電力系統(tǒng)組件完善，激活新能源市場(chǎng)，從而促使新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。